工程仿真在各方面都发挥着重要作用，包括我们生活工作所在的建筑、我们驾驶的汽车、随身携带的智能手机、帮助我们保持健康的医疗设备乃至我们的计算机、食品等。自ANSYS于40多年前率先推出了仿真软件以来，仿真技术已经取得了极大的推广，全球各行业各学科领域里的工程团队都在使用仿真技术。
今天，世界大多数工程团队都在产品开发的设计阶段采用仿真工具和方法，用高级数值分析来取代高成本的物理原型设计和测试。
从历史上看，工程师要一定程度地简化仿真以满足产品推出时限的要求，同时改善用户最重视的性能领域。这就往往意味着工程师要关注于单个对产品性能影响最大的物理现象。
举例来说，一级方程式赛车的设计人员此前一直集中资源通过计算流体动力学（CFD）仿真来改善空气动力学性能。
建筑或农业设备的设计人员则利用机械仿真软件来优化产品承受重力的能力。印刷电路板（PCB）的制造商则花费了大量精力确保信号完整性。
过去这种集中力量关注某一种物理力的做法不仅可了解关键的产品特性，而且通常有助于大幅提高性能，并能比传统的试验和物理原型设计法减少时间和资金投入。不过随着竞争压力的加剧和消费者需求的提升，今天如果只针对一种物理特性优化产品性能，已经很难再获得最佳的产品设计了。要了解所有涉及的作用力，精确地预见产品的工作情况，就必须考虑所有相关的物理力。
同时仿真所有物理场并用多物理场结果执行参数优化，这能够帮助工程师快速了解产品性能的重要信息，以加快实现最佳设计，并能加速产品的上市进程。
由于采用了这些工具和工艺，今天的一级方程式汽车的工程师能够对空气动力学、高功率、结构完整性和轻量性的相互平衡有全新的认识。重型设备制造商不仅能消除结构弱点，还能避免导致部件变形和失效的热应力。PCB产品设计人员则能远远超出EMI分析，集中精力解决影响多个组件和焊点的热效应问题。
图1 杜克大学的高温研究部门采用多物理场仿真技术开发新型非侵入式膀胱癌治疗法
产品复杂性：日益艰巨的挑战
在几乎所有的行业领域，多物理场研究都能帮助工程师应对更大的挑战，即不断增加的产品设计复杂性。
现代化的产品开发趋势包括电子设备功率密度的提升、各个行业领域的产品小型化、消费者对于智能产品需求的提升、高级材料的更多使用以及对于可持续性的更大关注等，这些都会带来特殊挑战。
密集封装的电子产品需要适当的散热，而提供散热功能的风扇和散热片必须进行仔细设计。芯片制造商则需要了解电路板以及焊点的热效应影响——特别是温度波动造成的热变形——这样才能开发出不会在设计和非设计条件下发生故障的高稳健电子产品。
越来越多地用于纳米级操作的医疗设备必须确保在强流体和体积力作用下的完美工作。在预测特殊设备或程序的行为时，每一个病人的身体几何结构、血管收缩、血流模式和周围内脏器官的情况都必须同时考虑到。
新型高级复合材料包含多层纤维，有的还具有独特的热电属性。这些材料制成的车身和飞机外壳不仅要进行热电性能优化，还要做到空气动力学性能、振动响应、能源效率以及长期可靠性的优化。
图2 印度原子能署旗下的等离子研究所（IPR）采用多物理场仿真技术研究如何通过磁约束等离子体来实现核聚变
ANSYS Workbench基础的深度高级求解器技术包括高性能计算（HPC）功能和并行可扩展性，能够加速大型数字多物理场仿真的求解。业界领先的ANSYS求解器技术不仅可以方便地支持网格数量庞大的大型几何结构，也能支持详细多物理场分析时生成的海量数据。Workbench在协同仿真期间可管理不同物理求解器之间的复杂相互作用。
图3 采用ANSYS的多物理场仿真工具模拟天基通信卫星天线在恶劣条件下工作
综合解决当今的仿真挑战
除了提供上述基础功能外，ANSYS还提供一系列仿真平台服务，能够帮助产品开发团队通过多物理场的仿真支持高鲁棒性设计优化。
ANSYS Design Xplorer帮助工程师通过参数分析探索、了解和优化设计，并能集中精力加速找到最佳设计，同时通过多物理场分析深入研究了所有相关物理场的相互作用。
ANSYS Engineering Knowledge Manager（EKM）帮助产品开发团队管理多物理场研究产生的大规模信息。ANSYS EKM能应对管理仿真数据涉及的许多关键活动，包括备份归档、跟踪审核、过程的自动化、工程技术的协作捕获以及知识产权保护等。
此外，ANSYS的降阶建模（ROM）法可将一系列复杂的多物理场仿真转换为0-D或者1-D模型，反映出系统级分析中的多物理场仿真动力学，同时能避免每个操作点重复运行仿真产生的高成本。无论产品开发团队是需要3D建模的极高保真度还是低阶仿真的广泛视图和快速结果，ANSYS都能提供无与伦比的可扩展性。
图4 通过物理场研究确保较长的产品使用寿命
上述的各种趋势对工程团队提出了更大的挑战，必须解决以下这些基本的开发问题：
◆产品失效的所有潜在来源是什么？
◆如何在多个性能要求之间实现最佳的平衡？
◆指定的材料能否承受预期的流体和机械力？
◆考虑到组件之间的热传递，制冷够不够？
◆产品的生产能否节约时间和成本，同时最大限度地节约材料、能源和减少废物？
