我們周圍的電子設備層出不窮,而過去那些我們所熟悉的產品也已經具備更新奇、更智能的功能。隨著物聯網日益擴展,ANSYS提供的全面仿真功能有助于在眾多方面實現產品性能的最優化。
商業媒體有關全球物聯網(IoT)將持續呈現爆炸式增長的報道鋪天蓋地,而且有大量證據證明相關預測。我們身邊的手機、平板電腦及其它設備讓我們保持全天候聯網。智能功能讓汽車、無人機、醫療設備和工業設備互聯互通。不過,IoT遠遠不是指設備的智能功能。在更高速的網絡以及日新月異的計算與數據中心技術的推動下,數據分析技術將助力實現IoT的全部價值。
對中小型企業而言,IoT顯然是一個令人振奮的商機。然而,IoT經濟的成功取決于企業持續創新產品的能力。為了在創新方面脫穎而出,產品研發與工程團隊日益需要解決與通信系統設計、傳感器設計和產品可靠性相關的關鍵挑戰。
在這種飛速發展的環境中,仿真軟件有助于盡快把最新產品模型或新一代功能帶給客戶,因而成為了企業獲得寶貴競爭優勢的重要戰略工具。產品設計人員借助工程仿真技術能夠在設計周期盡早、盡快找出并經濟高效地解決一切功能缺陷,如:不實際的功耗需求或錯誤的天線設計。
為了有助于推動IoT的指數級增長,ANSYS現已研發出業界最綜合全面的仿真解決方案,能夠提高電子設備以及目前具備智能功能的傳統產品的性能及可靠性。從利用ANSYS Mechanical確認產品的結構完整性到利用ANSYSSCADE驗證嵌入式軟件的性能,產品研發人員可利用ANSYS仿真軟件的強大功能解決IoT相關的各種設計問題。
基于仿真的智能設計
ANSYS仿真軟件產品的多物理場、多域功能對設計當今的智能互聯產品尤為重要。由于這些產品功能復雜,智能產品研發團隊需要極高的可靠性、準確性、魯棒性和創新性。同時,這些團隊還面臨著保持低成本和加快產品發布的巨大壓力。為了實現上述目標,企業既不能在設計上各自為政,也不能依賴傳統的構建-測試方法。
目前仿真不但是競爭所需,而且也顯著提高了競爭的公平性,從而使小企業有機會與地位穩固的市場領導者展開競爭。利用仿真技術,只需少數幾名工程師就能夠快速、低成本實現眾多產品理念的虛擬原型設計和改進。他們跨越傳統工程學科邊界、轉而利用多域和多物理場分析的能力,與企業的創新精神完美契合。
IOT工程:五大關鍵挑戰
雖然每款智能產品都有自身的設計挑戰,但物聯網呈指數級增長,這意味著正在出現一些共同的設計要求。例如,新一代智能產品通常必須比前一代產品尺寸更小、重量更輕而且更節能。IoT的興起帶來五大工程挑戰。IoT的巨大商機正在為眾多現有市場巨頭引來新的競爭對手。Aberdeen Group的資料表明,IoT經濟中的贏家和輸家取決于其成功解決這五大設計挑戰的能力。
尺寸、重量、功耗以及冷卻(SWAP-C)
無論是設計飛機、汽車還是智能手機,工程師一般都需要對IoT產品進行尺寸、重量、功率和冷卻優化——這一系列要求通常稱為“SWAP-C”。由于消費者需要更強大的功能(包括無處不在的連接性、感應等),工程師不得不增加更多的電子組件。高密度電子產品在尺寸、重量、能耗和熱積聚等方面為產品研發帶來了新的挑戰。傳統產品往往每隔一段時期都必須進行全面的重新構思和重新設計。例如,隨著現代助聽器轉變為具有更強大功能、可以通過智能手機聯網的設備之后,其設計內容擴展到包含柔性印刷電路板(PCB)、電池、接收器與天線,而且很多時候還包含拾音線圈。其中柔性PCB又包括60多個不同的組件和集成電路。工程師必須在優化性能的同時在有限空間內集成所有這些組件。這就要求依靠仿真技術快速、低成本做出設計權衡。
感應與連接性
