多物理場分析的案例
轉貼：有限元的未來是多物理場耦合
有限元的未來是多物理場耦合
David Kan, Ph.D. COMSOL Inc.
Burlington, Mass.
Robert Repas 編輯
隨著計算機技術的迅速發展，在工程領域中，有限元分析（FEA）越來越多地用于仿真模擬，來求解真實的工程問題。這些年來，越來越多的工程師、應用數學家和物理學家已經證明這種采用求解偏微分方程（PDE）的方法可以求解許多物理現象，這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結構力學等等。有限元方法用來將這些眾所周知的數學方程轉化為近似的數字式圖象。
早期的有限元主要關注于某個專業領域，比如應力或疲勞，但是，一般來說，物理現象都不是單獨存在的。例如，只要運動就會產生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性，如電導率、化學反應速率、流體的粘性等等。這種物理系統的耦合就是我們所說的多物理場，分析起來比我們單獨去分析一個物理場要復雜得多。很明顯，我們現在需要一個多物理場分析工具。
在上個世紀90年代以前，由于計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對單個物理場的模擬，最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬。看起來有限元仿真的命運好像也就是對單個物理場的模擬。
現在這種情況已經開始改變。經過數十年的努力，計算科學的發展為我們提供了更靈巧簡潔而又快速的算法，更強勁的硬件配置，使得對多物理場的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇，滿足了工程師對真實物理系統的求解需要。有限元的未來在于多物理場求解。
千言萬語道不盡，下面只能通過幾個例子來展示多物理場的有限元分析在未來的一些潛在應用。
壓電擴音器（Piezoacoustic transducer）可以將電流轉換為聲學壓力場，或者反過來，將聲場轉換為電流場。
展開 ANSYS 12.0多物理耦合場有限元分析從入門到精通
ANSYS12.0多物理耦合場有限元分析從入門到精通》共10章。第1章全面介紹了ANSYS禍合場的基本概念、分析類型及單位制, 使讀者對ANSYS禍合場有初步的了解；第2章介紹了直接禍合場分析：第3章介紹了多場((TM)求解器-MFS單代碼禍合分析；第4章介紹了使用代碼禍合的多場求解器, 包括MFX工作原理、MFX求解過程以及啟動和停止MFX分析：第5章介紹了載荷傳遞禍合場物理分析, 第6章介紹了藕合物理電路分析, 主要包括電磁-電路分析、電子機械-電路分析以及壓電-電路分析：第7章介紹了直接禍合場實例分析；第8章介紹了多場求解-MFS單碼的禍合實例分析；第9章介紹了載荷傳遞禍合場物理實例分析：第10章介紹了禍合物理電路模擬實例分析。
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展開 ALGOR多物理場分析
真實世界的力學行為通常是多個場同時作用的結果，通過多物理場分析軟件，工程師可以模擬多物理因素共同作用下產品的行為。ALGOR提供了可以模擬結構、熱、流體、靜電等各種自然現象的分析工具，并可以自動地在不同的物理環境分析之間傳遞結果。ALGOR提供的完善而方便的有限元建模、結果評價與顯示的用戶界面FEMPRO為多物理場分析提供了完整的解決方案。
芯課程 | Multi-Die設計中的芯片-封裝-系統協同多物理場分析
但異構芯片集成與復雜互連架構，催生了電源完整性（PI）、信號完整性（SI）、熱學、力學應力等多物理場的強耦合效應，傳統單物理域仿真方法已難以滿足多芯片系統驗證的精度與效率要求。隨著新思科技完成對Ansys的整合，其提供的多物理場芯片-封裝-系統（CPS）仿真技術，可實現Multi-Die設計的跨域協同分析，完成電，熱，結構的聯合仿真。
新思科技芯課程將在年后迎來第五講，也是首期系列課程的收官之作：「Multi-Die設計中的芯片-封裝-系統協同多物理場分析」，探討如何基于高精度芯片模型，幫助用戶優化多芯片設計的SIPI/熱/機械可靠性性能。歡迎大家報名參會，也可前往觀看往期課程點播內容：
Multi-Die設計：引爆系統創新的下一場革命
UCle加速高性能Multi-Die設計
