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作品名稱：基于多物理場仿真技術(shù)的高速動車用功率器件主端子連接結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)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。

一、軟件介紹COMSOL Multiphysics是一款通用的多物理場耦合仿真軟件，內(nèi)部提供完全耦合的多物理場和單物理場建模功能、仿真數(shù)據(jù)管理，可用于工程、制造和科學(xué)研究的絕大多數(shù)領(lǐng)域。涉及電磁、結(jié)構(gòu)&聲學(xué)、流體&傳熱、化工等四個大專項，下含結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊、巖體力學(xué)模塊、多孔介質(zhì)流模塊、地下水流模塊、管道流模塊、波動光學(xué)模塊、射線光學(xué)模塊、等離子體模塊、半導(dǎo)體模塊等36個模。

圖 3 Fluent計算得到的結(jié)果直接加載到Mechanical當然，單向多物理場耦合技術(shù)也可以擴展到包含電磁仿真的耦合計算中。比如在下圖所示的兩種常見多物理場耦合場景中，都采用的是典型的單向（順序）耦合計算方法。圖 4 常見的電磁-流體-結(jié)構(gòu)耦合仿真對于電子設(shè)備行業(yè)中的工業(yè)品，通常我們能夠進行嚴謹?shù)?em>多物理場單向耦合計算，從而有效的提升仿真計算精度。

COMSOL是一款基于多物理場的仿真模擬軟件，在全球各著名高校，COMSOL Multiphysic已經(jīng)成為教授有限元方法以及多物理場耦合分析的標準工具，在全球500強企業(yè)中，COMSOL Multiphysic被視作提升核心競爭力，增強創(chuàng)新能力，加速研發(fā)的重要工具。COMSOL包含了結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊、化學(xué)工程模塊、熱傳遞模塊、CAD導(dǎo)入模塊、地球科學(xué)模塊、射頻模塊等。

NPU及其他專用處理器通常在不同的電壓等級和變化的功耗需求下運行，因此這種復(fù)雜性還體現(xiàn)在跨多個域的電源完整性問題上。另一項挑戰(zhàn)，是芯片中的機械應(yīng)力，因為復(fù)雜結(jié)構(gòu)在裝配和運行過程中會經(jīng)歷熱膨脹和收縮，產(chǎn)生應(yīng)力誘導(dǎo)的參數(shù)漂移，從而影響可靠性和電氣性能。系統(tǒng)設(shè)計涵蓋從納米級晶體管到厘米級封裝以及更廣泛的范圍，因此，多尺度物理挑戰(zhàn)也變得越來越重要。

本次大會CPS多物理場仿真產(chǎn)品分會場，多維度涵蓋從模擬到數(shù)字、從芯片早期RTL到最終系統(tǒng)設(shè)計、從SIPI性能設(shè)計到熱/結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，同時結(jié)合Ansys眾多優(yōu)秀專家的行業(yè)經(jīng)驗，就芯片-封裝-系統(tǒng)（CPS）多物理場協(xié)同相關(guān)問題，帶來最前沿的Ansys解決方案分享，以及針對2.5D/3D-IC的仿真及相關(guān)成功案例。

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。 除了針對疲勞、剛度和重量優(yōu)化結(jié)構(gòu)組件之外，Ansys工具還使UR能夠了解模型之外的情況。 Taber表示：“僅基于單個物理場的仿真很難做出準確的系統(tǒng)級預(yù)測，正因為如此，我們相信Ansys多物理場仿真使我們能夠在開發(fā)流程中，比以前更早地對新設(shè)計開展系統(tǒng)級評估。

目前，Rocky已被集成到Ansys Workbench環(huán)境中，使其能夠與Ansys Fluent和Ansys Mechanical進行耦合，以便分別用于計算流體動力學(xué)（CFD）仿真和有限元分析（FEA）仿真。Fluent耦合能夠執(zhí)行多物理場建模，以仿真流體流動與顆粒流動之間如何相互作用。Rocky DEM可以與Mechanical進行耦合，以仿真破損或多體動力學(xué)運動對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

