工程仿真在各方面都發(fā)揮著重要作用，包括我們生活工作所在的建筑、我們駕駛的汽車、隨身攜帶的智能手機(jī)、幫助我們保持健康的醫(yī)療設(shè)備乃至我們的計(jì)算機(jī)、食品等。自ANSYS于40多年前率先推出了仿真軟件以來(lái)，仿真技術(shù)已經(jīng)取得了極大的推廣，全球各行業(yè)各學(xué)科領(lǐng)域里的工程團(tuán)隊(duì)都在使用仿真技術(shù)。

　今天，世界大多數(shù)工程團(tuán)隊(duì)都在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)階段采用仿真工具和方法，用高級(jí)數(shù)值分析來(lái)取代高成本的物理原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。

　從歷史上看，工程師要一定程度地簡(jiǎn)化仿真以滿足產(chǎn)品推出時(shí)限的要求，同時(shí)改善用戶最重視的性能領(lǐng)域。這就往往意味著工程師要關(guān)注于單個(gè)對(duì)產(chǎn)品性能影響最大的物理現(xiàn)象。

　舉例來(lái)說(shuō)，一級(jí)方程式賽車的設(shè)計(jì)人員此前一直集中資源通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真來(lái)改善空氣動(dòng)力學(xué)性能。

　建筑或農(nóng)業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員則利用機(jī)械仿真軟件來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品承受重力的能力。印刷電路板（PCB）的制造商則花費(fèi)了大量精力確保信號(hào)完整性。

　過(guò)去這種集中力量關(guān)注某一種物理力的做法不僅可了解關(guān)鍵的產(chǎn)品特性，而且通常有助于大幅提高性能，并能比傳統(tǒng)的試驗(yàn)和物理原型設(shè)計(jì)法減少時(shí)間和資金投入。不過(guò)隨著競(jìng)爭(zhēng)壓力的加劇和消費(fèi)者需求的提升，今天如果只針對(duì)一種物理特性優(yōu)化產(chǎn)品性能，已經(jīng)很難再獲得最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)了。要了解所有涉及的作用力，精確地預(yù)見(jiàn)產(chǎn)品的工作情況，就必須考慮所有相關(guān)的物理力。

　同時(shí)仿真所有物理場(chǎng)并用多物理場(chǎng)結(jié)果執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化，這能夠幫助工程師快速了解產(chǎn)品性能的重要信息，以加快實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，并能加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

　由于采用了這些工具和工藝，今天的一級(jí)方程式汽車的工程師能夠?qū)�空氣�?dòng)力學(xué)、高功率、結(jié)構(gòu)完整性和輕量性的相互平衡有全新的認(rèn)識(shí)。重型設(shè)備制造商不僅能消除結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，還能避免導(dǎo)致部件變形和失效的熱應(yīng)力。PCB產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員則能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出EMI分析，集中精力解決影響多個(gè)組件和焊點(diǎn)的熱效應(yīng)問(wèn)題。

圖1 杜克大學(xué)的高溫研究部門采用多物理場(chǎng)仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)新型非侵入式膀胱癌治療法

產(chǎn)品復(fù)雜性：日益艱巨的挑戰(zhàn)

　在幾乎所有的行業(yè)領(lǐng)域，多物理場(chǎng)研究都能幫助工程師應(yīng)對(duì)更大的挑戰(zhàn)，即不斷增加的產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

　現(xiàn)代化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)趨勢(shì)包括電子設(shè)備功率密度的提升、各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品小型化、消費(fèi)者對(duì)于智能產(chǎn)品需求的提升、高級(jí)材料的更多使用以及對(duì)于可持續(xù)性的更大關(guān)注等，這些都會(huì)帶來(lái)特殊挑戰(zhàn)。

