从单一领域到系统级仿真与优化：Altair 在消费电子产品设计中的应用

“通过使用 Altair HyperMesh 和 SimLab，公司在仿真效率上取得了显著提升，能够在 15 分钟内完成 60 多个部件的网格划分。不仅节省了时间，还提高了仿真的准确性，Altair 产品的高效性帮助我们有了更多精力拓展更多仿真能力。

—— 大北欧通讯设备（中国）有限公司研发部

系统集成经理  林丽

在 2024 年 Altair 技术大会的精彩演讲”

本次分享主要从以下几个方面展开详细讲解：

一、Jabra 品牌介绍；

二、我们为什么选择 HyperWorks；

三、如何提高仿真效率；

四、仿真能力的更多扩展；

五、仿真驱动产品创新。

以下为具体演讲内容：

本次主要结合 Altair 的产品，分享 Altair 软件在消费电子产品设计中的应用，首先介绍一下 Jabra。

01、Jabra 品牌介绍

Jabra 隶属于丹麦大北集团，该集团成立于 150 多年前，最初从事电报业务。如今，大北集团旗下有三大业务板块：Medical grade 医疗级产品、Professional collaboration 专业协作产品（如话务耳机、摄像头等音视频一体化产品，是 Jabra 产品最多的系列）以及游戏耳机品牌（由几年前收购 Steelseries（赛瑞）而来）。Jabra 品牌横跨多个领域，提供包括助听器、Belton 在内的多种产品。

那么，我们为什么需要用到仿真呢？如今各行各业都非常卷，消费产品迭代更新非常快，消费电子行业存在很大的挑战，为了应对这些挑战，我们需要做到：给客户提供有创意的设计、加速迭代周期（提高效率）、提升用户体验（客户佩戴耳机的舒适度）、增强可持续性（绿色环保）、降低成本等。

在早期概念设计的时候，可以通过仿真快速进行方案的评估和筛选。仿真技术也让我们更绿色环保，减少用到的物理样机以及做实验的设备。

目前我们主要的几大类产品，包括头戴式耳机、音视频一体机、无线蓝牙耳机等，都有非常多仿真应用，比如头戴式耳机的舒适度评估、各个部件的强度分析、整机跌落等。

02、我们为什么选择 HyperWorks

那么，我们为什么会用到 HyperWorks 呢？主要有两个点：

1、 效率很高，前后处理器非常高效；

2、 有一体化的多物理场求解器。

HyperWorks 让仿真团队能够更高效地工作，在提升效率的同时，工程师们可以有更多时间拓展其他仿真能力，其一体化多求解器也涵盖了多个方向。

接下来看一下具体的例子，如下图所示，是我们公司整个仿真能力的发展过程。

2014 年公司有了第一个仿真工程师，刚开始只做简单的强度校核，2015 年将仿真与项目结合，应用到头戴耳机舒适度的评估，2016 年开始建立自己的材料数据库，2017 年仿真技术变成了产品设计开发流程中必不可少的一环。

2018 年公司开始进行跌落测试仿真，开始使用 Altair HyperMesh 和 SimLab，极大程度提升了网格划分的效率。2021 年开始研发高清摄像的产品，需要拓展散热仿真，Altair 产品的高效性帮助我们有了更多精力拓展更多仿真能力。随后，我们又拓展了光学仿真和拓扑优化。

未来我们跟大家的发展方向是一致的，一方面强调 Virtual Build，想把一些已经常态化的仿真，尤其是结构仿真通过二次开发的形式变成标准的虚拟测试；另一方面是大家一直在说的 Simulation Driven Design，如何让重要的仿真工程师能够真正发挥主导设计的作用，这些年我们在这个方向已经取得了不错的成就。

03、如何提高仿真效率

接下来通过一些更具体的数据让大家看一下我们这两年仿真效率提升的成绩。

首先主要针对跌落仿真。在产品设计中应用跌落仿真，可以在早期还没有物理样机的时候就发现可能的失效以及快速进行方案对比，帮我们减少了开模和改模成本，并且发现在实验中没能被发现的一些问题。

如图，是定位柱跌落之前和跌落之后的对比，我们会发现跌落之后柱子有断裂，但是从结果看不出来为什么会断裂。可以通过仿真做一个剖面，会发现断裂是撞击地面的一瞬间 PCB 板剪切的作用导致的。

所以跌落仿真在我们现在的产品开发中是必不可少的环节，但是画网格特别累，会浪费很多时间和精力。自从使用了 SimLab 之后，加上一些脚本，就可以自己定义网格模板。以前 60 多个部件的模型需要花很多精力画网格，现在用脚本只需要跑 15 分钟即可，最后得出的结果能够帮助我们改善设计。

