您做得轻量化是不是太多了？

在机械设计中，“轻量化”永远是一个热门话题。简而言之，它意味着使用各种 CAD/CAE 工具，例如有限元设计 (FEA)，对设计进行建模和仿真，然后有选择地去除或薄化材料，重新运行仿真，并了解设计是否仍然可行。目标是最大程度地减少材料使用，从而减小尺寸和重量，同时简化生产过程（希望如此）并减少原材料成本。

更通俗地说，我们基本上都会尽可能地削减材料，直至达到仍可接受的程度。在原则上，这是可取的做法；毕竟在几乎所有项目上，减轻重量和降低成本都是头等大事。

在我们拥有这些功能强大的仿真和建模工具之前的“艰难岁月”中，设计人员会留出甚至增加一点额外量，作为安全裕量“以防万一”。他们结合利用分析、判断和经验，决定哪些情况下可能需要额外量。但现在，我们面临着压力，必须最大程度地减少这种裕量，因为只要经过工具确认，设计就是可行的。

但这是否能够确保设计正确呢？每个工程师都知道，任何仿真都依赖于模型，而每个模型必定会做出一些假设和简化。FEA 专家和讲师 Tony Abbey 近期在《数字工程》上发表的文章“FEA Demos and Benchmarks（FEA 演示和基准）”非常明确地指出了这一点。

他提供了具体的实例，在很多 FEA 配置中广泛使用的一些标准方案“忽略了一些小因素”，意图是简化构造和分析 – 但这种做法会对分析的有效性产生重大影响。

当然，并非只有机械设计容易存在此类弱点：电子设计也有相同的问题，只是没有出现故障的接点、托架或构件那样明显而已。即使模型原封不动地包括了所有部件，你如何为它们赋值？这些值是否随着时间和温度变化而改变？由于正常的材料和制造变化，它们相对于标称值会发生偏离吗？即便通过正确设计的蒙特卡罗仿真，也几乎不可能在运行仿真时涵盖所有可能的变化。

图 1：电阻器出现不可避免的耗散，将会导致温度升高，进而导致实际电阻相对于标称值发生偏移；本图显示了随着电阻器耗散接近额定功率水平，温度出现快速升高。（图片来源：TT Electronics）

模型有效性不仅是射频电路中存在的问题；在直流电路中也同样存在。我们以随处可见的电流检测电阻器为例，其电阻值通常在毫欧姆的范围内。从原理上来说，可以通过使用一条短铜线来作为电阻器。虽然这种方法是可行的，但对于非常长的铜线，由于存在自热和铜电阻的反应变化，这种方法并不适用。基体铜的电阻温度系数 (TCR) 约为 4000 ppm/°C，因而在温度升高 50°C 的情况下，1 毫欧 (mΩ) 电阻很快会变成 1.2 mΩ – 发生了 20% 的变化（图 1）。

如果设计的验证只关注了电子性能，而没有考虑到发热效应，充其量只是最低限度的验证。我们可以使用 Comsol 等多物理特性工具，对电子、磁性、发热和机械分析进行关联和交叉建模，但仍然需要对这些关联的深入了解。

正因为如此，Vishay Dale 等专用元件供应商提供了基于复杂材料和工艺的特殊低 TCR 电阻器。例如，他们的 WSBS8518 系列功率合金电阻的 TCR 值在 ±110 至 ±200 ppm/°C 之间（取决于标称电阻值），而他们的 WSLP 系列甚至更加出色，TCR 值低至 ±75 ppm/°C。此外，还有其他供应商提供了高度专业化的电阻器，TCR 值达到个位数，这适用于高端计量应用。

设计人员的小心谨慎通常是好事。除非你真正确信你的建模万无一失，否则请在设计中增加一点额外裕量。假定耗散计算表明需要 0.22 瓦特的电阻器，也许应该使用 0.5 瓦特电阻器，而不是刚好足够的 0.25 瓦特电阻器。在早期的建模中，设计人员深知存在很多不确定性，因此他们出于性能和安全原因，通常会增加很多裕量，而不是追求极度轻量化。

而现在，功能强大的工具和模型会很容易导致设计人员过于自信，他们的想法和行为好像他们对模型有足够的把握。事实上，要评估对模型和仿真的信心水平，然后将其反映到设计和 BOM 中，这可能是非常明智的做法。