联想品质幕后设计细节中凸显仿真分析价值联想品质幕后设计细节中凸显仿真分析价值 PC 台式机对于现代的大众消费者而言，是一件平常的 IT 消费品，其硬件技术模块化格局清晰，很多人都可以轻松地 DIY 一台自己定制的台式电脑， 这种所谓成熟的产品上， 还有哪里需值得用到 CAE 仿真技术？很多人会对此不以为然，甚至连联想全球台式机产品研发中心的 CAE 负责人江国栋在加入联想研发团队之前也是这样认识的。然而，后来他的观念有了全面的改变。 有限元分析服务，找有限元分析服务，找 CAE 服务联盟服务联盟 江国栋江国栋 大连理工大学材料学院数值模拟计算中心硕士, 从事IT业界CAE结构仿真6年有余。 现任联想全球台式研发仿真团队负责人。 PC 台式机对于现代的大众消费者而言，是一件平常的 IT消费品，其硬件技术模块化格局清晰，很多人都可以轻松地 DIY一台自己定制的台式电脑， 这种所谓成熟的产品上， 还有哪里需值得用到CAE 仿真技术？很多人会对此不以为然，甚至连联想全球台式机产品研发中心的 CAE 负责人江国栋在加入联想研发团队之前也是这样认识的。然而，后来他的观念有了全面的改变。 王宝昆王宝昆 北京航空航天大学机械工程及自动化学院硕士，联想全球台式研发CAE仿真工程师，参与多款机型研发，经验丰富。 江国栋在联想集团的工作岗位在联想全球台式机产品研发中心。 他的主要负责方向是在联想集团整个台式机设计研发过程当中，针对结构方面的仿真：包括冲击、振动、噪音，和其它一些基本参数要求的仿真校核，比如 CPU 上面的焊点可靠性，另外。江国栋和其他 CAE 工程师也在实验测试环节做些辅助工作。 江国栋介绍说：“我们联想在品质上做了非常多的工作，但是，如果你不够仔细，不见得一眼看得出来。举个例子来讲， 我们要求自己设计的电脑工作噪声小于 26dB，形象地描述，这就相当于用户听到的声音是在图书馆的时翻书的声音，为了达到这个设计目标，我们其实在结构上做了很多的设计，而且在设计中有很多方案，至于我们进而在这些方案中如何进行选择，都要以 CAE 的分析为依据。” 联想台式机 CAE 结构分析实例 联想向用户保证其品牌的电脑在 50 个重力加速度的情况下，摔在在地上不会坏。这在现实生活中是非常难能可贵有的品质。现实生活中，工程师在广州用电脑做设计，需要临时到北京继续完成设计工作，他需要把台式机托运抵京，而联想承诺在这样一个过程中计算机不会有任何功能性的损坏。这正是江国栋团队的成就，因为 50 个重力加速度的跌落无损试验已是极限应用环境了，经过这样设计的机型，通常可以承受各种条件的跌落冲击而不造成损坏。“你在 DIY 市场上看到的机箱钣金件采用 0.4mm 的厚度。夸张些说，这种厚度我用嘴吹都能变型，我们用 0.6 到 0.8mm 的钣金厚度，而确定如何有效而不过度的实现设计要求，这就需要我们用 Abaqus 软件做很多的仿真分析了。”江国栋笑着说。 据江国栋介绍，能体现联想电脑品质的设计细节还比如，机箱上有一个显示器与显卡相连接的插槽，很多人从来都没有注意到，但我们会研究用户在热插拔连接器接头时的用力会有多大。如果用力过猛，或用力角度过偏，是否会对机箱内部工作稳定性造成伤害？如果在用户插拔接头的过程中，板块本身会存在不稳定的问题，我们将考试是否应该在机箱上增加些辅助的设计。 对于自己的专业业务，江国栋显得很有心得，他说：“我们要做很多很复杂的分析，从分析流程上讲，我可能需要先做一个静力学分析，还可能有一些过盈配合、一些装配的条件要考虑进去。接下来我们要做针对产品的动力学分析。我要把静力学分析的结果引入到动力学分析的环境中去。