【導讀】汽車多媒體系統(tǒng)所面臨的一個最大挑戰(zhàn)是它們必須在各種要求嚴格的環(huán)境條件下工作，這使得它們的設計標準更嚴格，設計難度也更大。本文明導將為大家詳細介紹針對汽車多媒體系統(tǒng)設計的熱模擬。
Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《走向更高！針對汽車多媒體系統(tǒng)設計的熱模擬》的研究報告。本報告最初發(fā)表于明導旗下刊物《Engineering Edge》，由大陸汽車集團的Uwe Lautenschlager 博士撰寫，中文版的報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網站閱讀和下載： http://mentorg.com.cn/aboutus/view.php?id=242 。
1.引言
國際汽車 OEM 廠商的系統(tǒng)供應商大陸汽車集團設有三個部門：底盤與安全系統(tǒng)部、動力總成系統(tǒng)部和車身電子系統(tǒng)部。車身電子系統(tǒng)部由四個業(yè)務單元組成：儀表與人機界面、信息娛樂與智能通訊、車身與安全和商用車與售后部件及服務。
信息娛樂與智能通訊業(yè)務單元的產品包括收音機、具備互聯能力的收音機和導航、多媒體系統(tǒng)、嵌入式車載智能通訊解決方案、車載無線通訊系統(tǒng)以及軟件與專用解決方案，尤其側重于娛樂、信息、導航和通訊。
圖1：具有音頻、導航、互聯網、電話、電視和后座娛樂功能的多媒體系統(tǒng)
汽車多媒體系統(tǒng)所面臨的一個最大挑戰(zhàn)是它們必須在各種環(huán)境條件下工作：
●溫度介于-40oC～+100oC之間
●范圍較廣的電源電壓（4.5～16.0伏）
●疊加交流電壓
●ESD 污染過的環(huán)境（ESD = 靜電放電高達+/-15kV)
●各種濕度（0%～100%）
●化學影響
具有嚴格的設計標準：
●機械強度和穩(wěn)定性（靜態(tài)/動態(tài)）：振動和機械沖擊
●大小和重量嚴重受限
●有關傷害（頭部碰撞）風險和產品責任的嚴格要求
2.全文要點與大綱如下：
a.一個遠不止物理原型設計的世界
設計滿足這些要求的系統(tǒng)所要做的工作比設計完成之后的物理原型設計多得多。事實上，大陸汽車的模擬愿景是“只需一次就打造出理想中的產品”(Get the Product Right the First Time )；他們的戰(zhàn)略是通過“ 依托模擬做出設計決策 ” 實現這一愿景。因此，模擬現已高度整合進設計流程。
大陸汽車采取全方位 3D 系統(tǒng)級建模，模擬中包含所有熱相關部件以及氣流部件。幾何描述基于機械 CAD 數據，所有相關部件和模塊的輸出/輸入均來自 CAD 系統(tǒng)。然而，幾何描述可以實現簡化和理想化。使用的復雜性取決于模擬目標：使用較少的細節(jié)分析各種初步概念，而成熟設計的建模則包括更多細節(jié)。
b.“專業(yè)知識”--大陸汽車的競爭優(yōu)勢
大陸汽車已擁有大量與復雜電子系統(tǒng)和子系統(tǒng)（包括物理硬件和潛在的冷卻解決方案）熱模擬模型（FloTHERM 模型）建立和驗證相關的內部專業(yè)知識。
設計過程各階段各種未知情況、建模假設和簡化導致的不確定性通過驗證得以緩解，正如以下兩個案例所闡述的。
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案例：調諧器模塊建模
該模塊可建模成擁有均勻功率耗散分布的單塊，或者擁有所有內部電氣部件和屏蔽的詳細模型，或者這兩個模式之間的一種模式。在大陸汽車的經驗中，一個簡化模塊通常足以應付全面的系統(tǒng)分析。然而，有關內部部件溫度的結論卻要從以下描述的參考模擬中得出。
圖2：調諧器模塊的單塊（系統(tǒng)級）和詳細（參考）描述
示例：底盤型號驗證
底盤的一部分被用作汽車功放的冷卻散熱片。底盤的一個重要方面在于頂部支架和底蓋的熱接觸程度（關乎制造公差）。對模型假設進行驗證是提高模型精確度的關鍵。這樣可以測量產品原型并利用測量結果來比較模擬模型。方案1 (g1) 無間隙（完全熱接觸），而方案2(g2) 則存在0.3毫米的間隙，因此蓋子之間沒有熱接觸。通過比較所測量的外殼溫度，方案2（有間隙）似乎最能代表支架的接觸程度。
圖3：對外殼熱接觸模型假設的驗證
c.超越高逼真度模擬
大陸汽車對模擬的專注不會止步于熱模型的構建及驗證。旨在改善散熱設計的決策可能會影響產品的機械、電氣和電磁兼容性 (EMC) 性能。大陸汽車設計人員就此提出了一個關鍵問題：
“我們怎樣才能在保持決策自由度的同時實現設計的靈活性并做出更好的設計決策呢？”
要找出這個答案需要分析該產品在所有學科方面的表現并確認獨立和耦合系統(tǒng)變量。多學科設計優(yōu)化 (MDO) 技術與模擬、優(yōu)化（含依賴于學科的目標和約束條件）以及實驗設計 (DOE) 和響應面法技術可以用來解決這個設計問題。事實上，DOE 工具為探究概念并完成強大設計奠定了基礎。DOE 的兩個主要方面是對數值模擬的規(guī)劃和統(tǒng)計分析。
離散和連續(xù)設計變量的數目可能非常大。篩選模擬支持將對主要因素（設計驅動因素）的挑選納為 MDO 的設計變量。即便如此，所需的計算工作量也是非常巨大的。
d.連續(xù)改進設計
為提升整體設計做出調整，如產品的機械、電氣和 EMC 性能間的協調以及溫度限制、可制造性或成本等其他限制條件，有利于實現連續(xù)改進。對每個學科而言，這些改進可以看作是對基礎設計的完善。在進行熱設計時，則可視為對監(jiān)控點溫度的調整，從而與將用作測量物理原型的傳感器的位置相匹配。
圖4：利用 MDO 技術連續(xù)改進多媒體系統(tǒng)的概念/設計
e.業(yè)務優(yōu)勢
針對汽車應用的現代化收音機和導航系統(tǒng)（即多媒體系統(tǒng)）極為復雜，包含大量機電零部件。這些汽車多媒體系統(tǒng)的設計必須符合從機械穩(wěn)定性和熱管理到電磁兼容性和光學均勻性等要求，因而需要機械、電氣和軟件工程師相互配合。掌握多門學問很有必要。
圖5：設計自由度對累計成本和知識的影響
大陸汽車必須快速響應瞬息萬變的客戶要求。產品的開發(fā)必須顧及客戶信心以及質量、成本和設計時間。多學科設計優(yōu)化 (MDO) 非常適合用于在多學科環(huán)境中找到更好的設計解決方案。模擬支持知識生成，并且有助于以更低的成本、更短的時間和更大的產品靈活性更深入地了解產品表現，從而提高客戶對產品的信心。
