※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。
SIMULIA ハイテク業界の専門家数名に、最新の電子設計における課題と、マルチフィジックスアプローチを使用したモデリングとシミュレーション (MODSIM) を活用することで、大手メーカーがどのように課題を克服することができるのかについて話を聞きました。
ワイヤレス充電器は、まさにその期待どおりの機能を備えています。電源ケーブルを使用せずに、互換性のある電子デバイスのバッテリーを充電します。ハンドセットを充電器に持っていき、そこに置いておくだけです。
小型化することで生まれる苦悩 – ハイテク産業が直面する課題
ハイテク産業は複雑さの上に成り立っています。小型軽量化されたデバイスには、これまで以上のパフォーマンスと機能が詰め込まれています。 SIMULIA ハイテク インダストリー プロセス ディレクターの Jonathan Oakleyは、「複雑さが増すほど失敗のリスクが高くなります」と述べています。 「最初にプロトタイプを動作させることが非常に重要です。問題の原因を特定すること、さらには問題を解決することさえ難しい可能性があるため、これまで以上に重要になっています。」
SIMULIA のグローバル ハイテク インタストリー プロセス エキスパートであるBryan Hurlbutは、スマートウォッチから仮想現実 (VR) や拡張現実 (AR) ヘッドセットに至るウェアラブル製品は、サイズと重量を最小限に抑えるための革新的なソリューションを見つけるようメーカーに特にプレッシャーを与えていると指摘します。スキー用のスマートウォッチを例に挙げ、彼は次のように述べています。「このデバイスは私が山にいるということを認識しており、私の運動量を教えてくれます。また、リフトと通信して私が何回リフトに乗ったのか、その日の滑走の記録を教えてくれます。」5G、Bluetooth、GPS などのさまざまなアンテナはすべて、ユーザーがいる環境と相互作用してデータを提供しますが、それらすべてを１つに詰め込み、すべてを確実に通信させることが多くの課題を引き起こしているのです。」
特にHurlbutは、「バッテリーは単一のスペースを最も多く消費するものの 1 つとなっているため、物理的なサイズとパフォーマンスの観点からの最適化が必要とされます。」と述べています。 （詳細については、“Innovating better batteries for electronic devices”をご参照ください）
単一デバイス内に非常に多くのコンポーネントがあるため、異なる KPI 間の最適なトレードオフを見つけるのが困難な場合があります。 1 つのサブシステムのパフォーマンスを向上させる変更は、別のサブシステムに悪影響を与える可能性があり、異なるコンポーネントやサブシステム間の相互作用を定量化するのは難しい場合があります。それにもかかわらず、競争力を維持し、製品をより早く市場に投入するために、最適な設計のために迅速な改善という大きなプレッシャーがかかります。
グローバル ハイテク インダストリー プロセスの専門家 David Johnsは、「現代の超高速データ レートに対応できるコンポーネントを設計するという技術的な課題もあります。」と付け加えます。
さらに、複雑なデバイスは複雑なグローバル サプライチェーンを必要としています。地政学的な緊張やその他の予期せぬ出来事により、エネルギー、輸送、材料のコストが上昇しており、各メーカーは可能な限りコストを低く抑える必要に迫られています。
マルチフィジックスシミュレーションとは何ですか？
業界内では、シミュレーションは設計に情報を提供し、パフォーマンスを最適化し、問題を特定して解決する方法として既に確立されています。エンジニアは、デバイスのVirtual Twinをシミュレーションに活用することでプロトタイプの作成やテストにかかるコストをかけることなく、設計のパフォーマンスを分析できます。
物理学のさまざまな側面をカバーするためのさまざまな種類のシミュレーションがあります。これらには次のようなものがあります：
- 構造シミュレーション: 応力、ひずみ、変形、破壊などの構造解析。使用例: デバイスが落下の衝撃に耐えられるようにする。
- 電磁界シミュレーション: デバイス内の電流分布およびデバイス周囲の電磁界分布。使用例: アンテナの配置を最適化し、干渉を軽減する。
- 流体シミュレーション: 熱伝達を含む空気や水などの流体の挙動を解析。使用例: 空冷システムの設計をする。
- 振動音響シミュレーション: 構造物の振動挙動と音の伝播を解析。使用例: ブザーノイズを発生するコンポーネントの共振を特定する。
多くのシナリオは物理学の異なる分野を組み合わせ作られます。SIMULIA グローバル ハイテク インダストリー シニア スペシャリストの Jingsong Wang は、振動コンデンサを別の例として挙げています。「コンデンサは PCB の共振周波数で振動します。静かですがノイズ音が聞こえますが、共鳴する周波数を数ヘルツ動かすと音は止まります。したがって、共振周波数はノイズ音を止めるために非常に重要な要素です。これをモデル化するには、コンデンサの電磁的および圧電的動作、PCBの共振モード、および放射音をシミレーションする必要があります。」
専門分野間に直接の関連性がない場合でも、多くの場合、いくつかの異なるタイプの分析結果のバランスをとるためにトレードオフが発生することがあります。 Johnsは、USB コネクタを良い例として挙げました。「重要な側面の 1 つは、コネクタの部品を一緒に押し込むときにピンとスプリングが接触することです。これらには、TDR、インピーダンス、S パラメーターなど、シグナルインテグリティーのための重要な電気設計の側面があります。ただし、保持スプリングの構造要素もあり、ピンの上を滑るスプリングを緩和しながら十分な保持力を提供するには、その力が適切である必要があります。