在 Abaqus（一款全球知名的 CAE 非线性有限元仿真分析软件）的分析平台上，使用 Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit 两个主求解器，结合两者的隐式和显式求解技术，让我把这个从静力学到动力学的分析顺利得的管控起来，让更多实际问题获得求解，而这并不是所有专业分析软件都能做得到的。另外，如果 CAE 工程师在约束条件设定上有经验的话，他可以做到一些非常高效率的事情，让仿真工作变得更加方便。” 据江国栋介绍，他个人非常喜欢 Abaqus 的材料回归测试，比如橡胶材料之类的模型，这是因为联想集团有大量的测试数据，用在 Abaqus 软件上就能保证仿真分析的准确性。CAE 领域有这句话叫“垃圾进垃圾出”，意思是指工程师想要做出正确的仿真，从而沿着正确的方向优化设计。就得有正确的数据源为依托。联想在在实验上已经做过大量的投入，就是希望从实验上可以拿到各种可靠的实际数据，这样 CAE 就能做到有据可依，在设计上才能得到更准确更理想的优化方案。 除了业务心得，江国栋看重的还有研发团队内部的“信任”，他认为这并非一个简单的态度问题，而是能体现出 CAE 技术对于整体研发团队贡献的多寡和关键性程度的问题。他说：“你如果想要让你的研发同事信任你，换句话说，你需要如何帮助你的设计工程师，并不是简单一个分析就完事的了，好的 CAE 工程师能够让和他合作的设计工程师感受到 CAE 的重要价值，你提供的仿真分析必须准确，而且有说服力。如果发生一次 CAE 工程师的主动性分析错误，和他合作的设计工程师就不会第二次再信任他的，所以我们做事不敢说百分之百的准确，但是提出来的意见或建议应该是百分之百有把握的。这样的话，设计团队内部才可以形成一种惯性的信任，这样的话信任逐渐形成之后，研发团队负责的项目研发周期将大幅缩短，产品设计也将日趋体现出来高品质。现在的联想研发团队，我们 CAE 工程师在任何一个设计从早期工业设计就会参与进去，到产品定型、详细设计一直到整个测试阶段，所有的研发阶段性工作当中都有我们 CAE 工程师的身影。” 对于产品上市的具体型号，江国栋作为研发人员倒不见得非常了解，因为在研发期间，联想有自己完整的产品线内部型号序列，有对结构仿真而言，这些开发的产品之间并没有高低贵贱之分。“无论最终产品的市场定位低端还是高端，从工作执行力度上，我们都要保证在仿真分析的工作结果是一流的。” 江国栋说。江国栋说：“联想的产品仿真分析技术的运用已经达到了产品系统级了，也就是说我们已经在做装配后状态的整机仿真了。因为对我而言，我并不能只做对空机箱的力学分析，实际上在整个分析过程中，需要我把所有的台式机部件都加进去，包括电源、内存、硬盘、光驱、显卡、CPU 等等。我们在整个分析过程中，这是一个真正完整整机的虚拟化仿真分 析。于此同时，我们也做在产品系统环境中子系统的测试仿真，比如主板导向的仿真,我今年会有针对产品包装进行仿真分析。” 就江国栋所言判断，联想产品研发中的 CAE技术应用已处于非常先进的阶段了。举例说明一下，江国栋记得曾经就遇到过一个非常棘手的案子，那台电脑现在市面上叫 ideacentre 锋行 8200，整机标配当时一款全球首发的公版*双 CPU 的显卡，重达创纪录的 1.6 公斤，而且尺寸严重超长。江国栋回忆那一款显卡在刚公布的时候大概要八九钱千元，非常贵，而且它在当时公版显卡里要算尺寸最大的了。“对这个显卡的跌落分析最大挑战就是显卡太重，” 江国栋描述当时的情况说，“如果不给它做任何的固定，一旦电脑以 10 倍的重力加速度跌落，1.25kg 的物体对机箱内部的冲击力可想而知：它首先会把插头刮断，显卡跌出插槽，主板也有可能被刮伤，另外机箱钣金件会因受冲击而突起变形。