虚拟仿真技术在电子行业中的应用

电子行业是一个飞速发展的行业，市场容量极其巨大，现如今我国已是全球第三大电子信息产品制造国，电子信息产品已经渗透到我们生活的各个角落，包括国防军工用品、通信、医疗、计算机及周边视听产品、玩具等。随着社会的发展和技术的进步，人们对电子相关行业提出了更高的要求：精确、稳定、轻巧、保密、可靠;同时，电子行业又具有产品更新快，研发周期短的特点，为了满足不断发展的市场需求，加快产品结构的升级，在核心技术领域取得重大突破，电子行业必须采用新的研究方法和技术。虚拟仿真研究是目前电子行业所广泛采用的一种新的方法和技术。

　　MSC.Software公司作为全球最大的CAE产品供应商，不仅为电子行业提供了多方位的虚拟仿真软件，同时MSC.Software公司还一直与世界各大电子产品制造商和研发机构有着良好的合作关系。通过MSC.Software公司所提供的虚拟仿真软件如MSC.ADAMS，MSC.Marc，MSC.Fatigue，MSC.Patran，MSC.Nastran，MSC.Dytran，MSC.Easy5等，不仅可以对电子产品的性能进行全方面的研究，而且还可以实现电子行业与其他行业的多学科一体化仿真。

　　一、电子产品设计过程中经常遇到的突出矛盾和问题

　　在电子产品的设计过程中，我们经常遇到以下问题：

　　1)电子产品的机械性能：可靠性、加工性、疲劳寿命、抗冲击能力、载体振动与电子产品振动的耦合关系、适配器的设计等;

　　2)雷达与天线系统：运动规律、控制规律、风载与平衡、雷达和天线阵面形状，结构形式(实体或网状)、弹性立柱刚度、齿轮减速机构、控制系统框图、控制系统与机械系统的耦合规律等;

　　3)电子产品的热分析：散热、热应力、热平衡等;

　　4)电子芯片封装和焊点疲劳分析;

　　5)振动噪声分析

　　二、MSC.Software在电子行业中的解决方案

　　对于电子行业，在没有规范可以依循的情况下，MSC.Software公司针对各种问题提供了相应的高效的解决方案。MSC.Software强大的产品群可以分别用来处理不同领域的问题。产品群中的各软件既可独立解决相关行业的问题，也可根据问题的耦合情况，提供相对应的联合仿真分析。

　　1)MSC.Nastran在电子行业结构分析中的应用

　　MSC.Nastran是电子行业结构分析中的首选软件，它提供了功能十分强大的静力、屈曲、高级动力响应、随机振动响应、复合材料、设计灵敏度及优化、拓扑优化、显式动力学、隐式动力学等方面的分析功能。MSC.Nastran经过无数工程问题的验证，具有极高的软件可靠性，成为了多个行业的分析标准，在很多著名的电子电器行业，MSC.Nastran得到了广泛的应用。图1显示了国际某著名磁盘驱动器生产商采用MSC.Nastran进行结构分析的情况;图2是美国宇航局采用MSC.Nastran对火星探路者天线装置结构优化分析的情况。

　　

 

　　图1 MSC.Nastran磁盘驱动器结构分析

　　

 

　　图2 火星探路者天线装置结构优化分析

　　2)MSC.Marc在电子行业非线性分析、热分析、电磁分析、多场耦合分析中应用

　　作为全球的第一个非线性有限元软件，MSC.Marc提供了强大的材料非线性、几何非线性、接触非线性等的非线性分析功能，提供了热分析、流场分析、磁场分析、电场分析、声场分析等非结构场的分析功能，同时也提供了强大的多物理场耦合分析功能。利用MSC.Marc，我们可以非常方便，准确，快速地进行可靠性分析、加工工艺工程模拟、裂纹扩展，抗冲击性能计算、热-机耦合，热-电-结构耦合分析、适配器设计、压电分析和电子芯片封装等。针对是电子产品的热平衡，散热，热应力分析需求，MSC.Marc可以进行全方位的热分析，包括热传导，对流，辐射，接触传热，间隙传热等稳态和瞬态热分析。

　　

 

　　图3 微型电热制动器的电-热-结构耦合分析

　　

 

