多物理場仿真的案例
討論有獎 | 多物理場仿真可以有效解決復雜系統問題嗎？
多物理場仿真是一種綜合利用多個物理學領域的數學模型和仿真方法，以模擬復雜系統中不同物理場之間的耦合作用。它在工程設計、產品優化和材料研究等領域有廣泛應用。
然而，多物理場仿真面臨建立準確的物理模型、處理耦合問題和對計算資源的要求等困難。多物理場仿真在解決復雜系統耦合問題的有效性是一個值得探討的話題。
本周討論話題：多物理場仿真是否是CAE的未來發展方向？它能否準確分析不同物理場之間的耦合效應？多物理場仿真有何困難，如何提高仿真效率？
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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 Comsol多物理場仿真軟件在滑坡數值模擬中的運用
而Comsol作為一款多物理場仿真軟件，其“多孔彈性”接口很好的做到了達西定律與固體力學的耦合，對于評估流體導致巖土體的變形有很大的優勢?；诖?，文中以某實際滑坡案例為基礎，利用Comsol多物理場數值模擬軟件對滑坡進行了流-固耦合計算，獲取了滑坡的變形破壞機理及特征。
關鍵詞：Comsol多物理場仿真軟件;流-固耦合;滑坡;
引言
Comsol多物理場仿真軟件，涉及電氣、結構、聲學、流體、傳熱等各個學科領域，對流-固耦合計算有天然的優勢。對于針對滑坡問題中流-固耦合計算他有專門的計算接口“多孔彈性”接口，該接口主要對達西定律與固體力學進行了耦合。多孔塌陷模型主要描述了多孔介質中流體與基體變形之間的相互作用，基體中流體的變化將產生流體壓力或同等水頭。因此在模擬水對巖土體作用時，其所采用的本構方程具有極大的優勢。
西南某滑坡處于淺層變質巖區域，該區域年降雨充沛，基巖裂隙十分發育。因此，地下水較為發育，滑坡區內可見多出下降泉。研究區內主要分布巖性較為單一，為粉砂質泥巖，是地下水主要賦存介質。經實地調查，該滑受地下水影響明顯，因此有必要進行流-固耦合計算?；诖耍闹羞x用Comsol多物理場仿真軟件對該滑坡進行了流固耦合計算，分析了地下水對滑坡的作用特征與機理[1]。
一、軟件介紹
COMSOL Multiphysics是一款通用的多物理場耦合仿真軟件，內部提供完全耦合的多物理場和單物理場建模功能、仿真數據管理，可用于工程、制造和科學研究的絕大多數領域。涉及電磁、結構&聲學、流體&傳熱、化工等四個大專項，下含結構力學模塊、巖體力學模塊、多孔介質流模塊、地下水流模塊、管道流模塊、波動光學模塊、射線光學模塊、等離子體模塊、半導體模塊等36個模。內置耦合物理場外，還可自定義物理場方程以進行多物理場耦合分析[2,3]。
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 
用戶作品賞析 | 多物理場仿真技術在重大直流工程中的應用
內容簡介
本次將結合南方電網公司特高壓直流工程建設實踐，分享了多物理場仿真技術在重大直流工程設計校核、生產試驗、運行維護階段的具體典型應用，包括特高壓柔直換流閥塔電磁設計、穿墻套管多物理場設計校核、高地震烈度換流站金具抗震解耦優化設計、橋臂電抗器結構過熱的設計優化、直流分壓器內外絕緣放電等典型案例，為仿真技術的工程深度應用提供了參考。
關于作者
程建偉 | 南方電網科學研究院有限責任公司高級工程師
全國互感器標準化技術委員會（SAC/TC 222）委員，中電聯輸變電設備仿真技術標準化技術委員會（CEC/TC32）委員、發起人，廣東省青年科學家協會會員，南方電網公司勞動模范、創新先進個人，南網科研院高潛戰略人才、設備多物理場仿真團隊首席研究員（PI），南網科研院優秀黨員、十大杰出青年。
