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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。

在現實生活中，物理現象不會單獨發生，比如，流體力、結構力、熱和電磁力會不斷相互作用。在這些物理域相互作用的地方，會出現傳熱、變形和質量傳遞等現象。

多物理場方法，就是通過計算機仿真來分析物理力之間的復雜相互作用。通過將單獨的物理場求解器整合到統一的計算框架中，多物理場工作流程可幫助工程師根據物理場在現實世界中的情況，一次性對整個系統的行為進行準確建模。

多物理場模型彌補了單物理場分析的不足之處。

使用多物理場工作流程進行分析的部分應用示例

多物理場示例

當多個物理場相互作用時（如流體和結構，或者結構與電磁），它們被稱為“耦合”。我們周圍時刻發生著這類現象，比如從輕觸手機屏幕到駕駛汽車走過崎嶇的道路，都涉及多個物理場的相互作用。多物理場耦合的常見示例包括：

流固耦合（FSI）

飛機安全：對氣流（流體力學）如何影響起落架的變形和減震（結構力學）進行建模

熱-光學耦合

抬頭顯示器（HUD）：對室外溫度（熱效應）如何影響車輛中投影圖像的清晰度（光學）進行建模

結構-聲學耦合

道路噪聲：對輪胎-表面的摩擦（結構力學）如何引起車輛中的聽覺反饋（聲學）進行建模

電磁-熱耦合

發電：對電機的能量場（電磁學）如何產生熱量（熱動力學）進行建模，以優化換熱器和風扇

需要多物理場分析的工程問題可通過不同程度的耦合來求解。

如果物理問題涉及物理場的弱耦合，例如流體力產生了結構應力，但沒有使結構顯著變形，我們可以通過單向耦合分析來解決此問題。

如果存在強耦合，例如，如果結構具有高變形并影響流動，則我們需要雙向耦合解決方案。

多物理場應用

在各個行業中，工程師都依靠多物理場解決方案來在設計流程早期發現問題，做出明智的優化決策，并確保最終產品的安全和性能。企業必須能夠準確預測復雜產品在現實環境（包含多種類型的耦合物理場相互作用）中的行為方式。

• 航空航天：流固耦合分析，以確定飛機機翼的最佳重量、形狀和結構

• 汽車：對車燈中的熱膨脹和變形進行仿真，以預測光學性能

• 醫療：對人體組織和醫療設備結構（如植入物和支架）之間的相互作用進行建模

• 工業：通過磁、結構和聲學分析識別振動源，減少電機的磨損

多物理場仿真

由于成本、時間或安全等約束條件，對多個物理域之間同時發生的復雜相互作用進行實驗研究不是一件容易的事，而通過多物理場仿真，可以對這些相互作用進行建模。通過跨工程學科傳遞和轉換數據信息，借助仿真人們可以更深入地了解產品性能。

計算機運算能力的最新發展、求解器速度和性能的提升以及工作流程構建方法的改進，加速了從單物理場仿真到綜合多物理場仿真的轉變。這種演變使工程師能夠更好地預測其設計在現實世界中的運行情況。

多物理場仿真的優勢

• 逼真的建模：準確捕獲多個物理域同時相互作用的真實場景
• 系統級分析：深入了解物理耦合如何影響整體系統性能
• 時間效率：同時分析整個系統，而不是僅僅對單個物理域進行分析

多物理場仿真的挑戰

• 數據一致性：不同的物理域具有不同的時間尺度、空間尺度和網格分辨率
• 用戶專業知識：多物理場仿真需要跨學科專家的知識
• 計算成本：多物理場仿真的處理強度需要大量的資源和時間

多物理場分析工具

通常，單個求解器側重于特定的物理領域，如結構力學、流體力學或電磁學。但有些求解器包含獨立的多物理場模型。例如，除了流體力學分析之外，Ansys Fluent?流體仿真軟件還可以對聲學、運動、固體傳熱和熱應力進行建模。當模型共享幾何結構、網格和設置時，具有多物理場功能的單個求解器對于耦合分析非常有用。

但隨著產品復雜性的增加，單一物理場仿真可能不再滿足需求。

這正是協同仿真的用武之地。通過連接專用求解器，可以更精確地捕獲不同物理現象之間的復雜相互作用。例如，Ansys System Coupling?物理求解器連接軟件等工具可在統一的界面中集成所有主要求解器。這意味著，工程師可以在單個統一的工程環境中輕松創建高保真度的多物理場模型。

單求解器多物理場：在一個求解器中對一組特定的耦合物理場方程執行跨域分析。其提供緊密耦合相互作用的簡單設置。

系統耦合多物理場：在一個計算框架中，在不同專用求解器之間協調和交換數據。在需要協調獨立求解器來捕獲物理模型之間相互作用的復雜情況中，其可提供更靈活的建模。

多物理場的未來

一些產品發展趨勢推動了對多物理場建模更廣泛應用的需求，包括芯片和3D集成電路（3D-IC）中的可持續性和更高的功率密度要求。隨著企業不斷創新，努力提高功率和減少浪費，多物理場分析將為其提供全面了解設計中物理現象之間相互作用所需的整體洞察能力。

歡迎聯系我們，以進一步了解Ansys軟件如何幫助企業利用仿真的預測功能來突破設計極限。

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