加速創新：異構多芯片系統中的數字設計實現
業界領先的新思科技Multi-Die簽核解決方案
2/27 Multi-Die設計中的芯片-封裝-系統協同多物理場分析（正在報名中）
時間：2 月27日（星期五），14:00–15:00
地點：線上直播
講師簡介：
褚正浩 | 新思科技EBU ACE總監
現任新思科技中國電磁產品技術支持總監，專注為客戶規劃電磁產品，構建芯片＋封裝+系統協同仿真方案及能力。加入新思科技前，任職于 Cadence 北方區技術支持，負責信號完整性、電源完整性及電磁兼容的技術支持與能力建設。
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技術鄰簡介：
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
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芯課程第五講 | Multi-Die設計中的芯片-封裝-系統協同多物理場分析
但異構芯片集成與復雜互連架構，催生了電源完整性（PI）、信號完整性（SI）、熱學、力學應力等多物理場的強耦合效應，傳統單物理域仿真方法已難以滿足多芯片系統驗證的精度與效率要求。隨著新思科技完成對Ansys的整合，其提供的多物理場芯片-封裝-系統（CPS）仿真技術，可實現Multi-Die設計的跨域協同分析，完成電，熱，結構的聯合仿真。
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時間：2 月27日（星期五），14:00–15:00
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講師簡介：
褚正浩 | 新思科技EBU ACE總監
現任新思科技中國電磁產品技術支持總監，專注為客戶規劃電磁產品，構建芯片＋封裝+系統協同仿真方案及能力。加入新思科技前，任職于 Cadence 北方區技術支持，負責信號完整性、電源完整性及電磁兼容的技術支持與能力建設。
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展開 用戶作品賞析 | Ansys Workbench多物理場耦合技術在車載電力產品熱分析領域的應用
寫在前面
2021 Ansys Innovation大會同期的 “用戶優秀作品展示” 中，我們欣賞到來自【Ansys Innovation大會論文及案例征集】以及【Ansys LS-DYNA用戶案例競賽】的眾多優秀作品，同時，多位作品作者也受邀成為本屆大會主題報告的演講嘉賓。本期開始Ansys中國微信公眾號將連載發布所有獲獎作品，詳盡展現用戶如何從Ansys工程仿真解決方案中獲益，誠邀各位近距離觀賞他們的應用實踐真知，希望通過這些杰出的工程仿真實踐指導更多用戶。
【Ansys Innovation大會論文及案例征集】 - Top12 優秀作品
【Ansys LS-DYNA用戶案例競賽】 - 獲獎作品
Ansys Workbench多物理場耦合技術在車載電力產品熱分析領域的應用
內容簡介
在新能源汽車動力系統設計過程中，由于集成度越來越高，相關的熱分析也越來越多的使用到多物理場分析流程。在利用Ansys軟件包對三合一驅動電機和48v輕中混電機整機系統進行熱分析的過程中，計算流程中使用到了電磁-流體-熱的多物理場耦合分析。
展開 LS-DYNA在動力電池機械濫用上的多物理場仿真
相比于針對電池在熱和電濫用工況下的安全問題的研究，機械濫用工況下針對電池安全問題的多物理場仿真分析的研究相對較少。本文對目前有關電池單體、電池模塊以及電池包在機械載荷下多物理場分析進行了梳理。從研究尺度上看，電池碰撞安全研究包括了電池組份材料、電池單體、電池模組與防護結構以及電池包等各個層次。電池碰撞安全研究的的主要目標有：（1）理解機械載荷下電池單體的變形與失效特征以及與內短路觸發的關聯性，最終建立單體、模塊或電池包的損傷判據和損傷容限；（2）建立兼顧計算精度與計算效率的有限元仿真模型，指導電池包防護結構設計。從研究方法上看，需要對電池進行常規結構仿真分析和多物理場仿真分析。
△動力電池研究尺度
△常規結構仿真分析
△多物理場仿真分析
