多物理場耦合計算的案例
多物理場耦合計算，從新建一個文件夾開始——《非線性計算與多物理場耦合》之三 ￥600
<p>本次課程以一個簡單的實際問題出發，講述多物理場耦合方程的推導方法以及離散形式，并手把手從新建一個文件夾開始，帶著大家一起從第一行代碼開始敲。程序結果與ANSYS對比高度吻合，在我的系列視頻課程中免費試看，希望對大家有所幫助。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://img.jishulink.com/upload/202110/08bf00d2dfd84d9398031b607f8ff478.png" title="屏幕截圖 2021-10-16 173003.png" alt="屏幕截圖 2021-10-16 173003.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202110/08bf00d2dfd84d9398031b607f8ff478.png?image_process=/format,webp/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202110/08bf00d2dfd84d9398031b607f8ff478.png?
展開 多物理場耦合技術的研究進展與發展趨勢
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場，這里涉及三個不同的物理場：結構場、電場和流體中的聲場。這種裝置一般用在空氣或者液體中的聲源裝置上，比如相控陣麥克風、超聲生物成像儀、聲納傳感器和聲學生物治療儀等，也可用于一些機械裝置比如噴墨機和壓電馬達等。
科學家已經證明采用偏微分方程組（PDEs）的方法可以求解多物理場現象。這些偏微分方程可以描述熱量傳遞、電磁場和結構力學等各種物理過程。可以這樣認定，多物理場的本質是偏微分方程組。隨著計算機和計算技術的迅速發展，使得工程師可以輕松地用偏微分方程組描述現實中的多物理場問題。如果有一種算法或者軟件能直接對這些偏微分方程組進行求解，對科學研究與工程計算進程的推進將是巨大的。
而多物理場問題的求解，其難度也是巨大的。在實際求解多物理場耦合問題時，需要考慮不同的耦合關系。根據耦合的相互作用關系，可以把耦合關系分為雙向耦合和單向耦合。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。
展開 Tdyn 一款集結構、流動、傳熱耦合的多物理場數值模擬軟件
Tdyn軟件是西班牙COMPASS公司研制的多物理場耦合數值模擬計算軟件，能與多數計算機輔助設計軟件（UG、Plo/e、CATIA）和計算機輔助分析軟件（FLUENT、Lsdyna）接口，是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用多物理場耦合數值模擬計算軟件。在機械制造、建筑結構、復合材料、船舶、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫學等領域有著廣泛的應用。Tdyn功能強大，操作簡單方便，現在已成為國際流行的數值模擬分析軟件。
Tdyn集結構、流動、傳熱耦合的多物理場數值模擬軟件
Tdyn軟件是西班牙COMPASS公司開發的多物理場耦合數值模擬計算軟件，能與多數計算機輔助設計軟件（UG、Plo/e、CATIA）和計算機輔助分析軟件（FLUENT、Lsdyna）接口，是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用多物理場耦合數值模擬計算軟件。在機械制造、建筑結構、復合材料、船舶、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫學等領域有著廣泛的應用。Tdyn功能強大，操作簡單方便，現在已成為國際流行的數值模擬分析軟件之一。
功能模塊
Tdyn CFD+HT 模塊
Ransol模塊，流體動力學求解器
Heatrans模塊，傳熱分析
Advect模塊，質量和組分的傳輸
Ursolver 模塊，通用 ( 用戶定義的 ) 微分方程求解器
Alemesh模塊，網格重分
RamSeries模塊
Basic模塊，線性靜力分析
Dynsol 模塊，動力 ( 模態和直接 ) 分析
Composite模塊，復合材料層合計算工具
Non-linear模塊，非線性，沖擊等先進分析工具
Coupling模塊，隱式流-固結構耦合求解器
SeaFEM模塊
基本模塊，時域多體線性輻射衍射求解器
高級模塊，二階輻射衍射求解器和水彈性分析
展開 
淺談多物理場仿真技術中的單向耦合
張楊
安世亞太北京分公司
隨著計算機性能的發展，大規模仿真和復雜模型的計算效率得到大大提升，因此多物理場耦合技術也越來越多的應用在產品設計的過程之中。對于仿真工程師而言，掌握多物理場仿真的基本方法，已經成為技術發展的一個主旋律。
對于不同的物理場耦合問題，我們通常需要采用不同的數值耦合方式進行仿真。如下圖所示，對于常見的多物理場仿真計算，主要根據耦合的強弱程度分為四個計算場景：單向耦合（順序耦合）、雙向顯式耦合、雙向隱式耦合、完全耦合。