從事設備多物理場仿真技術研究十余年，參與了世界首個特高壓多端混合直流輸電工程昆柳龍直流工程技術攻關，是特高壓柔直換流閥電磁設計攻關組技術負責人，目前工程已全面投產；主持實施了特高壓閥廳金具國產化項目并獲遼寧省科技進步二等獎。擔任學術兼職5項，獲得主要榮譽獎勵11項（省部級7項），參編頒布國家標準2項、團體標準1項，申請發明43項（授權9項），授權實用新型專利36項，登記軟件著作權15項，發表論文34篇（EI 21篇）。
展開 “COMSOL軟件+多物理場耦合仿真”培訓第十期：網格/流動傳熱/光電/力學/電磁場分析/經典案例
各企事業單位、高等院校及科研院所：
COMSOL是一款大型的高級數值仿真軟件，廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，在多物理場耦合分析方面有其獨到的優勢，因此被應用于各個相關科研和產品研發領域，在我國擁有非常廣闊的前景。多物理場耦合仿真分析是近年來應用比較廣泛的有限元仿真分析方法，大大的縮短了產品研發周期，提高科研效率。為進一步推動高等院校、科研院所及企事業單位在COMSOL多物理耦合研究工作的開展，中科軟研（北京）科學技術中心（http://www.fzby.org.cn/）特邀一線專家共同舉辦COMSOL通用多物理場耦合仿真核心技術應用與案例實戰在線培訓班。本次培訓課程從幾何創建、交互式網格剖分技術、模型設定、后處理、多物理場模擬等方面進行了介紹，并結合實際案例進行了詳細的講解和具體的操作指導。由中科軟研（北京）科學技術中心主辦、北京富卓佰揚科技有限公司承辦。具體事宜如下：
1 培訓目標
1、能夠利用COMSOL軟件進行具體項目和科研工作的開展；
2、對配套的專業多物理場仿真理論有較深的理解，并掌握軟件的使用。
3、通過原理解析、大量實例操作強化應用，提升學員解決實際工程問題的能力。
4、建立學員微信群，學完后可以繼續在群里與主講老師、同學交流問題，鞏固學習內容。
注：參加線上培訓，以后本人可以免費參加相同線上及線下課程，不限次數、學會為止！
2 培訓優勢
1、報名繳費后提前獲取電子講義及模型，可提前預習；全程錄制視頻，支持回放；
2、培訓老師理論和工程經驗豐富，我們會結合學員實際需求備課并補充相關內容；
3、培訓結束后，培訓老師留給學員手機和Email，提供技術支持，充分保證培訓后出效果。
3 培訓專家
中國科學院、清華大學、四川大學等科研機構的高級專家。
展開 多物理場仿真服務
多物理場仿真建模+分析+報告撰寫服務#發布技能來賺錢 本人畢業于985高校，有5年的多物理場仿真建模經驗，擅長變壓器“電磁-流體-溫度”多場仿真分析、套管\電纜“電-熱-流”多場仿真分析、電力裝備聲場仿真分析、絕緣介質電樹枝仿真分析、風機電場仿真分析、絕緣介質空間電荷分布仿真
COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真專題線上培訓班
COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真專題線上培訓班
前沿資訊
COMSOLMultiphysics可以求解多場問題，完全開放的架構，任意獨立函數控制的求解參數，專業的計算模型庫，全面的第三方CAD導入功能，強大的網格剖分能力，大規模計算能力，豐富的后處理功能，專業的在線幫助文檔，多國語言操作界面，因此被應用于各個相關科研和產品研發領域
一、培訓背景
由于很多初學者對于comsol電磁場及多物理場耦合仿真建模上手慢，更多的是無從下手，再加上學習視頻資料稀缺，以及各大交流解疑平臺咨詢的問題遲遲無人協助解疑，想通過仿真來完成自己的科研項目或者論文更是困難重重，應廣大comsol使用者要求，本單位特此舉辦 “COMSOL Multiphysics電磁場與多物理場耦合仿真”專題線上培訓班
二、培訓目標
通過本次培訓讓學員建立一種基本的數值模擬的思維，了解數值模擬的本質原理；不僅能熟練掌握COMSOL軟件操作運用和操作細節以及在仿真中常遇到的操作問題，還能夠通過所學進行類似工程問題的應用研究，達到更深入的科研理論研究
三、培訓對象
全國各大高校，科研院所，公司等從事物理場建模仿真的老師同學
適合參加培訓學員對象：
（1）剛接觸comsol還未安裝軟件 （2） 用了一段時間但是基礎較差
（3.）
展開 多物理場仿真降低了汽車噪音
為了解決這個問題，工程師使用多物理場仿真軟件來分析如何降低汽車噪音。
其實，行駛中車內的噪音并不是單一的某種噪音，而是多種噪音疊在一起形成的。主要噪音來自發動機噪音、路噪、胎噪、風噪、空調噪音、其他噪音等。這幾種噪音在不同車速、路面情況下此消彼長，構成車輛整體噪音。
有以下幾種情況會產生汽車噪音。當風吹到外表面時，噪音通過汽車的部件傳遞到機艙內部。這被稱為側翼噪音，是高速公路上汽車噪音的主要原因。在車輛周圍流動的湍流空氣導致擋風玻璃和車窗振動，并且接觸道路的輪胎和與汽車操作相關的其他機械噪聲（例如發動機）也會增加汽車的整體噪音。
如何實現更安靜的行駛
上文說道擋風玻璃會引起噪音，因此確定哪種玻璃表面引起的汽車噪音最小是至關重要的。工程師們進行空氣動力學和振動聲學仿真，以不同的速度分析汽車前部玻璃傳聲的效果。
他們利用多物理場仿真分析測試，修改了前擋風玻璃和前側窗的設計，以及玻璃的類型，并成功降低了噪音水平。而這個過程中，工程師希望將其設計和測試效率提高30％至50％。
汽車噪音降低了，會直接提高客戶滿意度和安全感?？祵幷谑褂?em>多物理場仿真技術改進其設計流程，從而具有了一定的競爭優勢和縮短上市時間。
利用仿真進行振動聲學研究
振動聲學的工作包括工程師對源數據的后期處理。CFD表面壓力被檢測到指定區域。數據被導入、處理和可視化成噪聲結果。
工程師可以將其壓力分布時間歷程轉換為波動的表面壓力負載或輸入到頻域的功率。然后將波數光譜直接應用于模型。
然后在車架中的結構和流體上測試這些對流和聲學載荷，以評估機艙內的噪音。工程師可以通過最小化汽車內的噪音來使用這些數據來優化汽車的設計。
展開 多物理場仿真助力精確評估并優化麥克風與換能器設計
為了制造高質量設備，來自英國 Brüel＆Kj?r 公司的研究團隊使用多物理場仿真對麥克風和換能器設計進行了建模。
聲學與振動測量的領導者：Brüel & Kj?r 公司
Brüel & Kj?r 是聲學與振動測量行業的領導者，領先行業長達 40 余年，服務對象包括空客、美國國家航空航天局、法拉利等知名客戶。他們向市場推出了工作標準麥克風及針對具體應用的定制麥克風等，覆蓋從次聲到超聲波等頻率范圍。針對每款應用和各個頻段，總有多種因素會影響麥克風設計的性能。
4134 型麥克風，膜片上方覆蓋了網格保護層。
當聲音進入麥克風后，聲壓波可使膜片振動，振動隨即轉換為聲音分貝。這個過程意味著麥克風的建模需要同時考慮到緊密耦合裝置中的力學、電氣和聲學現象——只有借助多物理場仿真工具才能實現。為了判斷麥克風的設計是否具有良好的一致性和可靠性，Brüel & Kj?r 在設備精度測試、新設計驗證階段采用了 COMSOL Multiphysics? 軟件。
使用多物理場仿真評估麥克風設計
如下圖所示，Brüel & Kj?r 推出的 4134 型電容式麥克風是開發電容式麥克風時常用的原型。電容式麥克風建模涉及到對膜片運動、膜變形、共振頻率以及粘滯與熱聲損耗進行模擬。由于麥克風尺寸小，縱橫比大，因此熱損耗和粘滯損耗會大大影響其性能。綜合上述因素，一個準確的模型必須包含大量細節。
4134 型麥克風的幾何模型顯示了簡化的扇形幾何中的網格。
為了保持精確度，同時縮短計算時間，研究人員在計算熱應力和共振頻率時利用了模型的對稱性。聲壓仿真可以采用相似的方法，但前提是聲音沿膜片法向入射。若聲波為非法向入射，則可以使用非對稱邊界條件。
完成了 4134 型麥克風的仿真驗證后，研究人員還使用了難以在現實中觀察到的參數對其他型號進行了模擬。
展開 中望全資收購英國商業流體仿真軟件PHOENICS 持續完善多學科多物理場仿真解決方案
10月8日，廣州中望龍騰軟件股份有限公司（以下簡稱“中望軟件”）發布公告，宣布以全資控股方式收購英國老牌商業流體仿真軟件開發商Concentration,Heat and Momentum Limited（以下簡稱“CHAM”）。
本次收購完成后，中望軟件將擁有CHAM公司旗下流體仿真軟件PHOENICS的全部源代碼及核心技術，其在英國、日本的研發及業務團隊也將全員加入中望軟件，與中望團隊一起共同為全球PHOENICS客戶提供服務。至此，中望正式進入商業流體仿真領域，加速打造涵蓋結構、電磁、流體在內的中望多學科多物理場仿真解決方案。
▲中望軟件董事長杜玉林（左5）與CHAM英國部分團隊
01
PHOENICS
世界第一款計算流體力學與計算傳熱學商業仿真軟件
CHAM由全球計算流體力學與計算傳熱學（簡稱“CFD”）學科奠基人D.B.Spalding教授于1974年創立，主要從事商業CFD軟件開發與技術咨詢服務。1981年，CHAM發布了世界上第一款通用的計算流體力學與計算傳熱學商業仿真軟件PHOENICS。自此，CFD開始在各個工業領域發揮越來越多的助力作用。
展開 
多物理場仿真 | Universal Robots開發協作式機械臂助力未來工業設備
仿真則使UR能夠在重量和剛度之間保持最佳平衡。
Taber表示：“正因為如此，我們使用Ansys技術進行結構優化，以最大限度地提高剛度、減輕重量并最大限度地提高性能，同時確保我們滿足所有的結構要求，而這些工作都是在構建物理原型之前就完成的?！?與采用帶有可拆卸蓋的開放式設計的UR其它型號不同，最新的關節設計采用增強型全封閉殼體以增加剛度此外，該團隊還在UR20中實施了運動控制功能，以便更好地監控和管理有效載荷能力，從而確保安全性。
Taber表示：“UR20是Universal Robots的首款新一代工業協作式機器人。從支持新的主動減振功能的軟件，到能夠在封閉殼體內提高速度和扭矩性能的關節動力總成系統，我們都進行了重新設計。我們把在制造和銷售50,000多個協作式機器人的過程中獲得的豐富經驗和知識，全部應用于創建UR有史以來最出色、最強大的協作式機器人。”
UR20是Universal Robot首款新一代機型，與早期機型相比，其零件減少了50 %，并且連接結構更加耐用
涉及多物理域的系統需要多物理場仿真
協作式機器人和機器人是相對復雜且高度耦合的多物理場系統。因此，Taber表示，Ansys多物理場仿真是UR仿真功能的重要組成部分。
展開 2025大賽優秀作品 | 基于多物理場仿真技術的高速動車用功率器件主端子連接結構設計與評價
“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應用大賽優秀作品展示
本屆仿真應用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業最佳實踐獎。近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創新實踐，充分展現了仿真技術的無限潛能。我們將陸續為大家分享獲獎佳作，帶您一同領略仿真賦能創新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。
作品名稱：基于多物理場仿真技術的高速動車用功率器件主端子連接結構設計與評價
作者： 曾祥浩 | 中車株洲電力機車研究所有限公司 仿真高級工程師
關鍵詞：高速動車 ，IGBT，多物理場仿真，Ansys
作者說
Ansys人機交互友好，界面簡潔，使用邏輯符合仿真一般流程。同時，Ansys包含多個功能模塊，能夠支持機電熱磁多物理場仿真，功能強大，是仿真融入正向研發，指導故障分析的重要幫手。
為了提高高速動車服役環境下功率器件主端子連接結構的服役可靠性，本文通過有限元分析對IGBT器件主端子結構焊層的疲勞可靠性進行研究，并且運用不同的理論預測焊層疲勞壽命并通過功率循環試驗進行了驗證。結果表明，隨著主端子焊層孔洞率的增加，循環周次會降低，但影響并不明顯。隨著主端子焊層厚度逐漸增加，循環周次呈現出先增加后減少的變化規律。在功率循環過程中，主端子結構焊層的退化表現為灰色含Sn相的粗化，采用基于能量的Darveaux模型進行分析更加符合功率器件主端子結構焊層的退化過程。故在主端子結構中，影響其服役壽命的主要因素為焊層厚度。
挑戰/需求
IGBT廣泛應用于軌道交通等高可靠性領域，其封裝熱應力引發的失效多發生在連接部位。
展開 使用多物理場仿真研究激光與材料的相互作用
L-CVD的速度和溫度場，顯示與前驅體流動相關的速度曲線（左）和汽化硅的速度流線（右）。
基于仿真研究激光與材料相互作用的好處
已經使用紅外微整形對 NIF 激光器中的大約 13 萬個損傷點進行了修復，部分是利用研究人員的多物理場仿真結果進行的優化。這使得該項目中的光學器件得以循環使用，并大大降低了項目成本。LLNL 的團隊還支持整個實驗室的用于3D 打印的增材制造計劃，這有可能是比修復損壞的光學器件具有更深遠意義的應用。
本文來自 ：COMSOL 博客
自主通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）及伏圖電子散熱模塊上架華為云商店
CraftArts基于統一的數據底座，匯聚華為與伙伴廠商的開發工具能力，提供設計、開發、仿真、試制等作業的一站式IT工具鏈，共同服務電子、汽車、裝備、新能源等千行萬業，加快新一代工業軟件驅動研發創新，賦能制造業高質量發展。
云道智造仿真產品上線CraftArts SIM，將與華為云共同提供優質仿真生態產品云服務，通過結構、流體、電磁、系統仿真及多物理場仿真能力，幫助企業提高仿真工作效率，滿足企業快速多變彈性的仿真需求。
通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）
云道智造獨立打造了自主可控的通用仿真引擎，開發了通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid），為電子電力、石油石化、航空航天、汽車船舶、裝備制造、軌道交通等重點行業提供自主可控的仿真解決方案。
伏圖（Simdroid）軟件界面
伏圖具備自主可控的隱式結構、顯式動力學、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。
產品功能
申請試用：
https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid
伏圖電子散熱
云道智造基于根技術平臺開發的伏圖電子散熱模塊，對標國際主流商業軟件，已在國內電子通信龍頭企業、芯片企業得到標桿性應用，并面向相關行業領域進行推廣。
展開 