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电子设备的建模、仿真与数字孪生

作译者：邵晓东,王伟

出版时间：2024-11 千字数：339 版次：01-01 页数：212

开本：16开装帧： I S B N ：9787121491214

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纸质书定价：￥79.0

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第1章  电子设备数字孪生	1
1.1  概述	1
1.2  电子设备的研制特点与数字化研制	2
1.2.1  电子设备的研制特点	2
1.2.2  电子设备的数字化研制	3
1.3  虚实融合的数字孪生系统	6
1.3.1  数字孪生体系	7
1.3.2  数字孪生的数字世界	10
1.3.3  数字孪生的物理世界	11
1.3.4  数字孪生的虚实映射	12
第2章  面向全生命周期的电子设备数字样机建模	15
2.1  概述	15
2.1.1  电子设备数字样机的内涵	15
2.1.2  电子设备数字样机的分类	16
2.1.3  电子设备数字样机的特点	17
2.1.4  面向全生命周期的数字样机	17
2.1.5  数字样机的同源建模	18
2.2  电子设备设计样机建模	20
2.2.1  几何样机建模	20
2.2.2  性能样机建模	29
2.3  电子设备工艺样机建模	45
2.3.1  概述	45
2.3.2  IC封装的工艺样机建模	46
2.3.3  微系统封装的工艺样机建模	46
2.3.4  PCB电子装联的工艺样机建模	48
2.3.5  零件加工工艺样机建模	53
2.3.6  整机装配工艺样机建模	58
2.4  电子设备制造样机建模	61
2.4.1  加工对象建模	61
2.4.2  制造资源建模	61
2.4.3  沉浸式虚拟制造环境	64
2.4.4  数字孪生产线建模	64
2.5  电子设备运维样机和培训样机建模	64
2.5.1  电子设备运行样机建模	64
2.5.2  电子设备维修样机建模	65
2.5.3  电子设备培训样机建模	66
第3章  面向全生命周期的电子设备数字化仿真	68
3.1  电子设备设计仿真	68
3.1.1  电子设备结构性能仿真	68
3.1.2  电子设备热性能仿真	88
3.1.3  电子设备电性能仿真	96
3.1.4  电子设备机电热多学科仿真	100
3.2  电子设备工艺仿真	107
3.2.1  微系统封装工艺仿真	107
3.2.2  PCB电子装联工艺仿真	110
3.2.3  零件加工工艺仿真	112
3.2.4  整机装配工艺仿真	117
3.3  电子设备制造仿真	121
3.3.1  布局仿真	121
3.3.2  节拍仿真	121
3.3.3  物流仿真	122
3.4  电子设备运维仿真	122
3.4.1  培训仿真	122
3.4.2  维修仿真	123
第4章  电子设备数字孪生系统的建模理论与方法	124
4.1  系统的微分方程	124
4.1.1  系统建模理论的发展	124
4.1.2  基于模型的系统工程	124
4.1.3  数字孪生在MBSE中的应用路径	125
4.2  复杂数字孪生体层次化建模理论	126
4.2.1  复杂数字孪生体的特征和建模过程	126
4.2.2  4C架构中复杂数字孪生体的划分	128
4.2.3  简单数字孪生体到复杂数字孪生体的组装	133
4.3  复杂数字孪生的应用方法	137
4.3.1  多源异构数据集成	137
4.3.2  数字孪生模型物理规则融合方法	140
4.3.3  基于包围盒与八叉树结构的剔除算法	141
4.4  复杂数字孪生的应用案例	145
第5章  电子设备数字孪生系统的构建	153
5.1  电子设备数字孪生体数字世界的构建	153
5.1.1  制造孪生样机的构建	153
5.1.2  产品孪生样机的构建	162
5.2  电子设备数字孪生体物理世界的构建	172
5.2.1  面向数字孪生的智能制造车间构建	172
5.2.2  面向数字孪生的智能电子设备构建	178
5.3  电子设备数字孪生的虚实融合	181
5.3.1  数据融合	181
5.3.2  行为融合	185
5.3.3  交互融合	187
第6章  电子设备数字孪生系统的应用	188
6.1  基于数字孪生的智慧设计	188
6.1.1  基于数字孪生的设计优化	188
6.1.2  基于数字孪生的工艺优化	189
6.1.3  基于数字孪生的人因分析与优化	190
6.2  基于数字孪生的智能制造	191
6.2.1  数据驱动的自适应加工	191
6.2.2  基于数字孪生的智能装配	192
6.2.3  基于数字孪生的质量管理	194
6.3  基于数字孪生的智能运维	195
6.3.1  基于数字孪生的健康监控与运行优化	195
6.3.2  基于数字孪生的故障诊断与维修	196