圖 1 多物理場耦合的幾種場景
單向耦合技術的應用場景
對于物理場景中耦合需求并不強烈的問題（比如共軛換熱產生的熱應力，或者小形變問題等），我們都應該采用單向耦合，或者叫順序耦合。這一類耦合技術的特點是仿真計算結果的輸出與加載帶有明顯順序性；同時，單向耦合計算也都默認這一規則：下游的仿真計算結果不會對上游的計算產生任何影響。
展開 鋁電解槽多物理場耦合分析之電熱場耦合計算
然而，鋁電解過程是一個電場、磁場、熱場、力場、流場以及濃度場復雜多物理場共同作用的過程，分析各場的作用機理，才能準確的描述鋁電解槽運行規律。開展多物理場仿真研究，逐步掌握鋁電解槽的運行規律，實現高效率、低能耗的鋁電解槽生產是鋁電解技術發展的趨勢。
電熱場耦合計算
1 模型說明
電熱場計算模型主要包括：立柱母線、大母線、陽極導桿、爆炸焊、陽極鋼爪、磷生鐵、陽極炭塊、電解質、鋁液、爐幫、陰極炭塊、鋼棒、扎糊、槽殼、搖籃架以及側部和底部的保溫材料。
槽幫模型的建立是通過建立槽幫橫截面形狀再拉伸而成。通過不斷調整橫截面形狀，可以調整槽幫模型，最終使槽幫表面節點溫度達到電解質結晶點。
拉伸而成的槽幫模型和角部炭塊模型有一部分是重疊的，需要進行布爾操作，而Solidworks里面沒有相減的布爾操作，所以布爾操作在導入workbench后進行。
陽極高度根據換極表確定。
圖1熱場計算整體模型
2 邊界條件
1、電場邊界條件
（1）立柱母線底部施加總電流420KA
（2）陰極鋼棒端頭施加零電位
2、熱場邊界條件
（1）電解槽周圍溫度按照車間實測溫度施加為50℃，覆蓋料表面溫度施加為槽內煙氣溫度120℃，其余位置根據實測結果給出。
（2）覆蓋料與槽罩內的空氣為對流和輻射換熱，綜合傳熱系數由公式確定。
展開 Comsol Multiphysics多物理場耦合單機與集群配置推薦2021v2
本文的硬件配置推薦方案更新日期為2021/03/09日
COMSOL公司是全球多物理場建模與仿真解決方案的提倡者和領導者，Comsol Multiphysics是采用有限元方法求解偏微分方程的大型仿真軟件.借助這個軟件工具，使工程師和科學家們可以通過模擬，賦予設計理念以生命。它有無與倫比的能力，使所有的物理現象可以在計算機上完美重現。
有限元的未來是多物理場
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。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。
實現真正的多物理場耦合計算。
展開 基于PDE形式的多物理場耦合計算模型 ￥50
<p> 以電力系統中常見的busbar(母排)為例，給母排施加一定的電壓，母排在電流作用下產生了焦耳熱量，在熱量作用下母排結構會發生形變，因此這是一個“電流—熱—結構”的多物理場耦合問題。</p><p> 本案例首先通過軟件自帶模塊計算了此多物理場耦合問題，又通過PDE方程針對該問題開發了相應的計算模塊，并將軟件自帶模塊與PDE模塊計算結果進行對比，證明了PDE模塊的正確性，可以為利用PDE模塊求解多物理場耦合問題提供一定的參考。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202406/attachment/58f8a7e3c67a4b249c4f47469e65999a.jpg" style="text-align: center">
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展開 鋁電解槽多物理場耦合分析之電-熱-結構耦合計算
為了節省計算時間，計算熱應力時采用半槽模型進行計算。
圖3 熱應力計算模型
（1）溫度分布邊界直接由電熱場計算結果導入。
（2）位移邊界為AB梁底部的支柱固定。
（3）所施加載荷為：
重力加速度9.8m/s2
槽內熔體的壓力：
上部結構壓力
圖 4 溫度分布由熱場計算結果導入
3 后處理結果和分析
電解槽的總位移以及X，Y，Z方向位移如圖5所示。其中X方向為煙道端到出鋁端，Y方向為進電端到出電端，Z方向為豎直方向。總位移最大值為29.8mm，位于陰極炭塊上表面。由于內襯的熱膨脹和陰極炭塊的鈉膨脹，電解槽有上拱的趨勢，中間的炭塊上拱最明顯。
圖5 電解槽位移計算結果
電解槽應力計算結果如圖6所示。最大應力為422Mpa，位于搖籃架拐角處，此處應力集中比較嚴重。
圖6 電解槽Mises應力
4 小結
本文建立了電解槽熱應力-鈉膨脹耦合計算模型，提出了利用傳熱和擴散的相似性來模擬鈉擴散的方法，并根據計算出的鈉濃度分布把鈉膨脹轉化為熱膨脹，模擬了電解槽的鈉膨脹應力和熱應力。模型中考慮了材料非線性、摩擦接觸非線性以及部分保溫內襯的受熱收縮效應，得出了與實際情況比較相近的結果。
展開 在求解多物理場模型時，你應該選擇全耦合還是分步求解？ 附多物理場耦合模型及數值模擬導論下載
“全耦合”特征中使用的迭代求解器。
“分離步驟”特征中使用的直接求解器。
下載地址：多物理場耦合模型及數值模擬導論
結構、流體、熱分析、多物理場耦合、電磁仿真硬件配置探討-1
主要內容
1.有限元分析概述
2.有限元分析模擬計算過程分析與計算特點
2.1有限元前處理（建模、網格劃分）計算特點
2.2有限元求解計算特點與硬件配置分析
