多物理场耦合分析与高性能计算——多物理场耦合分析内容• 多物理场耦合分析各种仿真软件介绍• 多物理场耦合分析实例关于解耦随着科学技术的不断发展，或者人们需要更加精细的分析结构，同时考虑所有外界因素的作用 ，或者将所研究系统的外延扩大，这样就需要考虑不同因素的耦合作用设法消除这中互相影响的过程称为“解耦”，解耦靠增加自由度，或者空间变换， 比如结构动力学问题，将分布的、离散的空间，变换到主空间，在主空间上，各个 节点互相独立解耦是非常复杂的，绝大部分时间是几乎不可能的，解耦几乎完全 是数学问题，成功的解耦发现科学价值巨大现在，多物理场问题的求解已经比较成熟，大量的ＣＡＥ软件应用即是明证，不同 物理因素的互相作用的非线性因素可能是未来的发展方向，但这取决于不同物理因 素之间非线性作用的物理研究、发现 一是“松耦合”，几种因素对结构的作用可以被完全分开，如温度产生应力，可以先 计算温度场，应力场是衍生计算出来，在刚度方程中表现为非对角线上没有不同因素 的作用项；二是“紧耦合”，表现在多种因素在界面上存在互相作用，因素一的计算依赖于因素 二，可反之，或者结构上同一个点的自由度包含多种类型物理量，物理量之间互相依 赖，前者是扩大了系统的外延，后者是增加了节点的自由度。
毫无疑问，这时非对角 线上存在相互作用项1 多物理场耦合分析软件• COMSOL Multiphysics • ANSYS Multiphysics• ADINA 1.1 COMSOL Multiphysics•“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件” •COMSOL Multiphysics起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox 1.0后来改名为 Femlab 1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab 3.1从 2003年3.2a版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics•COMSOL Multiphysics以其独特的软件设计理念，成功地实现了任意多物理场、直接、双向实 时耦合，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用1.1 COMSOL Multiphysics•COMSOL Desktop COMSOL桌面提供了清晰的模型树，与当今主流CAD软件类似的桌面架构，使用户可以轻松地完成从建模过渡到分析的整个过程，犹如在CAD中建模一样便捷地掌控仿真分析的每个环节 1.1 COMSOL MultiphysicsLiveLink系列与主流CAD软件融于一体 •V4.0版本中包含的LiveLink系列产品，让CAD用户可以通过COMSOL平台，精确地模拟出新 产品的真实物理效应。
每个LiveLink接口都实现COMSOL Multiphysics与当前主流的CAD软件 双向无缝链接，以便CAD模型中所指定的每一个特殊参数都与仿真几何相关联•除SolidWorks® LiveLink，Inventor®Livelink和Pro/ENGINEER® LiveLink,MATLAB®LiveLink 之外，COMSOL Multiphysics还为其他CAD软件提供了单向导入接口，比如solidEdge、 CATIA等1.1 COMSOL Multiphysics在Windows HPC Server 2008中运行 •COMSOL Multiphysics V4.0完美支持Windows HPC Server2008系统，为仿真模拟和虚拟样机 提供了一个可扩展且并不昂贵的高性能计算解决方案 •COMSOL Multiphysics支持共享内存的多核计算机与分布式集群计算机的并行计算可以将一个独立的问题分散到 不同节点上以求解不同部分 1.1 COMSOL Multiphysics用户可直接在软件中进 行二维和三维建模全 面的第三方CAD导入功能 ，支持当前主流CAD软件 格式文件的导入。
支持多种网格剖分，支持移动 网格功能大规模计算能力， 具备Linux、Unix和Windows系 统下64位处理能力和并行计算 功能可根据用户的需要进行各 种数据、曲线、图片及动 画的输出与分析用户可在图形界面中轻松自 由定义所需的专业偏微分方 程任意独立函数控制的求 解参数，材料属性、边界条 件、载荷均支持参数控制.1.2 ANSYS• ANSYS，Inc. (NASDAQ: ANSS)成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，提供从概 念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发•ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司，于2008年收购了在 电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司通过整合，ANSYS公司成为全球最大的仿 真软件公司•广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化 工等众多行业 1.2 ANSYS Multiphysics•能够实现结构、温度场、流场、电磁场之间的耦合分析 •不但具有强大的单场分析模块，还可以求解多物理场间的耦合问题。