从书序
电子机械工程的主要任务是进行面向电性能的高精度、高性能机电装备机械结构的分析、设计与制造技术的研究。
高精度、高性能机电装备主要包括两大类：一类是以机械性能为主、电性能服务于机械性能的机械装备，如大型数控机床、加工中心等加工装备，以及兵器、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业的重大装备，主要是运用现代电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以电性能为主、机械性能服务于电性能的电子装备，如雷达、计算机、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。
从广义上讲，这两类装备都属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。机电一体化（Mechatronics）的概念，最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词组合而成，体现了机械与电技术不断融合的内涵演进和发展趋势。这里的电技术包括电子、电磁和电气。
伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了如机-电-液一体化、流-固-气一体化、生物-电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而提高系统或设备的整体性能。
高性能机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合等三个不同的发展阶段。在高精度与高性能电子装备的发展上，这三个阶段的特征体现得尤为突出。
机电分离（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）是指电子装备的机械结构设计与电磁设计分别、独立进行，但彼此间的信息可实现在（离）线传递、共享，即机械结构、电磁性能的设计仍在各自领域独立进行，但在边界或域内可实现信息的共享与有效传递，如反射面天线的机械结构与电磁、有源相控阵天线的机械结构-电磁-热等。
需要指出的是，这种信息共享在设计层面仍是机电分离的，故传统机电分离设计固有的诸多问题依然存在，最明显的有两个：一是电磁设计人员提出的对机械结构设计与制造精度的要求往往太高，时常超出机械的制造加工能力，而机械结构设计人员只能千方百计地满足其要求，带有一定的盲目性；二是工程实际中，又时常出现奇怪的现象，即机械结构技术人员费了九牛二虎之力设计、制造出的满足机械制造精度要求的产品，电性能却不满足；相反，机械制造精度未达到要求的产品，电性能却能满足。因此，在实际工程中，只好采用备份的办法，最后由电调来决定选用哪一个。这两个长期存在的问题导致电子装备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，这已成为制约电子装备性能提升并影响未来装备研制的瓶颈。
随着电子装备工作频段的不断提高，机电之间的互相影响越发明显，机电分离设计遇到的问题越来越多，矛盾也越发突出。于是，机电综合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）的概念出现了。机电综合是机电一体化的较高层次，它比机电分离前进了一大步，主要表现在两个方面：一是建立了同时考虑机械结构、电磁、热等性能的综合设计的数学模型，可在设计阶段有效消除某些缺陷与不足；二是建立了一体化的有限元分析模型，如在高密度机箱机柜分析中，可共享相同空间几何的电磁、结构、温度的数值分析模型。
自21世纪初以来，电子装备呈现出高频段、高增益、高功率、大带宽、高密度、小型化、快响应、高指向精度的发展趋势，机电之间呈现出强耦合的特征。于是，机电一体化迈入了机电耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）的新阶段。
机电耦合是比机电综合更进一步的理性机电一体化，其特点主要包括两点：一是分析中不仅可实现机械、电磁、热的自动数值分析与仿真，而且可保证不同学科间信息传递的完备性、准确性与可靠性；二是从数学上导出了基于物理量耦合的多物理系统间的耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对电性能的影响机理。其设计是基于该耦合理论模型和影响机理的机电耦合设计。可见，机电耦合与机电综合相比具有不同的特点，并且有了质的飞跃。
从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑，而复杂装备制造的未来发展，将不断趋于多物理场、多介质、多尺度、多元素的深度融合，机械、电气、电子、电磁、光学、热学等将融于一体，巨系统、极端化、精密化将成为新的趋势，以机电耦合为突破口的设计与制造技术也将迎来更大的挑战。
随着新一代电子技术、信息技术、材料、工艺等学科的快速发展，未来高性能电子装备的发展将呈现两个极端特征：一是极端频率，如对潜通信等应用的极低频段，天基微波辐射天线等应用的毫米波、亚毫米波乃至太赫兹频段；二是极端环境，如南北极、深空与临近空间、深海等。这些都对机电耦合理论与技术提出了前所未有的挑战，亟待开展如下研究。
第一，电子装备涉及的电磁场、结构位移场、温度场的场耦合理论模型（Electro- Mechanical Coupling，EMC）的建立。因为它们之间存在相互影响、相互制约的关系，需在已有基础上，进一步探明它们之间的影响与耦合机理，廓清多场、多域、多尺度、多介质的耦合机制，以及多工况、多因素的影响机理，并将其表示为定量的数学关系式。
第二，电子装备存在的非线性机械结构因素（结构参数、制造精度）与材料参数，对电子装备电磁性能影响明显，亟待进一步探索这些非线性因素对电性能的影响规律，进而发现它们对电性能的影响机理（Influence Mechanism，IM）。
第三，机电耦合设计方法。需综合分析耦合理论模型与影响机理的特点，进而提出电子装备机电耦合设计的理论与方法，这其中将伴随机械、电子、热学各自分析模型以及它们之间的数值分析网格间的滑移等难点的处理。
第四，耦合度的数学表征与度量。从理论上讲，任何耦合都是可度量的。为深入探索多物理系统间的耦合，有必要建立一种通用的度量耦合度的数学表征方法，进而导出可定量计算耦合度的数学表达式。
第五，应用中的深度融合。机电耦合技术不仅存在于几乎所有的机电装备中，而且在高端装备制造转型升级中扮演着十分重要的角色，是迭代发展的共性关键技术，在装备制造业的发展中有诸多重大行业应用，进而贯穿于我国工业化和信息化的整个历史进程中。随着新科技革命与产业变革的到来，尤其是以数字化、网络化、智能化为标志的智能制造的出现，工业化和信息化的深度融合势在必行，而该融合在理论与技术层面上则体现为机电耦合理论的应用，由此可见其意义深远、前景广阔。
本丛书是在上一次编写的基础上进行进一步的修改、完善、补充而成的，是从事电子机械工程领域专家们集体智慧的结晶，是长期工作成果的总结和展示。专家们既要完成繁重的科研任务，又要于百忙中抽时间保质保量地完成书稿，工作十分辛苦。在此，我代表丛书编委会，向各分册作者与审稿专家深表谢意！
丛书的出版，得到了电子机械工程分会、中国电子科技集团公司第十四研究所等单位领导的大力支持，得到了电子工业出版社及参与编辑们的积极推动，得到了丛书编委会各位同志的热情帮助，借此机会，一并表示衷心感谢！