作為ANSYS中國高級服務商，優飛迪對動力電池仿真分析工具及其整體解決方案有著豐富的經驗和獨特的見解。動力電池的疲勞分析可以采用ANSYS nCode，強度與剛度及振動分析可以采用ANSYS Mechanical和LS-DYNA，跌落、沖擊、擠壓、針刺、多物理場分析可以采用LS-dyna。作為優飛迪科技的高級仿真工程師，下面小優將針對動力電池的多物理場仿真分析進行分享。
采用LS-dyna進行多物理場仿真分析需要使用LS-DYNA電阻加熱求解器和EM電磁求解器以及Randles等效電路模型。
△EM/熱/機械多物理場耦合
使用電阻加熱求解器的前提假設是未考慮渦流效應、無磁效應或任何其他靜電效應、沒有接觸的導體不會發生相互作用，其主要目的是研究電流通過導體產生的熱量，并觀察其對溫度的影響。特殊應用包括電阻點焊（RSW）和電池建模（在正常充電條件下和放炮期間）。當兩個導體相互接觸時，會產生短路，電流應在兩部分之間流動。
展開 有限元的未來是多物理場
物理場A通過邊界條件或源項對物理場B產生作用，而物理場B對A不產生作用，或其影響可被忽略，稱這種耦合是單向耦合。比如在熱應力問題中，溫度場會產生明顯的熱應力，但是由于變形而導致的溫度場的性質變化并不顯著，這種問題可以簡化為單向耦合問題。
如果物理場B也對A產生影響，則稱這種耦合為雙向耦合。比如電阻應變片上當電流改變時會產生熱量，熱量導致電阻率的改變，從而影響了電流的改變。
實際上，只要一個場對另外一個場發生作用，反作用也是必然要出現的。所以，使用間接耦合的方式求解多物理場問題，其出發點即存在誤差。
綜上所述，多物理場的計算，需要強大的計算機計算能力為后盾。計算機計算能力的提升使得有限元分析由單場分析到多場分析變成現實，未來的幾年內，多物理場分析工具將會給學術界和工程界帶來震驚。單調的“設計－校驗”的設計方法將會慢慢被淘汰，虛擬造型技術將讓科學家們的思想走得更遠。
四、多物理場技術的應用及探討
綜上所述，利用基于單元庫的方法實現多物理場耦合計算，每增加一種耦合分析類型，必須推導出該耦合方程，其代價將是巨大的。隨著科學計算不斷發展，人們研究領域的不斷細化和深入，以及計算機計算能力的不斷提高，未來多物理場計算的發展趨勢可以歸結為以下幾點：
計算的功能得到更大的擴充。在同一個計算平臺下實現多個科學領域的計算，結構力學、流體力學、電動力學、熱力學、量子力學等等問題，將會在一個統一的仿真分析平臺下完成。
多尺度耦合分析。現代科學問題通常是一個完整的系統工程，研究的尺度范圍常常涉及到從米到微米甚至納米級別。例如，對于飛機機翼的研究，機翼結構強度分析屬于米量級的分析，而構成機翼的復合材料分子動力學模型則延伸到納米量級。
結構、構件及其材料的一體化設計計算與模擬仿真。
展開 一期一會 | 什么是多物理場？
寫在前面
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。
展開 多物理場耦合技術的研究進展與發展趨勢
比如在熱應力問題中，溫度場會產生明顯的熱應力，但是由于變形而導致的溫度場的性質變化并不顯著，這種問題可以簡化為單向耦合問題。如果物理場B 也對A 產生影響，則稱這種耦合為雙向耦合。比如電阻應變片上當電流改變時會產生熱量，熱量導致電阻率的改變，從而影響了電流的改變。
實際上，只要一個場對另外一個場發生作用，反作用也是必然要出現的。所以，使用間接耦合的方式求解多物理場問題，其出發點即存在誤差。
綜上所述，多物理場的計算，需要強大的計算機計算能力為后盾。計算機計算能力的提升使得有限元分析由單場分析到多場分析變成現實，未來的幾年內，多物理場分析工具將會給學術界和工程界帶來震驚。單調的“設計－校驗”的設計方法將會慢慢被淘汰，虛擬造型技術將讓科學家們的思想走得更遠。
四、多物理場技術的應用及探討
綜上所述，利用基于單元庫的方法實現多物理場耦合計算，每增加一種耦合分析類型，必須推導出該耦合方程，其代價將是巨大的。隨著科學計算不斷發展，人們研究領域的不斷細化和深入，以及計算機計算能力的不斷提高，未來多物理場計算的發展趨勢可以歸結為以下幾點：
1、計算的功能得到更大的擴充。在同一個計算平臺下實現多個科學領域的計算，結構力學、流體力學、電動力學、熱力學、量子力學等等問題，將會在一個統一的仿真分析平臺下完成。
2、多尺度耦合分析。現代科學問題通常是一個完整的系統工程，研究的尺度范圍常常涉及到從米到微米甚至納米級別。例如，對于飛機機翼的研究，機翼結構強度分析屬于米量級的分析，而構成機翼的復合材料分子動力學模型則延伸到納米量級。
3、結構、構件及其材料的一體化設計計算與模擬仿真。系統級的數值模擬將會越來越多，材料庫的出現將會加速此進程。
4、實現真正的多物理場耦合計算。