接下来再看一些具体的数据，我们从 2018 年开始使用 Altair 的产品，解决了画网格太痛苦的难题。

如下图，Tiffany 蓝部分表示前后处理的时间，爱马仕橙代表计算的时间，天空蓝代表后处理的时间。2018 年后处理的时间（天蓝色部分）不算多，因为都算完了，最后主要是整理结果，花时间比较多的是计算以及前处理，基本各占一半。

导入了 SimLab 之后，2023 年我们实现了很大程度的时间压缩，主要是前处理（Tiffany 蓝部分）节约了非常多时间。但是求解的时间变化不大，主要取决于硬件和软件 license。现在我们开始用 Open Radioss，并且不断升级电脑配置，预计明年可以将计算时间（爱马仕橙部分）缩减到很小。

04、仿真能力的更多扩展

前期利用 Altair 软件节省下来的时间，让我们的仿真工程师有更多精力拓展更多仿真能力：

散热仿真

首先做了散热仿真。我们用 Altair AcuSolve 做散热仿真，做出来后发现跟实验对标非常好。如图，上方是用热成像仪拍摄的云图，主要找了几个侧点，下方是用 AcuSolve 在 SimLab 里做的仿真结果，可以看到计算数据对比是非常好的。

Altair 帮我们拓展了散热仿真能力，我们也将散热仿真应用在了很多方面，比如 video 的产品研发上，当时使用的芯片功率无法下降，只能在散热片方面不断进行优化，确保产品表面的温度不会太烫。

声学仿真

另外，我们也需要声学仿真。我们用 Altair SimLab 和 OptiStruct 做了一些跟声学相关的震动仿真，归根结底还是结构的问题。

但是通过震动仿真可以反映出一些声学现象，比如我们做了两个不同的悬挂结构，利用两种方案的仿真结果和测试结果对比，可以看出实验对标非常准确，而且可以通过仿真看到实验没办法观测到的一些现象，直观展示共振位置发生怎样的变形，给了声学工程师非常大的帮助。

光学仿真

我们还扩展到了大家很难想到的光学仿真。我们用 Altair APA 里的一些其他应用做了导光柱的设计，发现光能量基本都从一个方向出来了，从不同的角度可以看到光线的亮度是不一样的，跟仿真结果是吻合的。通过半小时到一小时的快速仿真就可以了解如何优化导光度设计，非常划算。

多次跌落仿真

最后，我们还做了多次跌落仿真，我们主要用 Open Radioss 进行计算。实际实验中多次跌落的标准测试应该都是 12 次，每个方向每个面两次。如图，从多次跌落的仿真结果可以看到第一次残余应力和第六次残余应力的对比，做了 6 次跌落之后残余应力明显有增加。实际高速跌落的结果和仿真结果对照也是非常好的。

05、仿真驱动产品创新

很多人关注利用仿真驱动产品创新的方向，我们也一直在推动创新。目前我们用 Altair Inspire 做了一些简单的参数优化，比如做一个按键，如何在同样的位移及反重力作用下，尽可能让应力应力集中变小一些。如下图，是原始设计和用 Inspire 计算的设计对比，Inspire 可以快速给我们最佳设计方案。

另外，在做散热器相关的设计方面，我们也用了很多 Altair 软件，用 Inspire 做参数化建模，在 SimLab 面做 AcuSolve 的求解设置，然后录成脚本输入 HyperStudy，在 HyperStudy 里定义响应以及每个参数的边界。最终仿真优化出来的结果虽然温度只下降了 0.7 度，但是重量下降了 18%，可以节省不少成本。

最后是常规拓扑优化的创新，工程师提出优化的目标，我们就可以利用仿真做相应的优化设计，给工程师提供参考，工程师再结合实际注塑方式设计。

如图，是与 Altair 合作进行的头戴式耳机拓扑优化创新设计，由于 3D 打印费用昂贵，目前还没有实际应用，但是这是我们会持续关注的创新方向。

仿真技术在消费电子产品设计中的应用，不仅提高了设计效率，还有助于实现创新和可持续性发展。利用 HyperWorks 等仿真软件，Jabra 能够在激烈的市场竞争中保持领先地位。

Altair 是计算智能领域的全球领导者之一，在仿真、高性能计算 (HPC) 和人工智能等领域提供软件和云解决方案。Altair 能使跨越广泛行业的企业们在连接的世界中更高效地竞争，并创造更可持续的未来。Altair 服务于 16000 多家全球企业，应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。

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