您做得轻量化是不是太多了?

在机械设计中,“轻量化”永远是一个热门话题。简而言之,它意味着使用各种 CAD/CAE 工具,例如有限元设计 (FEA),对设计进行建模和仿真,然后有选择地去除或薄化材料,重新运行仿真,并了解设计是否仍然可行。目标是最大程度地减少材料使用,从而减小尺寸和重量,同时简化生产过程(希望如此)并减少原材料成本。

更通俗地说,我们基本上都会尽可能地削减材料,直至达到仍可接受的程度。在原则上,这是可取的做法;毕竟在几乎所有项目上,减轻重量和降低成本都是头等大事。

在我们拥有这些功能强大的仿真和建模工具之前的“艰难岁月”中,设计人员会留出甚至增加一点额外量,作为安全裕量“以防万一”。他们结合利用分析、判断和经验,决定哪些情况下可能需要额外量。但现在,我们面临着压力,必须最大程度地减少这种裕量,因为只要经过工具确认,设计就是可行的。

但这是否能够确保设计正确呢?每个工程师都知道,任何仿真都依赖于模型,而每个模型必定会做出一些假设和简化。FEA 专家和讲师 Tony Abbey 近期在《数字工程》上发表的文章“FEA Demos and Benchmarks(FEA 演示和基准)”非常明确地指出了这一点。

他提供了具体的实例,在很多 FEA 配置中广泛使用的一些标准方案“忽略了一些小因素”,意图是简化构造和分析 – 但这种做法会对分析的有效性产生重大影响。

当然,并非只有机械设计容易存在此类弱点:电子设计也有相同的问题,只是没有出现故障的接点、托架或构件那样明显而已。即使模型原封不动地包括了所有部件,你如何为它们赋值?这些值是否随着时间和温度变化而改变?由于正常的材料和制造变化,它们相对于标称值会发生偏离吗?即便通过正确设计的蒙特卡罗仿真,也几乎不可能在运行仿真时涵盖所有可能的变化。

图 1:电阻器出现不可避免的耗散,将会导致温度升高,进而导致实际电阻相对于标称值发生偏移;本图显示了随着电阻器耗散接近额定功率水平,温度出现快速升高。(图片来源:TT Electronics

模型有效性不仅是射频电路中存在的问题;在直流电路中也同样存在。我们以随处可见的电流检测电阻器为例,其电阻值通常在毫欧姆的范围内。从原理上来说,可以通过使用一条短铜线来作为电阻器。虽然这种方法是可行的,但对于非常长的铜线,由于存在自热和铜电阻的反应变化,这种方法并不适用。基体铜的电阻温度系数 (TCR) 约为 4000 ppm/°C,因而在温度升高 50°C 的情况下,1 毫欧 (mΩ) 电阻很快会变成 1.2 mΩ – 发生了 20% 的变化(图 1)。

如果设计的验证只关注了电子性能,而没有考虑到发热效应,充其量只是最低限度的验证。我们可以使用 Comsol 等多物理特性工具,对电子、磁性、发热和机械分析进行关联和交叉建模,但仍然需要对这些关联的深入了解。

正因为如此,Vishay Dale 等专用元件供应商提供了基于复杂材料和工艺的特殊低 TCR 电阻器。例如,他们的 WSBS8518 系列功率合金电阻的 TCR 值在 ±110 至 ±200 ppm/°C 之间(取决于标称电阻值),而他们的 WSLP 系列甚至更加出色,TCR 值低至 ±75 ppm/°C。此外,还有其他供应商提供了高度专业化的电阻器,TCR 值达到个位数,这适用于高端计量应用。

设计人员的小心谨慎通常是好事。除非你真正确信你的建模万无一失,否则请在设计中增加一点额外裕量。假定耗散计算表明需要 0.22 瓦特的电阻器,也许应该使用 0.5 瓦特电阻器,而不是刚好足够的 0.25 瓦特电阻器。在早期的建模中,设计人员深知存在很多不确定性,因此他们出于性能和安全原因,通常会增加很多裕量,而不是追求极度轻量化。

而现在,功能强大的工具和模型会很容易导致设计人员过于自信,他们的想法和行为好像他们对模型有足够的把握。事实上,要评估对模型和仿真的信心水平,然后将其反映到设计和 BOM 中,这可能是非常明智的做法。

关于此作者

Image of Bill Schweber

Bill Schweber 是一名电子工程师,撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品特性说明。他担任过 EE Times 的多个特定主题网站的技术管理员,以及 EDN 的执行编辑和模拟技术编辑。

在 Analog Devices, Inc.(模拟和混合信号 IC 的领先供应商)工作期间,Bill 从事营销传播(公共关系),对技术公关职能的两个方面均很熟悉,即向媒体展示公司产品、业务事例并发布消息,同时接收此类信息。

担任 Analog 营销传播职位之前,Bill 在该公司颇受推崇的技术期刊担任副主编,并且还在公司的产品营销和应用工程部门工作过。在此之前,Bill 曾在 Instron Corp. 工作,从事材料测试机器控制的实际模拟和电源电路设计及系统集成。

他拥有电气工程硕士学位(马萨诸塞州立大学)和电气工程学士学位(哥伦比亚大学),是注册专业工程师,并持有高级业余无线电许可证。Bill 还规划、撰写并讲授了关于各种工程主题的在线课程,包括 MOSFET 基础知识、ADC 选择和驱动 LED。

More posts by Bill Schweber