行業(yè)資訊 I 大勢(shì)所趨：在汽車設(shè)計(jì)中融合機(jī)械與電子

有人曾說(shuō)：“機(jī)械工程師設(shè)計(jì)汽車機(jī)器，電子工程師設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)，而土木工程師設(shè)計(jì)道路。”暗示著這些工程學(xué)科彼此獨(dú)立工作。然而，彼此獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)（至少是對(duì)機(jī)械和電子工程師來(lái)說(shuō)）越來(lái)越難以研發(fā)現(xiàn)代產(chǎn)品。機(jī)械設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)正在相互融合，要求對(duì)向來(lái)彼此獨(dú)立的設(shè)計(jì)學(xué)科進(jìn)行多物理場(chǎng)分析。為克服設(shè)計(jì)難題，工程負(fù)責(zé)人需要主動(dòng)地將以上團(tuán)隊(duì)團(tuán)結(jié)起來(lái)。

可以肯定的是，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師并不需要設(shè)計(jì)外殼或機(jī)械風(fēng)扇。但創(chuàng)新型產(chǎn)品要求在運(yùn)行環(huán)境中對(duì)自身所有的電子器件進(jìn)行分析。這意味著機(jī)械系統(tǒng)和電子器件之間的聯(lián)系比以往任何時(shí)候都更加緊密。汽車電子設(shè)備市場(chǎng)不斷發(fā)展壯大，對(duì)機(jī)械和電子工程師來(lái)說(shuō)，這是利用彼此的技能來(lái)打造創(chuàng)新型產(chǎn)品的絕佳機(jī)會(huì)。

發(fā)出正確的信號(hào)

汽車設(shè)計(jì)面臨的一大挑戰(zhàn)是器件會(huì)變熱。用于自動(dòng)駕駛、高速通信和信息娛樂(lè)的電子產(chǎn)品必須能耐受這些熱源，或者不被這些熱源所影響。在電子快速移動(dòng)的情況下，電熱仿真成為重中之重，以確保組件不會(huì)在保修期前過(guò)早失效或磨損。電動(dòng)汽車仍處于發(fā)展初期，可以利用多物理場(chǎng)系統(tǒng)分析，以數(shù)字化方式對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，與傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)行業(yè)知識(shí)實(shí)現(xiàn)匹配。

此外，汽車設(shè)計(jì)中的許多功能依賴于信號(hào)和電源完整性，例如行人探測(cè)、自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、車道偏離預(yù)警、自動(dòng)遠(yuǎn)光技術(shù)等。這些功能必須以同步的方式運(yùn)行，因此測(cè)試必須同時(shí)進(jìn)行。

信號(hào)將數(shù)據(jù)從一個(gè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。電動(dòng)汽車會(huì)產(chǎn)生數(shù)以百計(jì)的電磁/電子信號(hào)或電流，因此必須確保這些信號(hào)不會(huì)過(guò)度地彼此干擾或削弱。電動(dòng)汽車需要電源和信號(hào)完整性分析，這是確保正常功能和使用壽命的關(guān)鍵。如今的汽車車身內(nèi)通常有 1000 多個(gè)芯片。雖然其中的大多數(shù)芯片都用于信息娛樂(lè)，但自動(dòng)駕駛和相關(guān)安全功能所使用的芯片量位居第二，而且數(shù)量還在快速增加。

另一個(gè)需要考慮的因素是，有些信號(hào)只與電動(dòng)汽車的內(nèi)部系統(tǒng)互動(dòng)，有些則與 5G 網(wǎng)絡(luò)等外部系統(tǒng)互動(dòng)。信號(hào)相互依存，因此必須同時(shí)進(jìn)行仿真，以確保安全、可靠和正確的運(yùn)作，包括與已有的眾多信號(hào)共存。

強(qiáng)大而靜謐——能效和里程

消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車的一個(gè)主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是續(xù)航里程，因此在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車時(shí)，最大限度地提高單次充電的行駛距離是一個(gè)重要的考慮因素。能效對(duì)燃油汽車來(lái)說(shuō)同樣重要。

噪音、振動(dòng)和硬度是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的另外三個(gè)重要因素。汽車?yán)锸冀K有些部件在移動(dòng)和振動(dòng)，在使用新材料的同時(shí)減輕重量會(huì)帶來(lái)新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