「構造的な観点から何かを変更すると、電磁気的に大きな影響を与える可能性があり、その逆も同じです。その場合、物理学は連動されませんが独立して設計に影響を与えることになり、何らかのトレードオフが生じることになります。」コネクタ設計用の SIMULIA ソリューションの詳細については、“High-speed Connector Design with Modeling and Simulation”をご参照ください。
仮想認証による規制当局承認の迅速化を図る
「あらゆる電磁波を放射するデバイスは各地域や国の規制に準拠する必要があり、販売する前に認証によってそれを証明する必要があります」とOakleyは説明します。認証を取得する従来の方法には、プロトタイプからの測定データを規制当局に提供することが含まれます。ただし、複雑なデバイスのテストは時間と費用がかかる可能性があります。一般的な 5G携帯電話で使用されるビーム フォーミング システムでは、干渉と比吸収率 (SAR) を確認するためのテストに数百または数千の異なるシナリオが発生する可能性があり、いかなる場合においても規制制限を超えることは許されません。
「現在、規制当局ではテストによる測定値を置き換えた仮想認証としてシミュレーション結果を受け入れることが増えてきています」とOakleyは話します。 「認証に関して現実的な結果を得るにはすべてのアンテナを備えたデバイス全体をシミュレーションする必要があります。」仮想認証をサポートするために使用されるシミュレーションの実例については、“Simulation for 5G Smartphone FCC Certification”をご参照ください。
MODSIMを使用し、いかなる設計段階でも結果を得る
統合的なモデリングとシミュレーション (MODSIM)組み合わせは、モデリングとシミュレーションを共通のデータ モデル上で組み合わせる概念です。 MODSIM を使用すると、設計者は設計のコンセプト段階でもシミュレーションデータにアクセスできるため、開発の初期段階から解析が可能になります。
「MODSIMを使用すると、アイデアの立案と要件から完全な仮想プロトタイプに至るまですべてを行うことができます」と Oakleyは説明します。 「そしてもちろん、物理シミュレーションは同じデータセットと同じ CAD ジオメトリで動作するため、データして結びつけられた物理現象を実行することもできます。すべての物理現象を同時に処理し、最適なトレードオフが確実に達成されるようにすることができます。」
SIMULIA 製品は、3DEXPERIENCE プラットフォーム上の MODSIM ワークフローに統合できます。これは、チーム全体にとっての「唯一の信頼できる情報源」として機能します。 その点についてJohnsは次のように説明しています。「大きな課題の 1 つは開発プロセス自体の非効率性です。企業は従来、マニュアルのプロセスを使用し、ファイルを電子メールで送信することが多く、アナリストごとに独自の用途ごとに異なるバージョンを開発することがあります。このような設計を複数回繰り返す場合には、どのバージョンのモデルに取り組んでいるかについて混乱が生じることがよくあり、すぐに手に負えなくなます。」すべてのモデルとシミュレーションデータを同じ場所に保存すると、全員が同じファイルから作業できるようになり、モデルの更新をすべてのチームに自動的に反映できます。また、モデルファイルとシミュレーション データ間の堅牢なリンクを提供するデジタルスレッドにより、トレーサビリティも確保されます。
複数の企業にまたがる複雑なサプライチェーンを持つグローバルチームであっても、MODSIM を使用することで、シームレスに連携が可能になります。データへのアクセスを制限することで機密性や企業秘密を保護したり、暗号化されたモデルを使用して機密のジオメトリを明らかにすることなく統合分析用のデータを共有することが可能です。
まとめ
変化の速いハイテク業界で競争力を維持するには、メーカーは開発コストとリスクを抑え、革新的な新製品をより迅速に市場に投入する必要があります。統合的なモデリングとシミュレーション (MODSIM) は、設計の初期段階でも情報に基づいた意思決定を行うために必要なデータを設計者やエンジニアに提供することで、開発プロセスを加速します。マルチフィジックス シミュレーションを使用すると、多くの物理分野をカバーする複雑なシステムの動作をモデル化し、エンジニアが競合する設計要件間の最適なトレードオフを見つけることに役立ちます。
MODSIM を設計フローに実装することで、メーカーは設計プロセスを合理化できます。チーム全体が最新ファイルで作業をし、設計への変更が自動的に反映されるようにすることも可能です。機密性を維持し知的財産を保護しながら、ファイルをパートナーと共有できるようにもなります。また、モデルの形状とシミュレーションデータのトレーサビリティ向上により、仮想認証が可能になり、物理的なテストの必要性が減り、法規制への対応がより迅速かつ安価に行えるようになります。
Stephen is an Advocacy Offer Marketing Specialist in Global Marketing
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3Dソフトウェア市場におけるパイオニアであり、3DとPLMソリューションのワールド・リーダーであるDassault Systèmes（仏）の日本法人です。