针对如此情况，我们需要怎样的设计呢？工程师会说要如此这般的改进，但是改进做完后，谁又会知道改进是否真的有效?做完一版之后我们告诉设计工程师说这样不行， 那怎么才行呢？所以说做仿真分析而不是说你把状况再现出来，指出设计将失效而已，我认为用虚拟技术呈现设计测试的结果只是做到了仿真工程师的第一步，这只能说是 CAE 中最初级的东西，你再现出来实际结果是失败。但是对于我们的研发项目中的设计工程师而言，他关心的是那怎么办，应该如何修改设计才好！这点是最关键的。”因此江国栋每此出仿真报告，都在结果后注明潜在原因和值得调整的设计参考意见。在设计改进的过程中，也许还会出现新的问题影响原本的设计，联想的 CAE 工程师将重复这种仿真验证，并提出改进设计参考意见的步骤。最终，联想集团在此显卡正式发布之前，圆满完成了配套新整机的市场发布，有趣的是江国栋后来了解到， 此后有其他整机厂的对此显卡的装配设计验证不过关， 确实发生了此种显卡因跌落造成损毁的实际案例，和他之前在 Abaqus 上模拟的情况完全一致。 江国栋谈到的这款产品就是联想 ideacentre 锋行系列的最高端产品，当时这个项目要求上市要快，同时必须保证产品质量。而这款台式机的设计难点之一就是重。由于是顶级配置，当时最重的 1000G 硬盘有两个，单件重 180 克。另配 500G 的 SATA 硬盘，还有 SCSI 磁盘阵列；电源用其 750w 的服务器电源，这是从来没有过的；8G 内存。当时最高端的四核 CPU 加上散热片大概重达 500 多克，显卡重达 1.25 公斤，因为正常而言，这种配置的机箱类型应归于服务器类，而设计要求可以在家用机的机箱平台上达到设计指标，是否能行？没人敢说。有人建议说可以先从设计仿真入手，江国栋和他的 CAE 结构仿真同事王宝昆大概用了 10 天到 15 天时间，做了五六轮的仿真分析，基于 Abaqus 软件工具高效率地完成了工作，CAE在这个研发项目中的价值在于：省去了一次手板制作环节，完全跳过了两周左右的研发周期重以初步设计为内容的第一阶段。而在研发过程中所有的“大问题”都是通过仿真分析而解决的。“最终，我们因此荣获了总经理奖（联想集团的内部奖项最高奖）。” 江国栋补充说。 江国栋并没有主观地放大自己在 CAE 领域的骄人成绩，相反的，他能非常冷静客观的站在产品开发项目整体上的高度看待自己的价值。他说：“作为产品开发项目中的 CAE 方向负责人，我在研发中和其他设计工程师的联系是站在研发这个大环境中的。可能我们不能仅仅以开发机箱的观点去看待问题，因为我们之间一定有这样或那样的横向联系。比如机箱后面的插槽、接口设计就很有讲究，在整个设计过程里面如果没有仿真分析的话，那我们就会在设计上埋下问题的种子。如果在设计中未曾考虑周详，现实生活中整机因跌落或撞击而重重地落在地上，机箱后插口和主板对应接口会错位。如果错位达到 2 毫米以上，线位会被卡住，那样就会出现接头插不上去的尴尬局面了。虽然是很小的事件，但是在仿真过程中，我们会给负责主板研发的团队，负责结构研发的团队，主板肯定有主板的摆法，结构有结构的摆法，大家就会根据仿真的结果通盘考虑了。这就是我们结构仿真的价值！” “对于散热问题的仿真分析，我们有另外的团队负责。据我了解，他们做得也非常好。” 江国栋如是说。*所谓“公版显卡”指的是由芯片制造商为后续生产厂商提供的一套“参考设计方案”。 它规定了 PCB 的布局、供电设计、电容选用等等。采用公版设计的显卡在质量和稳定性上都可以很好的满足用户的需要。不过有一些设计能力较强的 大厂会对产品进行重新设计，生产“非公版”显卡。