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多物理场耦合分析,让模拟结果更真实(2)

2018-4-29 16:05| 发布者: Ice_XIAO| 查看: 221| 评论: 0|原作者: 吴星星|来自: 互联网

摘要: 随着仿真软件和硬件经过多年的不断发展和完善,多物理场耦合分析不再遥不可及,如今越来越多的工程师正在采用多物理场耦合分析求解真实的工程问题。 ...
2018/4/26    来源:互联网    作者: 吴星星      
关键字:多物理场耦合  仿真  CAE
3、多物理场耦合的求解
    建立一个多物理场耦合要比建立单个物理场复杂得多,往往涉及到不同格式数据交互、不同场之间数据的传递、网格匹配等,但是在求解方法上,多物理场和单物理场所采用的技术大同小异,依然需要将偏微分方程组离散成代数方程组,常见的方法如:有限差分方法(FDM)、有限元方法(FEM)、有限体积法(FVM)等。在这些方法中,FEM由于在实用性、适用性以及扩展性等方面具有更大优势,被业内人士普遍看好在多物理场耦合分析中所采用。
4、多物理场耦合分析的局限性
    人们针对各个科学和工程领域发展出各自的计算方法,并且开发出来相当多优秀的数值计算软件,如FEMLAB、ANSYS、MSC.DYTRAN、ALGOR、ABAQUS等。但是,不同的算法、不同的软件平台下,多个物理场之间数据的传输将会遇到非常多的问题:数据存储格式的差异带来数据传输的丢失,不同软件之间的算法不统一导致无法实现多个物理场实时的耦合,以及编写接口软件带来的额外工作开销等问题,都将极大的限制了多物理场耦合分析的应用范围。
    同时,多物理场耦合分析技术还面临着诸多其他挑战。例如,计算方法滞后于计算机硬件,高性能计算机所能提供的计算能力没有得到充分发挥;计算结果的可靠性问题;计算模拟精度不够,很多物理现象停留在定性层面上的描述;受个人知识面所限,缺乏对其他学科深层次的了解;非确定性问题的存在与非确定性方法的掌握。
5、多物理场耦合的未来发展趋势
    多物理场耦合分析跨越了多个物理学科,例如电磁学、物理电子学、量子力学、生物电子、热学、弹性力学、计算机科学等,其重要性不言而喻。随着科学计算不断发展,人们研究领域的不断细化和深入,以及计算机计算能力的不断提高,未来多物理场耦合的发展趋势可以归结为以下几点:
    1)用一个产品模型解决不一样的多物理特性。对于产品建模,最重要的就是将产品模型如何放入到多学科多物理环境中进行模拟。用长远的眼光来看,如果用一个求解器解决全部的物理特性模拟固然好,但是以目前的技术条件来看,实现难度很大,因为每一个物理特性都有自己独特的方程式、独特的解决方法。所以,更实际的做法是,如何将不同物理特性的模型连接起来,让不同的求解器实现最高效地一个求解。
   2)多尺度耦合分析。现代科学问题通常是一个完整的系统工程,研究的尺度范围常常涉及到从米到微米甚至纳米级别。例如,对于飞机机翼的研究,机翼结构强度分析属于米量级的分析,而构成机翼的复合材料分子动力学模型则延伸到纳米量级。
    3)更加贴近实际的高复杂度耦合仿真目前,产品仿真距离真实情况还有很大差距,很多物理现象不能模拟,如燃烧、相变、断裂、散裂、尺度悬殊和随机行为。
    总得来讲,多物理场耦合分析改变了工程师以往只能单独考虑不同物理作用的现象,通过一次考虑多个物理场因素对产品整体设计的影响,使得分析结果与产品的真实应用情况更接近。


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