热数字孪生体之功用解密

热数字孪生体也是一种数字孪生技术。关于数字孪生技术，去年曾经写过一些文章，详细地描述了数字孪生体的建立和应用（请参考《数字孪生技术与企业的智能化》系列文章）。同数字孪生体类似，建立和应用热数字孪生体的要素大概如下：

• 具有一定同质性的实体样品

• CAD建模工具

• 热仿真软件

• 高精度测试设备和传感器

• 建立热数字孪生体所需要的理论和技术

• 热数字孪生体的基础环境（数据库，仿真平台，应用技术相关的工业软件等等）

在工业4.0的大背景下，热数字孪生体的全球市场将会以惊人的复合增长率增长，热数字孪生技术有可能会演变成整个行业的标准。

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和热数字孪生体关系最大的，自然是研发部门中负责热的子部门（类似于Thermal中心）。

Thermal中心首先是建立热数字孪生体的部门，掌握着建立热数字孪生体的核心技术。

   Thermal中心依靠热数字孪生体，对热问题进行标准化，分类，固化热仿真流程，并用热数字孪生体去挖掘，产生，封装，存储热设计或者和产品热设计相关的知识，从而实现企业技术的良性积累。

随着热数字孪生体在企业内各个部门中的应用展开，Thermal中心不断的收集企业实践过程中产生的新的热数字孪生体，同时依据实际情况对热数字孪生体进行合理的修正，而且修正并不限于新生的，也会作用于固有的。

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最频繁使用热数字孪生体的，应该是设计部门。

正向设计，应该是未来产品设计的主流，从客户的需求出发，设计出满足客户需求的产品，并不断迭代。一般来说，迭代有两个方向，一是不断提高产品的性能，二是不断降低产品的成本。实际情况应该是在这二者之间取得某种平衡，以实现该产品在目标市场中的份额最大化。

热只是单一的物理现象，实际的产品设计可能涉及到多个物理场，而热数字孪生体为多物理场联合或者耦合设计提供了有利条件。

从物理现象上，电子产品的信号可能会随着温度的变化而衰减，如果在Si-Pi设计中不考虑温度的因素，可能设计不出理想的产品，而如果能结合热数字孪生体，形成SPICE Thermal netlist，便可以实现Si-Pi仿真和实际物理现象的一致性。

图一 SPICE Thermal netlist

设计部门在可以接受的研发周期和研发成本的前提下，用热数字孪生体做大量的虚拟探索，实现上面提到的平衡。而这种实践活动的过程中，由于是海量的虚拟探索，又会产生很多非目标但又具有巨大价值的新的热数字孪生体模型和应用。

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质量部门也可以用到热数字孪生体。

如果能构建质量缺陷和热之间的关系，就可以用热数字孪生体技术对产品的质量进行全检或抽签，实现生产过程中的监控和响应，第一时间发现质量问题，为及时修正提供了先决条件。

焊接不良是电子产品常见的质量问题，可以通过建立焊接质量和热数字孪生体的关系，来实现对焊接质量的快速检测。

图二 焊接质量检测样品

      按照0%（不焊），50%（焊接一半），100%（全焊）制作三个样品，分别建立他们的热数字孪生体（结构函数）。当实际产品下线后，只有也做一次热数字孪生体的检测，通过比对，就可以完成质量检测。当然样品可以根据质量管理的目标来制作，如果要求焊接率大于70%，可以做一个焊接率是70%的样品，再通过热数字孪生体进行比对。

   质量管理，一般关注的是“人、机、料、法、环”等，由于多种原因，波动的产生是难免的，而波动若能在第一时间被发现，便可以对质量要素做及时的分析，找到波动原因，从而可以及时纠偏，保证质量的稳定性。

创建工艺过程的热数字孪生体同时分析重要的性能指标，用这些性能指标去评价和监控由于工艺的变化造成对产品质量的影响，从而实现对生产过程中的工艺优化。比如在回流焊过程中，可以通过通过热数字孪生体优化整个过程的温度参数以保证焊接的质量。

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为了保证产品的品质，很多企业会设立一个专门的部门——FMEA（Failure Mode andEffects Analysis，失效模式与影响分析）。

图三 电子产品的失效模式与影响分析

热问题是电子产品失效的主要问题，热数字孪生体技术是解决产品热问题的重要手段。

FMEA是在产品设计阶段和过程设计阶段，对构成产品的子系统、零件，对构成过程的各个工序逐一进行分析，找出所有潜在的失效模式，并分析其可能的后果，从而预先采取必要的措施，以提高产品的质量和可靠性的一种系统化的活动（百度定义）。

可见FMEA是事前的预防措施，产品并没有生产出来，以后生产出来的产品有可能会出现失效的问题，也有可能不会出现。FMEA 开始于产品设计和制造过程开发活动之前，并指导贯穿实施于整个产品周期。

如果我们可以建立和产品一致性很高热数字孪生体，用精准的仿真模型去演示未来可能出现的质量和可靠性的问题，便能对失效，后果，及原因等做更深入更细致的分析，显然是大幅度降低地解决这些问题难度。

图四 ECU中功率器件的寿命评估

功率器件的寿命预测，通过加速老化，同时对功率器件的数字模型做计算，仿真和分析，建立相应的热数字孪生体。这样不仅能够容易、低成本地对产品或过程进行修改，从而减轻事后危机的后果，减少事后的补偿，而且通过热数字孪生体技术的应用，可以找到能够避免或减少这些潜在失效发生的措施或设计方案。

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前面讨论的热数字孪生体的应用，主要是发生在企业内部。如果着眼于整个电子产品的生态系统，其实际应用会给整个行业带来革命性的改变。

依靠热数字孪生体，采购部门可以用来来跟踪和分析关键性能指标，例如质量参数，接受条件等等；销售部门可以提升用户体验，并及时对用户需求做深度响应，同时销售部门还可以收集海量产品使用数据，及时向公司提供 产品在实际使用过程中的各种性能及性能的变化；财务部门可以精准测算产品的成本，库存等财务信息；市场部门可以带来全新的视觉冲击，充分展示公司的能力和实力，提升公司品牌形象；经营部门可以在自己生产和委外生产中取得平衡，而不用太担心委外产品的质量不稳定等问题；设备维护部门可以识别设备或者制造流水线的性能状况，在严重问题发生之前进行预防性维修或维护，还可以帮助优化负载水平、工具校准和循环时间；甚至高层管理的决策，人力资源部门的KPI系统等等，都有可能受到技术进化的影响。

更大的进化是生态系统之间的协作，热数字孪生体为整个行业解决热问题提供的标准和协作的良好基础。来自热数字孪生体的运营数据随用随取，可以轻松地实现跨学科共享，从而实现协作，改善沟通和更快地制定决策。整个行业的工程、生产、销售和市场营销都可以使用相同的数据一起工作，消除不必要的内卷，达到资源利用效率的最大化。