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多物理场耦合分析,让模拟结果更真实

2018/4/26    来源:e-works    作者:e-works  吴星星      
关键字:多物理场耦合  仿真  CAE  
随着仿真软件和硬件经过多年的不断发展和完善,多物理场耦合分析不再遥不可及,如今越来越多的工程师正在采用多物理场耦合分析求解真实的工程问题。

引言

    当科技发展把人们带到多物理场研究的轨道上,人们发现:传统的各学科独立设计与仿真验证模式难以体现各学科之间的耦合关系,而多物理场耦合仿真,能验证在各学科耦合关系下更接近于真实世界的产品性能。

    在工程领域,很长一段时间,受限于计算机软硬件软件和数值计算理论,人们将工程问题拆分成单物理场分析,但往往会得到相互矛盾或者错误的计算结果。而今随着仿真软件和硬件经过多年的不断发展和完善,多物理场耦合分析不再遥不可及,如今越来越多的工程师正在采用多物理场耦合分析求解真实的工程问题。

1、认识多物理场耦合

    在理解多物理场耦合的定义之前,有必要先了解物理场和耦合的概念。

    自然界中广泛存在有四种物理场:位移场(也称之为应力应变场)、电磁场、温度场和流场。而对这些自然界的各种现象用最基本的物理、化学和数学等理论进行描述,利用虚拟模型复现实际系统中发生的本质过程,并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统,就是物理场仿真(或称为物理场模拟)。

    耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象,常作为通信工程、软件工程、机械工程等领域的专业术语。

    显而易见,多物理场耦合按照字面理解,就是两种或者多种物理现象的耦合。正如现实世界不存在单一的物理场问题一样,工程上所遇到的问题往往也是多物理场耦合的问题。多物理场耦合分析是指在有限元分析过程中考虑了两种或多种工程学科物理场的交叉作用和相互影响耦合。例如,热应力分析往往涉及温度场和力场的耦合分析;压电分析需要考虑应力应变场和电场的相互作用。再如,半导体的仿真不仅需要考虑载流子在电场作用下的对流扩散,同时产生焦耳热,热膨胀导致的形变会对扩散过程产生影响,此外材料的电导率、热导率和扩散率等特性都具有热敏性,这些众多因素使得半导体分析也是典型的多物理场耦合问题。

    在仿真领域,一些行业专家习惯将多物理场分为多场、多区域、多尺度三个层次来理解。其中,多场是指系统同时存在多个物理场的激励和响应;多区域是指系统的各个具有不同特征的连续体通过边界直接的相互作用;多尺度则是指系统中不同尺度下从微观到宏观行为的连续跨越。

多物理场三个层次的理解

多物理场三个层次的理解

    常见的耦合分析如流-固耦合、电-热耦合、热-结构耦合、热-电-结构耦合、声-结构耦合、声-结构耦合、流体-热耦合等。

责任编辑:程玥
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