本案例建立了一土石混合體結(jié)構(gòu)，如圖1所示?；贑OMSOL軟件對土石混合體進行了數(shù)值仿真，考慮了土石混合體孔隙變化，細顆粒侵蝕，骨架結(jié)構(gòu)變形，此問題是一個多場（滲流場、變形場、應(yīng)力場、損傷場）多相介質(zhì)（土顆粒集合體，塊石，空隙，孔隙）耦合的復(fù)雜問題。仿真結(jié)果如圖2所示。

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(xiàn)數(shù)據(jù)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。

鑄造/成型過程模擬涉及算法:- 核心算法: 計算流體動力學(xué) (CFD) + 隱式有限元法 (FEM) 的多物理場耦合。- CFD部分 (有限體積法): 用于模擬熔融金屬/塑料的充填、流動過程。- FEM部分 (隱式有限元法): 用于模擬冷卻、凝固、相變過程，以及由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力、變形和殘余應(yīng)力。計算特點:- 計算密度極高: 這是所有仿真中計算最密集的領(lǐng)域之一。

多功能求解器技術(shù)現(xiàn)在通常使用多個求解器來解決復(fù)雜的工程仿真任務(wù)。這種廣泛用于多物理場仿真的方法結(jié)合了為特定物理場設(shè)計的求解器，以分析不同的物理場如何影響所分析幾何體的整體行為并與之相互作用。從流固耦合仿真到氣動聲學(xué)分析，再到各種復(fù)雜的流動物理學(xué)，例如多相流和多組分流，以及與優(yōu)化框架的連接。

具體結(jié)果如下圖所示：圖9 泵蓋溫度場結(jié)果圖10 泵蓋溫度場切面結(jié)果圖11 泵蓋熱變形結(jié)果圖12 泵蓋等效熱應(yīng)力結(jié)果從以上的分析結(jié)果可以得到，泵蓋的溫度分布結(jié)果，最大熱變形為0.292mm，最大等效熱應(yīng)力為240.943MPa。

支持電磁仿真計算：HFSS、FEKO支持多物理場耦合：Comsol Multiphysics （一）仿真計算工作站硬件配置推薦硬件配置分類：（1）超頻型：具備【多核】+【超頻】計算架構(gòu)，滿足小規(guī)模仿真計算（2）增強型：配置雙Xeon處理器（更多核數(shù)）+16通道帶寬，滿足中等規(guī)模仿真計算（3）完美高速型：4顆Xeon第三代處理器+最大內(nèi)存帶寬，與雙xeon

Rocky DEM 可以與 Mechanical 結(jié)合使用來模擬破損或模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力如何受多體動力學(xué)運動的影響。Rocky 還與 Ansys Motion 耦合，當與 CFD 和/或 FEA 耦合結(jié)合時，可以對涉及散裝材料運動的完整機械系統(tǒng)進行靈活和全面的仿真。

廣泛的求解器技術(shù)現(xiàn)在，人們會使用多個求解器來解決復(fù)雜的工程仿真任務(wù)。這種方法被廣泛用于多物理學(xué)仿真，其中為特定物理學(xué)特性而設(shè)計的求解器被結(jié)合起來，用于分析不同物理現(xiàn)象對所分析幾何體整體行為的影響以及它們的相互作用。覆蓋從流體-結(jié)構(gòu)相互作用仿真到航空聲學(xué)分析和各種復(fù)雜的流動物理學(xué)，如多相和多物種流，以及與優(yōu)化框架的聯(lián)系。

在2026 R1 新版本中，結(jié)構(gòu)系列產(chǎn)品在效率、精度與工程可信度方面進一步增強：Mechanical 帶來更高效的網(wǎng)格變形與 GPU 感知資源預(yù)測能力，LS-DYNA 強化電池熱仿真與多物理場分析，Motion 提升系統(tǒng)級動力學(xué)性能，而 Sherlock、Forming 等工具也在電子可靠性與成形分析領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面升級。

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Simufact Welding可以模擬多種焊接工藝過程Simufact Welding可以進行變形量、應(yīng)力場及溫度場等信息的動態(tài)顯示，包括焊接過程中任意節(jié)點的溫度、變形、變形分量、熱應(yīng)力、應(yīng)力分量等結(jié)果。