中国工程院院士，中国电子学会电子机械工程分会主任委员 段宝岩
2024年4月

前言
随着计算机技术在电子设备研制过程中的不断普及，数字化和智能化技术已成为电子设备研制中不可或缺的手段，并应用于从设计、工艺、制造到销售、运行、保养、维护的全过程。数字孪生作为数字化技术的集大成者，正在成为电子设备数字化研制的发展方向，越来越多的企业开始构建面向产品设计、生产制造和产品运维的数字孪生系统。
本书基于作者多年的科研经历和电子设备数字化系统开发经验，结合典型电子设备工程案例，对数字孪生系统的相关技术进行了较为全面的介绍，包括电子设备的研制特点及应用的数字化技术，电子设备数字样机的模型构建方法，电子设备数字样机的仿真流程与实现，电子设备数字孪生系统的建模理论与方法，电子设备数字孪生系统的构建流程与方法，数字孪生系统在电子设备设计、制造及运维中的应用等。
除一般机械产品数字孪生的相关内容外，本书针对电子设备的研制特点，重点对电子设备产品孪生体和制造孪生体构建特有的内容进行了介绍，包括机电耦合建模、多学科仿真与优化、微系统封装和PCB电子装联工艺样机等，希望对从事电子设备数字化设计和数字孪生系统应用及开发的人员有所帮助。
本书第1、2、3、6章由邵晓东编著，第4章由王伟编著，第5章由邵晓东和王伟共同编著。
限于作者水平，书中难免存在不妥甚至错误的地方，敬请广大读者指正。

作  者   
2024年8月

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