•提供直接和间接两种耦合方式，直接耦合使用带有多场自由度的耦合单元；间接耦合是指各 物理场拥有自己的“ 物理环境” 、一个“物理环境”中的分析结果可以作为其它“ 物理环 境” 的载荷或约束，耦合可以是双向的1.2 ANSYS Multiphysics•统一的仿真环境ANSYS Workbench是一个强大的多领域仿真环境，为ANSYS核心功能增添了利器，为CAD接口、 几何修复、网格划分、结果后处理提供通用工具，并赋予协同工作能力ANSYS Workbench环境使 得多物理场仿真能够在这样一个开放、适应的软件架构中完成ANSYS Workbench是一个强大的多物理场仿真环境，图显示了一个汽车刀片保险丝耦合电传导、热传 递和随后热应力分析的多物理场分析流程1.2 ANSYS Multiphysics•ANSYS多场求解器ANSYS多物理场求解器使用户能够使用自动序列耦合的方式将多个单物理场模型耦合到统一的仿真分析中，从而求解多物理场的问题在求解过程中的每个时间点，每个物理学科顺序求解并得到学科之间的收敛结果，学科之间的这种 反复耦合迭代，ANSYS多物理场求解器使用起来都很简便ANSYS多物理场耦合基于用户化定制进程 间的数据交换流程，不需要第三方耦合软件。
1.2 ANSYS Multiphysics•ANSYS多场求解器特色自动耦合 不需要第三方耦合工具 对于非结构单元，自动进行网格变换 在不同的物理模型之间，支持不同的网格边界 允许不同物理场专家之间的协作 高级流固耦合作用（FSI）ANSYS多物理场方案带来的好处： •针对所有物理场的高品质求解器：结构力学、热传递、流体流动 和电磁场 •全参数化分析，支持针对多物理场的实验 设计、鲁棒设计和优化设计 •快速高效、符合现实： - 减少了简化和假设 - 更高的确定性和精度 - 更少的时间完成模拟 •减少的软件购置费用、维护费用 •减少需要掌握软件的数量，提高效率 •减少需要管理的软件数量，统一平台，知识数据传承1.2 ANSYS Multiphysics包含结构、热、流体和高-低频 电磁场分析功能，包含多物理 场直接耦合场单元和ANSYS多场 求解器，从而同时提供直接耦 合和顺序耦合求解多物理场问 题的解决方案计算流体动力学， 同时包含有CFX和 Fluent求解器结构、热和低频 电磁场分析结构、热和 流体分析结构和热分析1.2 ANSYS Multiphysics应用实例•流固耦合 -汽车燃料喷射器，控制阀，风扇，水泵•压电应用•热-电耦合•MEMS应用MEMS是最需要多场耦合分析的领域之一，ANSYS是唯一可真正模拟MEMS产品的软件 - MEMS梳状驱动器（电-结构耦合） - MEMS扭转谐振器（电-结构耦合） - MEMS加速计（电-结构耦合） - MEMS微泵（压电-流体耦合 - MEMS热-机械执行器(热-电-结构耦合)- 其它大量的MEMS装置1.3 ANSYS Multiphysics VS COMSOL Multiphysics•根本区别在于COMSOL可以进行任意两个或者多个物理场的同时耦合，只要你定义它们的耦 合关系就行了，ANSYS的多场耦合是每次计算一个物理场，因为每次计算你都要选择单元， 除了很少的几个预定义耦合单元，其余的只能进行间接耦合。
•在黑匣子问题上，COMSOL不是，最起码不完全是黑匣子，COMSOL没有单元库，能够看到 控制方程，而且你可以修改，而ANSYS是看不到的，也就是说如果你想知道COMSOL算的是 不是那么一回事，你可以尝试修改下方程，看看结果是不是朝着你修改的方式在改变 1.4 ADINA•ADINA软件是美国ADINA R&D公司的产品，是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台， 其广泛应用涉及到各个工业领域、研究机构和教育机构•ADINA的发展历经三十多年的历史，公司致力于开发全球领先技术的多物理场工程仿真分析 系统，ADINA的很多求解技术持有专利，其非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能一直 处在全球领导地位 1.4 ADINA•非线性结构/热传/热流/CFD/FSI多物理耦合分析软件•除了求解非线性问外，其多物理场的流固耦合求解功能也是全球唯一的专利技术•当前版本的ADINA以结构、流体、热及其耦合模拟功能为主，尽管可在结构、流体、热中考 虑电磁效应的存在或影响，但还不能处理复杂的电磁场现象分析以及电磁现象与其它物理因 素的耦合影响1.4 ADINA•实现双向流固耦合（FSI），允许流固介面网格不相吻合•在流固互动过程，可以自动重建分布网格，以避免因过度变形而造成网格扭曲，导致计算停 止。
•值得注意的是，ADINA中的FSI是真实流固耦合，而非一般CFD软件的单纯moving boundary， 而其网格重建也非一般的ALE方法，而是真正的即时重建2 实例——电子产品多物理场耦合仿真•电子产品多物理场耦合仿真涉及CAD/CAE/CAO、虚拟样机、软件集 成、协同仿真、中间件、可视化等技术，其相关研究以系统建模 为基础•采用Pro/E、FLOTHERM和FLUENT等软件进行了多场耦合仿真2.1 基本场的数学模型•多场耦合分析以各个基本物理场分析为基础，电子产品的基本场 有位移场、电磁场、温度场、流场和声场； •从耦合观点出发，基本场统一数学表达式为：式中，vi 是场变量，可以是矢量或标量，也可有一个或多个； s 是场的源或汇，一般只有一个；mi 是材料物性变量，可以 有一个或多个；f 是微分算子2.2 耦合关系•电子产品中存在流体运动与固体变形相互影响的流－固耦合，流 体运动与温度场之间的流－热耦合，流场与声场相互作用的流－ 声耦合，温度场与结构变形相互作用的热－结构耦合，流场、温 度场和声场相互作用的流－热－声耦合，温度场与电磁场相互作 用的热－磁耦合，电磁场与固体结构相互作用的磁－固耦合等2.2.1 协同仿真设计方法•多场耦合仿真可应用协同仿真（Collaborative Simulation）方法， 它是指位于不同地点、基于不同计算机平台的仿真人员，用不同 建模语言、不同仿真工具建立系统的混合异构层次化模型，并在 分布式环境中进行仿真运行、表现和分析的复杂系统仿真方法。
•依据此方法，提出一种针对MFCS 的协同仿真方法，即在使用各个 专家知识和经验的同时，又可综合求解复杂的多物理场耦合仿真 问题2.2.1 协同仿真设计方法建立协同仿真框架见图3，分别为CAD建模、结构分析、EMC分析、热分析 、流体分析和噪声分析，且各专家间建立联系，达到资源共享与协调，部 分修改可以同时对其他部分进行相应调整，达到整体性、一致性和共享性 2.3 机架式服务器CAD模型的建立•用Pro/E 建立服务器见图5，包括机箱、电源。