不断增加的设计复杂性使得我们很难有绝对的信心回答上述问题。与此同时，消除产品失效、确保可靠性能正变得空前重要。
多物理场分析：易于使用的灵活方法
多物理场仿真曾经被视为仅适用于专家的高级工程策略，现在已成了许多行业产品开发套件中的标准组成部分。利用多物理场研究来预测和验证产品在各种工作条件下的性能，同时解释各种物理力的效应，工程团队能够消除许多现实产品失效的来源。
多物理场仿真曾经被视为仅适用于专家的高级工程策略，现在已成了许多行业产品开发套件中的标准组成部分。利用多物理场研究来预测和验证产品在各种工作条件下的性能，同时解释各种物理力的效应，工程团队能够消除许多现实产品失效的来源。
此前，人们通过一系列互不关联的单物理研究形式来开展多个物理研究，也就是分别研究流体、结构、热和电子效应，而现在，工程师们越来越深刻地认识到不同物理场之间的相互作用非常重要，必须进行更深入的研究。
ANSYS预计到有关需求，并打造了一系列易于使用的灵活功能，有助于更好地应用多物理场研究。工程团队通常从此前完成的物理场仿真或试验中传输数据，以此开始链接多个物理场，这可用作初始条件或者边界条件。作为边界数据一次传输的结果或者在仿真中多次传输的结果构成了单向多物理场分析的基础。在ANSYS软件的支持下，初始和边界数据的高度精确传输能提高每个顺序仿真的高保真性。
有时物理场内在地紧密耦合，重要的迭代不能通过顺序仿真而捕获。这种情况包括阀门设计、空气动力下变形体的建模以及共轭传热分析等等。在上述情况下，我们需在指定间隔下交换数据的同时仿真或者说进行双向协同仿真，以同时求解多个物理场，还能够考虑到所有物理力的紧密迭代问题。
ANSYS支持一系列灵活的多物理场选项，能帮助工程组织机构从战略角度部署资源。研发团队所选择的多物理场耦合能提供适当的信息，帮助他们解决当前以及未来的问题。各级的ANSYS多物理场仿真支持高鲁棒性设计优化战略，目标就是确保毫不妥协的产品质量。
图5 多物理场研究可帮助工程师解决复杂挑战，包括设计塑料包装，确保牢固和轻量化，同时满足客户的需求
为多物理场成功做好准备
为了帮助客户取得成功，ANSYS在所有物理领域都提供了持续领先的技术，其中包括流体动力学、结构力学、热力学和电子等。技术领先至关重要。仿真软件必须为所有物理场提供精确的高度稳健性结果，这样才能够捕获它们之间复杂的相互作用。
ANSYS预见到高鲁棒性设计过程中日益增多的多物理场仿真需求，从而开发了强大的功能支持多物理场研究，即更快速度、更加优化和更加直观。ANSYS在各个物理领域的领先地位结合其对参数设计优化的支持使得ANSYS成为解决今天复杂设计挑战的理想选择，包括支持流体热和流体机械系统、高稳健性电机和电子设备以及高级材料的产品应用等。
ANSYS Workbench的持续功能改进带来了简单、适应性强的多物理场仿真解决方案，开箱即用。Workbench的拖放式耦合功能可以简单地设置一系列多物理场研究，支持单向顺序仿真以及双向协同仿真。
利用灵活、开放、精确、自动化的数据交换功能，Workbench使得试验数据、来自第三方的数据和其它物理场仿真的数据均能用于当前仿真。此外，与外部的软件解决方案的数据交换也得到ANSYS应用定制套件（ACT）的支持，该套件包含了Workbench Software Development Kit（SDK）。这些工具可支持广泛的定制，能优化包括外部技术解决方案的信息传递等特定的仿真功能。无论数据在ANSYS解决方案之间交换还是与外部软件进行交换，高级方法和验证过程都能支持高速度和高精确性。
工程师只针对一种物理特性优化产品性能时，很难实现最佳的产品设计。
同类最佳带来激励和启迪
如果进行多物理场仿真对于您的工程团队来说似乎是可望而不可即的，那么本期的ANSYS Advantage或许会带来巨大的激励和启迪作用。以下我们将通过第一手的经历介绍各行各业中的工程师如何应用ANSYS软件和最佳的仿真实践、以及通过多物理场研究来大幅地改进开发工作。
三分之一的ANSYS客户已在进行多物理场仿真的研究了，以优化其产品开发过程。在今后几年开展相关研究的客户数量肯定会大幅上升，因为越来越多的工程师都会认识到耦合物理场的优势和便捷性。
当仿真技术刚刚推出时，许多工程团队不愿意跨越数字壁垒去拥抱仿真的强大实力，而在今天，仿真已然成为了各行各业的标准工程实践。多物理场仿真代表着产品工程的未来，随着开发团队努力去应对复杂性，提高信心，以进一步缩短开发周期和生产过程并降低成本，多物理场仿真很快将成为业界标准。
我们衷心希望本期ANSYS Advantage能激励您扩大多物理场仿真技术在您自身的产品开发组织机构中的应用，从而让您在这一场工程新革命中大获裨益。
图6 TMA Materials Technology采用了多物理场仿真技术优化材料性能
同时仿真所有物理场并用多物理场结果执行参数优化，这能够帮助工程师快速了解产品性能的重要信息，加快实现最佳设计，并能加速产品的上市进程。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：仿真的未来——多物理场
相关文章