　密集封裝的電子產(chǎn)品需要適當(dāng)?shù)纳�熱，而提供散熱功能的風(fēng)扇和散熱片必須進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)。芯片制造商則需要了解電路板以及焊點(diǎn)的熱效應(yīng)影響——特別是溫度波動(dòng)造成的熱變形——這樣才能開(kāi)發(fā)出不會(huì)在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)條件下發(fā)生故障的高穩(wěn)健電子產(chǎn)品。

　越來(lái)越多地用于納米級(jí)操作的醫(yī)療設(shè)備必須確保在強(qiáng)流體和體積力作用下的完美工作。在預(yù)測(cè)特殊設(shè)備或程序的行為時(shí)，每一個(gè)病人的身體幾何結(jié)構(gòu)、血管收縮、血流模式和周圍內(nèi)臟器官的情況都必須同時(shí)考慮到。

　新型高級(jí)復(fù)合材料包含多層纖維，有的還具有獨(dú)特的熱電屬性。這些材料制成的車身和飛機(jī)外殼不僅要進(jìn)行熱電性能優(yōu)化，還要做到空氣動(dòng)力學(xué)性能、振動(dòng)響應(yīng)、能源效率以及長(zhǎng)期可靠性的優(yōu)化。

圖2 印度原子能署旗下的等離子研究所（IPR）采用多物理場(chǎng)仿真技術(shù)研究如何通過(guò)磁約束等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)核聚變

    ANSYS Workbench基礎(chǔ)的深度高級(jí)求解器技術(shù)包括高性能計(jì)算（HPC）功能和并行可擴(kuò)展性，能夠加速大型數(shù)字多物理場(chǎng)仿真的求解。業(yè)界領(lǐng)先的ANSYS求解器技術(shù)不僅可以方便地支持網(wǎng)格數(shù)量龐大的大型幾何結(jié)構(gòu)，也能支持詳細(xì)多物理場(chǎng)分析時(shí)生成的海量數(shù)據(jù)。Workbench在協(xié)同仿真期間可管理不同物理求解器之間的復(fù)雜相互作用。

圖3 采用ANSYS的多物理場(chǎng)仿真工具模擬天基通信衛(wèi)星天線在惡劣條件下工作

綜合解決當(dāng)今的仿真挑戰(zhàn)

　除了提供上述基礎(chǔ)功能外，ANSYS還提供一系列仿真平臺(tái)服務(wù)，能夠幫助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)多物理場(chǎng)的仿真支持高魯棒性設(shè)計(jì)優(yōu)化。

　ANSYS Design Xplorer幫助工程師通過(guò)參數(shù)分析探索、了解和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并能集中精力加速找到最佳設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)多物理場(chǎng)分析深入研究了所有相關(guān)物理場(chǎng)的相互作用。

　ANSYS Engineering Knowledge Manager（EKM）幫助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)管理多物理場(chǎng)研究產(chǎn)生的大規(guī)模信息。ANSYS EKM能應(yīng)對(duì)管理仿真數(shù)據(jù)涉及的許多關(guān)鍵活動(dòng)，包括備份歸檔、跟蹤審核、過(guò)程的自動(dòng)化、工程技術(shù)的協(xié)作捕獲以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等。

　此外，ANSYS的降階建模（ROM）法可將一系列復(fù)雜的多物理場(chǎng)仿真轉(zhuǎn)換為0-D或者1-D模型，反映出系統(tǒng)級(jí)分析中的多物理場(chǎng)仿真動(dòng)力學(xué)，同時(shí)能避免每個(gè)操作點(diǎn)重復(fù)運(yùn)行仿真產(chǎn)生的高成本。無(wú)論產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)是需要3D建模的極高保真度還是低階仿真的廣泛視圖和快速結(jié)果，ANSYS都能提供無(wú)與倫比的可擴(kuò)展性。

圖4 通過(guò)物理場(chǎng)研究確保較長(zhǎng)的產(chǎn)品使用壽命

    上述的各種趨勢(shì)對(duì)工程團(tuán)隊(duì)提出了更大的挑戰(zhàn)，必須解決以下這些基本的開(kāi)發(fā)問(wèn)題：

    ◆ 產(chