耦合的案例
CAE黑話：耦合場/順序耦合/直接耦合/流固耦合(FSI)
做CAE仿真，理清各類“耦合”概念是跨入多物理場分析的第一步。今天直接拆解4個核心黑話，建議工程師在做復雜系統(tǒng)仿真前明確這些基本定義。
耦合場 (Coupled Field) 真實物理世界中，聲、熱、力、電磁等物理場往往不是孤立存在的，它們相互影響的過程就是耦合。例如電機發(fā)熱導致結構熱膨脹，這就涉及到電磁-熱-力多場耦合。
順序耦合 (Sequential Coupling) “串聯(lián)”解法。先計算物理場A，將A的結果（如溫度分布）作為外部載荷提取出來，單向傳遞給物理場B（如結構場）進行求解。優(yōu)點是計算成本低，適用于單向影響主導的場景。
直接耦合 (Direct Coupling) “并聯(lián)”解法。將多個物理場的自由度放在同一個大型剛度矩陣中，在一個求解器里同步迭代求解。適用于物理場之間相互作用強、必須實時反饋的場景（如壓電效應）。精度極高，但極度消耗計算資源。
流固耦合 FSI (Fluid-Structure Interaction) 工程中最常見的一類耦合。流體的流動產生壓力使固體發(fā)生變形，而固體的變形又反過來改變了流體的流場（如風機葉片形變、橋梁風振）。按反饋程度也分為單向FSI和雙向FSI。
展開 【Lumerical系列】用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
<p>本期文章將介紹一種集成微透鏡輔助光柵耦合器（ML-VGC）的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率<sup>[1]</sup>。利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個標準的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。</p><p><br></p><p><strong>引言</strong></p><p><br></p><p>從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰(zhàn)。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優(yōu)點，從而實現(xiàn)晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統(tǒng)的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統(tǒng)光柵耦合器由于角度對準所占據(jù)更多的空間。</p><p><br></p><p><strong>研究現(xiàn)狀</strong></p><p>現(xiàn)有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵<sup>[2]</sup>來實現(xiàn)非對稱衍射，打破光柵區(qū)域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設計優(yōu)化出最佳參數(shù)，從而產生獨特的光柵結構，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示<sup>[3]</sup>，這些逆向設計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
展開 多場耦合算法中的強耦合與弱耦合
多場耦合問題，建立多場之間控制方程和邊界條件后，需要進行多場耦合計算，多場耦合按其求解算法可分兩種：強耦合與弱耦合。（也可以稱之為直接耦合與順序耦合）。強耦合一般是指場與場之間相互作用很強，需要同時求解所推導的多場控制方程組的多個方程，強耦合能夠獲得準確的各場待求變量。而弱耦合解法則是在每個增量步內交替求解單個場的控制方程，即先算一個場，后算另一個場，也就是在單個增量步并未考慮多場耦合作用，從而大大加快計算速度，這種算法相當于在增量步內解耦。
優(yōu)缺點： 強耦合解法精度高，計算成本大。
弱耦合解法計算效率高，計算精度差。
弱耦合的局限性： 特別是在一個場變量對另一個場影響較大的情況下，比如一個場變化會導致另一個場的變量劇烈變化，在這種情況下可能引起求解的穩(wěn)定性問題，因為在這種情況下，應該在每步迭代中需要考慮一個場的改變對另一個場的影響，然而在每個增量步內交替計算單個場的時候，是無法考慮這種場與場之間的影響的 。
comsol里面內置了很多模塊，將這些應用模塊聯(lián)系起來，可以很容易地耦合各個模塊建立自己想要的多物理場方程，通過不同模塊，選擇方程聯(lián)立方程組。然后系統(tǒng)對方程組離散為一個總剛，收集各個場的貢獻，然后對系統(tǒng)離散后的方程組求解，得到各個物理場的待求變量。; Z) q( {. [- s7 ^7 V% o& `
需要指出的是，comsol對每個場或者每個模塊，都存在有限元描述，但這個描述只是象征性的，實際求解的時候并不是用的單個場的有限元描述，而是收集多個場貢獻后，形成總剛而求解。
展開 淺談流固耦合<2>：ANSYS中的流固耦合
在ANSYS軟件中使用流固耦合計算是很方便的。
在ANSYS中，進行流體計算的軟件主要是FLUENT與CFX，而參與固體力學計算的模塊主要是APDL（俗稱的經典模塊）與Mechanical。這四款軟件的中流體計算模塊與固體計算模塊的相互組合，即可構成流固耦合計算方案。由于本人對于APDL的耦合計算應用較少，因此本次不打算討論APDL在流固耦合上的應用。
前面提到，流固耦合計算可分為單向耦合與雙向耦合，利用CFX或FLUENT與Mechanical的聯(lián)合仿真，可以實現(xiàn)單向耦合和雙向耦合。（需要注意的是：14.0之后的版本中才允許FLUENT通過System Coupling模塊與Mechanical實現(xiàn)雙向耦合計算，在之前的版本中FLUENT只能做單向耦合）。
1、單向耦合
單向耦合指的是只有一方求解器向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)信息，另一方并不反回數(shù)據(jù)。分為兩種情況：
（1）流體求解器向固體求解器發(fā)送壓力及溫度數(shù)據(jù)。這是最常見的單向耦合計算。通常用在固體熱應力計算，或計算流體載荷在固體上產生的應力。一般來說這種計算都是基于固體小變形假設，也就是說固體的形變對流場產生的影響可以忽略。
（2）固體變形對流場的影響。這種情況在實際計算過程中很少應用到，因為流體計算中的動網格功能完全可以滿足要求。
2、雙向耦合
雙向耦合應用于流體作用于固體變形耦合強烈的領域。通常需要考慮到固體變形對流場的影響。分為兩種情況：
（1）擾動由流體引起。即流體流動導致固體變形，固體變形引起流場的擾動。如渦激振動就是一種典型情況。
（2）擾動由固體引起。固體變形引起流體流場擾動，之后流體流場反作用與固體變形，研究其相互作用。
這兩種情況在實際應用中都會經常遇到。
OK，下面談一下如何在ANSYS中解決這幾類耦合問題。
展開 
abaqus熱力耦合---順序（間接）耦合和完全（直接）完全耦合的結果對比 ￥200
<p> 前言</p><p>使用abaqus分析熱力學計算的例子很多，但是并沒有見有人發(fā)過順序耦合和直接完全耦合的對比，而且網上關于熱力耦合分析的教程又很少，而相關書籍上一般都用預定義場分析均勻溫度場，但是對于梯度載荷需要用到順序耦合或完全耦合。
展開 ansys流固耦合分析與工程實例 附ANSYS流固耦合分析與工程實例下載
其中，雙向耦合因為求解順序的不同又可分為順序求解法(Sequential solution)和同時求解法(Simultaneous solution)，下圖簡單概括了基于 ANSYS 的耦合分析。
Lumerical Mode分析鈮酸鋰定向耦合器的側壁傾角對耦合效率的影響
在計算中，小編也發(fā)現(xiàn)側壁垂直的模型建立起來比較簡單，得出的結果也比較好，如下圖所示，定向耦合的兩個端口耦合效率區(qū)分度非常高的，波長1550nm處的區(qū)分度可以達到100%。此時的光場分布也顯示出定向耦合器的單向性。
（二）側壁傾斜
然而，當保持其他參數(shù)不變的條件下，使得鈮酸鋰波導側壁從垂直變化到傾斜，情況卻發(fā)生比較大變化。入射光此時并不能只耦合到輸出口中的一個了，而是兩個口均有光輸出。這與側壁保持垂直的情況有所不一樣。此時，光場分布也證實了這點。
（三）不同傾斜角的耦合效率
為了進一步考察側壁傾角對耦合效率的影響，小編把傾角改為40°、50°、60°、70°、80°和90°做比較，如下圖所示。側壁較陡直(側壁角一般60—80°)，入射光傳輸?shù)蕉丝?，實現(xiàn)波導間的耦合，這在很多功能器件中至關重要。而波導側壁平緩(側壁角一般小于50°)，入射光傳輸?shù)蕉丝?比較端口2更容易，這就說明不易于實現(xiàn)波導間耦合。
（四）耦合距離的優(yōu)化
為了優(yōu)化耦合距離，小編選取了鈮酸鋰實驗樣品比較常見的側壁傾角=65作為考慮對象，并且采用參數(shù)掃描方式改變Lc，獲得兩個端口的耦合效率對比，如下圖所示
到最后，總的來說，這篇推文通過簡要的說明和圖片來闡述一件事：鈮酸鋰光子器件在設計時要考慮加工帶來的側壁傾角的影響，這是需要進行分析的。當然，也說明可以通過增加光器件的耦合長度來降低側壁傾角帶來的影響。
參考文獻：【1】薄膜鈮酸鋰集成非線性光學：走向全光信息時代的新路徑
【2】鈮酸鋰光子芯片的制造技術路線
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡。
展開 【流固耦合】翼傘后緣偏轉過程的流固耦合動力學特性
翼傘后緣偏轉的操縱過程會顯著改變翼面的整體氣動布局，同時需要多根操縱繩精確協(xié)同控制，是典型的氣動與結構緊耦合問題，涉及到的動力學問題復雜多變。對于翼傘系統(tǒng)操縱過程的動力學機理問題研究一直是降落傘領域的關鍵技術和熱點問題。
本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉過程進行動力學建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉過程、傘衣結構場和周圍流場的時變演化規(guī)律及分布特性，為進一步指導大型翼傘精確空投系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設計和技術應用提供參考。
流固耦合建模
本文所研究的翼傘后緣偏轉過程是針對充滿鼓包狀態(tài)的翼傘三維模型進行的。翼傘系統(tǒng)包括傘衣、傘繩和掛重載荷，幾何模型如圖 1 所示。實際流固耦合仿真過程只考慮傘衣結構與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉過程承受拉力，且通過傘繩施加后緣下拉過程的作用力載荷；忽略傘繩與周圍流體的耦合作用和繩索的阻尼效應。
圖 1 翼傘系統(tǒng)三維幾何模型
仿真方法驗證
為避免因流體和結構單元之間尺寸差異過大而導致顯式動力學積分過程可能出現(xiàn)的非物理特征“沙漏現(xiàn)象”，進而引起計算發(fā)散，流場網格尺寸與結構網格尺寸盡量接近1∶1，如圖 2 所示。
圖 2 翼傘氣室流固耦合仿真網格模型
本文采用 S-ALE 求解方法對流固耦合模型進行仿真計算，S-ALE 方法與傳統(tǒng) ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運、界面重構和歐拉流場與拉格朗日結構相互作用的流固耦合過程。不同的是，在網格的處理方法上，S-ALE 方法采用自動生成網格技術，即流場網格根據(jù)控制點設定的方向、增長率、網格尺寸、網格密度等參數(shù)在仿真過程中隨著時間步的推進逐漸產生，仿真前無需單獨建立流場網格。這可以極大減小網格處理時間并提高計算效率。
展開 Lumerical系列|用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
本期文章將介紹一種集成微透鏡輔助光柵耦合器（ML-VGC）的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率。利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個標準的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。
引言
從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰(zhàn)。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優(yōu)點，從而實現(xiàn)晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統(tǒng)的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統(tǒng)光柵耦合器由于角度對準所占據(jù)更多的空間。
研究現(xiàn)狀
現(xiàn)有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵來實現(xiàn)非對稱衍射，打破光柵區(qū)域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設計優(yōu)化出最佳參數(shù)，從而產生獨特的光柵結構，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示，這些逆向設計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
圖1 不同類型的垂直光柵耦合器結構。（a）階梯型光柵；（b）逆向設計型光柵
工作原理及仿真結果
本期文章要介紹的是一種微透鏡輔助的垂直光柵耦合器，其結構如圖2所示。該器件是由SOI切趾的光柵耦合器，包層和柱面微透鏡組成。其中，包層不僅可以保護光柵，還可以幫助控制入射光的角度。
展開 耦合在電路中的作用是什么？為什么需要耦合？
（篇幅限制，只展示3個課程）
復制這段話到TaoBao打開即可見↓
1.0 ha:/??bELdXgm5iaX?? 凡億教
我們在學習和生活中經常會遇見能量的相互傳送問題，其實在電路中，能量也是需要被相互傳送的，這里要提到“耦合”的概念。
耦合是指把能量從一個電路傳送另外一個電路中去，耦合在模擬電路和數(shù)字電路中非常常見，微弱的信號可以耦合到放大電路進行放大，經過放大的信號同樣可以通過耦合進行輸出。
耦合是兩個功能電路的連接橋梁，可以實現(xiàn)信號和能量的傳遞。常見的耦合電路有直接耦合電路、電容耦合電路、光電耦合電路和變壓器耦合電路。
下面通過一些實例，來跟大家一起探討下耦合在電路中的作用。
展開 基于Ansys WB耦合場瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析（案例：剎車盤）
基于Ansys WB耦合場瞬態(tài)模塊的熱-力耦合分析
1、引言
熱-力耦合分析根據(jù)其耦合的方式一般分為順序耦合和完全耦合；順序耦合是單向的，如已知溫度計算結構體的變形、應力、應變等；而完全耦合是雙向的，如剎車盤制動過程，盤片與摩擦片的摩擦生熱，熱又導致盤片變形，變形的盤片進一步影響盤片和摩擦片的接觸關系，又進一步的影響摩擦生熱，即力→熱→力→......熱力雙向耦合。
隨著Workbench軟件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合場分析模塊，無論是順序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大簡化了分析流程。本文采用耦合場瞬態(tài)模塊進行完全熱-力耦合分析。
圖1 WB耦合場模塊
2、三維模型搭建與網格劃分
利用solidworks對剎車盤進行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預定距離為1mm，如圖2所示，導入Hypermesh中進行幾何清理（將小孔、窄邊等進行優(yōu)化）和網格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網格兼容性較好，因此Hypermesh導出網格類型為Abaqus的.inp文件。在這里不再過多的介紹前處理部分，主要針對耦合場的搭建與分析。
圖2剎車盤三維模型
圖3 剎車盤網格劃分
3、耦合場分析搭建
從外部導入.inp網格文件，搭建分析流程，如圖4所示。
圖4 分析流程搭建
3.1 材料定義
材料屬性的定義，參考論文[1]所給出的參數(shù)，如下表所示。
對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數(shù)、熱傳導系數(shù)是三個必要的熱力學參數(shù)。
展開 
耦合裝藥與不耦合裝藥流固耦合模擬 ￥50
耦合裝藥結構
不耦合裝藥結構
耦合裝藥
不耦合裝藥
耦合裝藥
不耦合裝藥
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(shù)值模擬導論下載
全耦合與分離求解方法
在求解多物理場模型時，您可以使用軟件中提供的兩種方法來求解用于描述解的方程（通常是非線性）組。
全耦合方法會形成一個大型方程組，用于求解所有未知量（場），并在單次迭代中一次包含未知量（多物理場效應）之間的所有耦合。
另一方面，
分離方法不會一次求解所有未知量。相反，該方法將問題細分為兩個或更多分離步驟。每個步驟通常表示一個物理場，但有時，即使是一個物理場也可以細分為多個步驟，有時一個步驟可以包含多個物理場。這些單獨的分離步驟小于通過“全耦合”方法形成的完整方程組。“分離”步驟在單次迭代中按順序進行求解，因此需要較少的內存。
在許多情況下，軟件會自動選擇分離方法，在求解三維模型時尤其如此。另一方面，對于大多數(shù)二維模型，軟件默認使用全耦合方法。選擇這些默認設置可以實現(xiàn)一般穩(wěn)定性。
無論采用哪種方法求解非線性問題，都是通過迭代方式進行求解。也就是說，系統(tǒng)會反復調用“全耦合”或“分離”方法，然后逐漸收斂到非線性問題的解。由于“全耦合”方法包含未知量之間的所有耦合項，因此與“分離”方法相比，其收斂性通常更好，且迭代次數(shù)更少。但是，每次迭代求解都需要相對更多的內存和時間，因此采用“分離”方法時，總體求解速度會更快。有關求解非線性模型的一般性指導，請參見：
提高非線性穩(wěn)態(tài)模型的收斂性的7種有效方法。
設置全耦合或分離方法
要在當前使用“分離”方法的模型中使用“全耦合”方法，可以展開
研究 > 求解器配置設置，并查找穩(wěn)態(tài)求解器或瞬態(tài)求解器特征。右鍵單擊此特征并選擇全耦合，求解器序列中會出現(xiàn)一個新的“全耦合”特征，而分離式求解器將變灰。
*“全耦合”特征。
要設置“分離”方法，右鍵單擊
穩(wěn)態(tài)求解器或瞬態(tài)求解器特征，并選擇分離以添加新的“分離”特征。
展開 ABAQUS中點面耦合約束的荷載單位
該同學向我提問：在ABAQUS中，點面耦合時在點上施加的力荷載是N的單位還是Pa的單位呢？
我當時一看到這個問題，就想到的肯定是N的單位（當然經過試驗這也確實是正確答案，如果大家只是看答案的話，那么接下來的內容也不必再看了，感謝大家），畢竟施加的荷載名稱是concentrated force，并且我們平時在給耦合點施加位移荷載時，得到的反力也是N的單位。但是該同學糾結于一句話，那就是點面耦合之后，我加到點上的荷載，就相當于加到面上，那是不是我施加到面上的每一點荷載都是N，那么分布開來應該是N/m2，或者N/mm2，即壓強單位。
想解答這個疑問其實很簡單，只需要建立三個簡單的模型（其實更簡單的方法只需要建一個表面比單位尺寸（1*1）大一定數(shù)量的塊體，而后通過對耦合點施加力荷載，看其結果分析量級即可知道答案，但是為了防止偶然性（即單位尺寸的模型），本帖借鑒”Yy“同學的做法，建立三個模型），模型如下：建立100*100*100mm的立方體，隨便給一個材料，立方體下表面完全約束，三個模型網格尺寸相同，分別施加三種上表面力荷載：
1，點面耦合的模型，在耦合點施加數(shù)值為-200的荷載，如下所示：
最終得到應力狀態(tài)如下：
此結果的點面耦合為運動分布，運動學耦合將耦合節(jié)點的運動約束為參考節(jié)點的剛體運動。該約束可以應用于耦合節(jié)點上相對于全局或局部坐標系的用戶指定的自由度。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第一期。首先對端面耦合器進行背景介紹，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡述。
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標準的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產生極大的模場失配，進而產生較大的插入損耗。因此，有效的光纖-芯片耦合是提高整個系統(tǒng)性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。
光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3 dB，并且?guī)捿^窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實現(xiàn)較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關性。
圖1 光纖與光子芯片互連原理圖。（a）光柵耦合器；（b）端面耦合器
工作原理
端面耦合器最常用的結構是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態(tài)尺寸，無法完全限制入射模，相當大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當錐形寬度變大時，它可以支持整個模式，并將電磁場整體限制在錐形內部。總的來說，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
展開 