2.2.1動態結構（碰撞、爆炸、沖擊等）仿真計算特點
2.2.2靜態結構（強度、振動、耐久、復合材料）仿真計算特點
2.2.3流體力學仿真計算特點
2.2.4多物理場耦合仿真計算特點
2.2.5電磁仿真仿真計算特點
3.工程仿真計算工作站配置推薦
3.1 工作站機型介紹
3.2建模與求解專業硬件配置參考
3.3 工作站建模、求解計算硬件配置推薦
（一）有限元分析介紹
有限元分析（FEA）借助高性能計算機工具，用“數值近似”和“離散化”方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，如求解結構、熱傳導、電磁場、流體力學等連續性問題
有限元法在工程設計和科研領域得到了廣泛的應用，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學研究等各個領域的應用普及，已使設計水平發生了質的飛躍。
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
作動器的結構形式有很多，但工作原理都是相同的，且大都包含鐵心、線圈、銜鐵和彈簧等基本組成部分。
工作原理
電磁閥斷電狀態
電磁閥通電狀態
上圖中各序號代表的零件名稱及材料見下表。工作介質為3號噴油燃料（航空煤油）。進油口與外部油源系統連通，進油口壓力為10MPa。控油口與壓力控制腔連通，故控制口壓力沒有定值，隨著電磁閥的工作狀態而改變；回油口與油箱連通，出油口壓力為0.3MPa。
當線圈繞組斷電時，在彈簧力及液動力作用下推動序號12，序號8和序號5一起向左運動，當運動到序號5的端面與序號2的孔底端面貼合時停止運動，此時進油口與控制口相通，油液通過進油口和控制口流入控制腔，回油口與油箱連通，如圖一所示。當線圈繞組通電時，在電磁力作用下，電磁力克服彈簧力及液動力，使序號12，序號8和序號5一起向右運動，當運動到序號5的端面與序號9的端面貼合時停止運動，此時控制口與回油口相通，控制腔內的油液通過控制口和回油口流回油箱，如上圖所示。
電磁閥額定電壓為27V DC，額定工作壓力為10MPa，線圈匝數為2500匝，線圈電阻為55Ω。
電磁閥零件名稱及材料
多物理場耦合計算分析流程
ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。
展開 數學模型與非線性的定義——《非線性計算與多物理場耦合》系列課程之一
本節課是“非線性計算與多物理耦合”系列課程的第一課，“數學模型與非線性的定義”。課程內容分為3個內容：
1.數學物理模型與有限元解。
2.非線性的定義。
3.非線性方程組的求解。
分別圍繞下面三個問題展開：
1.實際物理問題與數學模型之間的關系，怎么去建立或定義一個有效的數學模型，其與有限元方法的關系是什么？
2.我們為什么需要考慮非線性，非線性的數學關系式是什么，在有限元算法中體現在什么地方？
3.怎么運用基礎的Newton-Raphson方法去求解非線性方程組？
在視頻的中間穿插講述了本系列課程的基本框架，也就是一步一步非線性研究的每一個遞進關系的知識點，帶大家一步一步掌握非線性計算的相關知識。
此課附件包含兩個基于Julia寫的兩個代碼（Julia的安裝與基本操作視頻看完主頁的julia課程），PPT和完整視頻（免費完整視頻在我主頁課程里面），免費分享給大家，希望有興趣，覺得此視頻還有點用的同學關注我，后續會有更加精彩的內容。
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第一課 .pdf
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
作動器的結構形式有很多，但工作原理都是相同的，且大都包含鐵心、線圈、銜鐵和彈簧等基本組成部分。
工作原理
電磁閥斷電狀態
電磁閥通電狀態
大咖慧網絡培訓
2022年9月27日-28日，安世亞太大咖慧推出ANSYS閥門仿真專題免費線上培訓，專題講座包含：電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理、球閥的參數化流場仿真及優化，不容錯過。
上圖中各序號代表的零件名稱及材料見下表。工作介質為3號噴油燃料（航空煤油）。進油口與外部油源系統連通，進油口壓力為10MPa。控油口與壓力控制腔連通，故控制口壓力沒有定值，隨著電磁閥的工作狀態而改變；回油口與油箱連通，出油口壓力為0.3MPa。
當線圈繞組斷電時，在彈簧力及液動力作用下推動序號12，序號8和序號5一起向左運動，當運動到序號5的端面與序號2的孔底端面貼合時停止運動，此時進油口與控制口相通，油液通過進油口和控制口流入控制腔，回油口與油箱連通，如圖一所示。當線圈繞組通電時，在電磁力作用下，電磁力克服彈簧力及液動力，使序號12，序號8和序號5一起向右運動，當運動到序號5的端面與序號9的端面貼合時停止運動，此時控制口與回油口相通，控制腔內的油液通過控制口和回油口流回油箱，如上圖所示。
電磁閥額定電壓為27V DC，額定工作壓力為10MPa，線圈匝數為2500匝，線圈電阻為55Ω。
電磁閥零件名稱及材料
多物理場耦合計算分析流程
ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。
展開 