展開 基于無網格法的模型多物理場耦合分析
問題描述
本算例通過無網格法對某型號導電桿進行溫度-結構場耦合分析，針對以往學者多采用有限元法進行多物理場耦合分析而受到剖分限制的缺陷，本算例采用Simsolid軟件對模型進行多物理場耦合分析，獲得在外力-溫度載荷作用下的模型形變，所用方法可以用來對其他器件穩定性驗證提供參考。
2. 模型建立
圖1物理模型
圖2模型力載荷及邊界條件添加
圖3模型溫度荷加
3.計算結果
圖4模型應力分布
圖5模型應變分布
圖5和圖6可以看出最大應力和最大應變都主要發生在導體與固定裝置的接觸位置，這是由于模型受熱膨脹所致，最大值分別為237.33MPa和0.018mm。
展開 
仿真模型互通及ANSYS多物理場技術分析
同時，以相關技術為支撐，如物理場模型降階等技術，有效保證上述模型在系統中的求解速度，最終達到系統仿真精度與速度的平衡。
另外，多物理場/多學科仿真技術在實際應用過程中涉及大量數據、流程、經驗的管理問題。ANSYS SPDM仿真數據流程和數據管理平臺，以開源PDM平臺為基礎深度開發，可有效管理多物理場/多學科仿真過程中產生的海量仿真數據、協助用戶標準化仿真流程、有效管理仿真人員，并且可以與其他PDM系統有效集成，共同支撐企業的數字化研發創新平臺搭建。
本文摘自 ANSYS 2019仿真流程和數據管理（Simulation Process and Data Management，簡稱SPDM）高峰論壇中演講嘉賓童輝的演講內容——“仿真模型互通及ANSYS多物理場技術分析”，該論壇于4月末在杭州成功舉辦，逾百名與會嘉賓圍繞ANSYS SPDM方案及相關產品服務進行多場報告及DEMO演示，以及深入的現場溝通互動。通過此次論壇，我們向來賓充分展示了ANSYS仿真流程、多物理場技術分析、數據管理和SPDM平臺的理念和功能。
更多關于本次SPDM高峰論壇完整版演講資料可通過
以下鏈接或“閱讀原文”進行注冊下載
https://www.ansys.com/zh-cn/other/zh-cn/20190426-spdm
展開 Comsol多物理場耦合的電磁發射分析
<p>開放群：566811107（資料多，不僅限交流）</p><p>群一：836281296</p><p>群二：594368389 </p><p>群三：1080606488 </p><p>群四： 678357196 </p><p>我的qq： 209870384有興趣的可以加我，交流模型。</p><p><span style="background-color: rgb(255, 255, 255); color: rgb(25, 27, 31);"><img src="https://img.jishulink.com/202409/attachment/03e781d7307845c1b317891388404144.jpg?image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p> 電磁炮是利用電磁發射技術制成的一種先進動能殺傷武器。與傳統大炮將燃氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場產生的安培力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標所需的動能，與傳統的大炮，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。</p><p> 電磁軌道發射裝置內 電磁場、溫度場和結構場相互耦合在一起，使裝置 內彈道工作環境十分惡劣。</p><p> 此次采用Comsol進行電磁軌道建模，采用過盈接觸力學分析、準靜態磁場，電流屈膚效應、熱場耦合動網格進行多物理場分析。
展開 客戶案例 | 智原科技利用Ansys多物理場分析增強3D-IC設計服務
Ansys副總裁兼半導體、電子與光學事業部總經理John Lee指出：“Ansys專注于多物理場平臺，使智原科技等創新企業能夠應對3D-IC的關鍵挑戰，并加速其產品上市進程。Ansys行業領先的工具有助于對電磁現象進行精確建模和分析，幫助我們的客戶始終處于5G、AI和IoT技術進步的前沿。”
支持多物理場板塊
幾天不來，這個論壇熱鬧了不少，很多新貼子。
不過這個板塊實在是冷清，難道是搞多物理場分析的朋友少嗎？
我做電磁場分析的，先來報個道。同行的朋友多交流，不要浪費了這個平臺。