當今的產品之所以稱之為“智能”是因為它們能夠感應所處環境、能夠與其他電子產品通信,能夠實現更快速、更明智的決策與成果。例如,現代汽車配備眾多感應和通信技術,以提高駕駛員的安全性、聯網能力和決策明智性。這是一個龐大而又不斷增長的市場;事實上,到2020年,市場收入有望從目前的84億美元增長到300億美元。當今汽車中智能功能多到讓人瞠目結舌。例如,自適應巡航定速技術結合保險杠中嵌入的雷達傳感器使車輛能夠相互保持安全距離。盲點監視器和車道偏離告警系統可以幫助駕駛員防止碰撞。現代車輛甚至能夠監控并報告交通狀況,利用全球定位系統(GPS)功能通知其他駕駛員并建議選擇其它路線。與前幾代汽車設計工程師不同,當今的汽車設計工程師需要考慮電磁干擾、信號完整性、不間斷連接性以及可能影響電子產品性能的其他復雜問題。仿真技術允許從產品研發最早階段最大化可靠性并確保魯棒性設計。
可靠性與安全性
隨著智能產品激增以及我們日益依賴它們進行關鍵決策,安全性和可靠性成為更加重要的產品設計考慮因素。雖然IoT在催生龐大收入,但是這些收入還不足以覆蓋維護、維修、保修費用或市場增長不足產生的成本。另外,汽車、航空航天和醫療等行業的眾多產品是在安全攸關的環境中運行。由于事關生死,這些產品必須達到最高的可靠性與安全性標準。IoT中一個經常被忽視、但非常關鍵的方面是嵌入式控制與顯示軟件,其對于集成型機電系統(負責引導聯網車輛和飛機)的運行必不可少。工程師需要對支持這些系統的數千萬行安全關鍵型軟件代碼進行驗證,這一點非常重要。仿真和建模功能可以快速、自動生成涉及人類安全時所需要的完美代碼。
集成
隨著智能聯網產品的復雜性與日俱增,工程師已將設計過程劃分為更小的階段,使其更便于控制。雖然組件級自下而上的設計方法可以非常全面地驗證零部件,但是實際將組件組裝成系統時會出現嚴重的后期設計問題。當設計師倉促趕在產品發布期限內完成設計,研發后期才發現系統級缺陷,這會導致過度設計、成本超支和設計權衡失當。例如,為無線運動手環設計的天線在作為單獨組件進行分析時可能運行良好。但是,一旦安裝到實際手環上,當受到手環彎曲、存在生物傳感器天線或者固定手環用的金屬扣等實際因素的不利影響,天線就可能無法像預期的那樣運行。仿真能夠在無風險的低成本虛擬環境中幫助預測系統級性能問題。
耐用性
雖然微小到經常無法看見,但是無數傳感器和微處理器構成了IoT的骨干。這些不辭辛苦的電子元器件負責全天候收集和共享有用信息。它們不僅需要在最佳條件下可靠運行,而且還必須能夠經受變幻莫測的惡劣環境。例如石油天然氣產業鉆頭末端、噴氣發動機高溫區域或者受到敵對電磁環境干擾的軍用無人車輛中的傳感系統。一個典型的例子是,Facebook “Aquila” 項目研發的最新太陽能無人機將利用激光為發展中地區的偏遠區域提供互聯網接入——其一次飛行長達三個月。采用物理測試實際上不可能研究此類極端運行情況,因此仿真技術對于推出可靠型創新產品至關重要。雖然并非所有產品都需要忍受極端條件,但是每個產品都必須接受耐用性驗證。摔過智能手機的人都理解日常使用的嚴格要求。
綜合仿真平臺的重要性
正如物聯網已經改變了我們的日常生活,智能設備也革新了基本產品研發流程。由于這些產品具有多功能性,因此其設計需要來自多個學科的工程師輸入信息。由于跨學科團隊組建后會打破傳統工程職能之間的障礙,因此工程師現在需要能夠跨多個部門和學科運行的通用工具。
ANSYS一直是提供廣泛而全面的多功能工程仿真工具的先驅,這些工具能夠在通用的工作環境中或仿真平臺上將一系列獨立的功能應用連接在一起。目前ANSYS既能提供業界領先的獨立應用仿真功能,又可提供交付集成式IoT產品研發解決方案所需的綜合平臺。
除了促進不同學科之間的合作與協作之外,共享仿真平臺還能夠帶來諸多顯而易見的優勢。研究表明,那些把仿真驅動產品研發功能整合到單個平臺的產品研發團隊,可以使完成新產品推出目標的概率提升33%。另外,與分散獨立研發的團隊相比,他們可以將產品研發時間縮短7倍,成本降低2.5倍。這些關鍵指標決定了在當今快速發展、疾風驟雨、競爭激烈的商業環境中的成敗。