在電動(dòng)車設(shè)計(jì)中，聲學(xué)仿真和測(cè)試非常重要，因?yàn)殡妱?dòng)汽車沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)噪音，所以更加安靜。路噪和風(fēng)湍流會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)。在電動(dòng)汽車上，風(fēng)吹過(guò)側(cè)視鏡產(chǎn)生的風(fēng)噪非常明顯。以前無(wú)人在意到的胎噪如今也成為一個(gè)潛在的問(wèn)題。風(fēng)噪和路噪會(huì)嚴(yán)重影響消費(fèi)者對(duì)質(zhì)量的感知。這些因素以及其他對(duì)燃油汽車影響不大的許多因素，會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)生顯著影響。因此，必須對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行重新考量，確保最佳的電動(dòng)汽車駕駛體驗(yàn)。

在電動(dòng)汽車中，機(jī)械和電子部件之間日益相互依賴，這可能預(yù)示著在打造創(chuàng)新型產(chǎn)品時(shí)，越來(lái)越需要機(jī)械和電子工程師在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中密切合作。

并行多物理場(chǎng)分析

隨著企業(yè)不斷努力提高性能，多物理場(chǎng)交互變得越來(lái)越復(fù)雜。機(jī)械設(shè)計(jì)師面臨的設(shè)計(jì)復(fù)雜性甚至可能接近電子設(shè)計(jì)師多年來(lái)所面臨的復(fù)雜性水平。電子和機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因此需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體性分析。

從小型化、形狀參數(shù)和空間限制，到 Wi-Fi、藍(lán)牙、性能優(yōu)化和多物理場(chǎng)，設(shè)備的復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，帶來(lái)了巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。越來(lái)越多的產(chǎn)品通過(guò)某種形式的無(wú)線電信號(hào)（5G、藍(lán)牙、Wi-Fi 或其他傳輸標(biāo)準(zhǔn)）與外界進(jìn)行通信。

無(wú)線電是設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的部件之一，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的各個(gè)方面都與其他方面彼此影響。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵不僅在于天線的形狀，還在于每個(gè)連接器、封裝引腳和印刷電路板 (PCB) 走線和外殼的形狀，甚至還要考慮到人們會(huì)坐在什么位置使用無(wú)線電通信。

在分析此類設(shè)計(jì)以便進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，必須同時(shí)分析（或模擬）設(shè)計(jì)的每個(gè)方面如何影響分析的整個(gè)范圍，因?yàn)槊總€(gè)電子組件會(huì)影響其他組件，包括機(jī)械組件和外殼對(duì)性能的影響。孤立的仿真測(cè)試是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

圖為 Cadence OMNIS CFD 工具中的仿真結(jié)果圖

對(duì)多物理場(chǎng)交互進(jìn)行仿真時(shí)，通常需要同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，電子工程師在這方面積累的經(jīng)驗(yàn)是否也適用于機(jī)械工程師？

唯一不變的是變化

機(jī)械設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)的融合才剛剛開(kāi)始，如今的工程負(fù)責(zé)人需要打破團(tuán)隊(duì)藩籬，這樣才能進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品。想要避免代價(jià)高昂的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，機(jī)械工程團(tuán)隊(duì)不能只是交接工作，把設(shè)計(jì)交給電氣設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)后就不管不顧。與整個(gè)團(tuán)隊(duì)保持一致非常重要，但這還不夠。機(jī)械、電子和算法元素之間相互依賴，因此機(jī)械、電子和軟件團(tuán)隊(duì)需要在車輛設(shè)計(jì)的各個(gè)方面密切合作。

互聯(lián)技術(shù)需要互聯(lián)團(tuán)隊(duì)。很少有產(chǎn)品只涉及機(jī)械設(shè)計(jì)。配備了傳感器、軟件和電子設(shè)備的產(chǎn)品越來(lái)越多。所有的設(shè)計(jì)（不僅僅是機(jī)械設(shè)計(jì)）都必須無(wú)縫交互。這種緊密的交互意味著如今的產(chǎn)品必須作為一個(gè)整體進(jìn)行測(cè)試，而不是對(duì)各個(gè)組件單獨(dú)測(cè)試，這不僅是為了加快測(cè)試和優(yōu)化流程，也是為了確保準(zhǔn)確性。

各個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)各自為政的日子可能很快就會(huì)成為歷史——這未必不是一件好事。各個(gè)團(tuán)隊(duì)未來(lái)將不再局限于討論和分享結(jié)果。所有的工程參與者（機(jī)械、電氣和軟件）必須作為一個(gè)整體進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。各個(gè)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)始終了解其他團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的工作，彼此影響和引導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)高度創(chuàng)新和優(yōu)化的設(shè)計(jì)。