　　图4 控阵天线的流-热耦合分析

　　图3显示了MSC.Marc在微型电热制动器上的应用。图4是国内某厂采用MSC.Marc对控阵天线进行流热耦合分析的情况。

3)MSC.Dytran和LS-DYNA在电子产品的跌落、碰撞等分析中的应用

　　Msc.Software综合了MSC.Dytran的欧拉优势和Dyna的拉格朗优势，提供了高度非线性瞬态动力学分析功能，为电子产品的跌落，碰撞等分析提供完美解决方案。是电子产品跌落、碰撞分析设计必不可少的分析工具。图5所示的是国际某著名手机生产商对手机所进行的跌落分析。

　　

 

　　图5 手机跌落分析

　　4)MSC.ADAMS和MSC.Easy5在运动仿真以及运动系统、控制系统联合仿真中的应用

　　利用MSC.ADAMS进行运行学和动力学仿真，可以研究电子产品的运动特性与机械性能。图6和图7分别是ABB公司机器人的运动仿真和三菱电器开关的作动仿真。在雷达天线系统中，利用MSC.ADAMS可以仿真雷达天线系统的运动规律，利用MSC.Easy5可以进行控制系统仿真，并与MSC.ADAMS进行联合仿真。同时利用MSC.Nastran可以快速精确地计算雷达天线系统在风载和其它振动载荷作用的动力、静力响应。

　　

 

　　图7 三菱电器开关的作动仿真

　　MSC.Easy5+MSC.ADAMS+MSC.Nastran实现了完美的控制-液压-运动-结构联合仿真系统，MSC.Software是目前世界上唯一一家可以全部提供雷达天线系统全面仿真分析软件的公司。图8为某雷达天线系统的MSC.ADAMS和MSC.EASY5联合仿真过程。图9表示利用MSC.Nastran和MSC.ADAMS对某卫星天线进行联合动力仿真的过程。

　　

 

　　图8 某雷达天线系统的MSC.ADAMS和MSC.EASY5联合仿真

　　

 

　　图9 卫星通讯天线的结构和动力响应分析

5)MSC.Fatiuge在电子行业疲劳分析中的应用

　　MSC.Fatigue是MSC.Software公司与英国谢非尔德nCode国际公司(nCode International)紧密合作的基础上发展起来的高级疲劳分析软件，能够很好预测于电子产品的结构、热疲劳寿命。目前，绝大部分涉及疲劳分析的用户都采用MSC.Fatigue软件进行分析。图10为波音公司使用MSC.Fatigue软件对某电子器件进行焊接疲劳分析，图11则为某电路板的焊点疲劳寿命分析。

　　

 

　　图11 电路板焊点疲劳寿命分析

　　6)MSC.Actran在电子行业振动噪音分析中的应用

　　MSC.Actran是振动噪声分析的专用工具，是集有限元与无限元于一体的声学分析软件。可求解声音的辐射、衍射、散射、导向传播、封闭声场、吸收、隔音、传输、衰减等，声源模型不仅包括经典的声单极、双极、点或离散载荷以及强迫运动等，也包括高级物理激励模型，如紊流边界层或散射声场等。能够很好的为雷达、电机、音响、耳机等各种机械电子产品的振动噪声分析提供解决方案。图11显示了对扬声器进行声场分析的模型和结果。

　　三、MSC.Software在电子行业中解决方案的发展与前景展望

　　MSC.Software对电子行业不同领域的问题都提出了相应的解决方案，我们可以针对不同性质的问题，在产品群中选择最为适当的软件进行分析。然而，科技在进步，人们对仿真分析也提出了越来越高的要求，人们已不仅仅需要“能够”提供解决方案，而且要求能更有效、更便捷、更经济地解决问题。针对这种需求，MSC.Software力求创新，努力寻求解决方案，而且卓有成效。例如：为了满足仿真流程自动化、标准化的需求，MSC.Software推出了仿真流程的数据管理平台—MSC.SimManager，有效地克服了“仿真信息孤岛”，在集成CAX系统且内嵌行业标准和专家经验的基础上，形成支撑创新研发的知识库;为了解决复杂的、交叉学科的问题，MSC.Software推出了新一代的企业级工程分析多学科仿真系统—MD

　　NASTRAN，它集成了MSC.Software产品群中绝大部分软件的所有优势功能，使得用户使用单一的数据模型，就能完全解决工程内和跨工程学科的问题，包括分析链和多学科耦合问题，极大地减少了人为错误，极大地提高了工作效率，必将带来明显的经济效益。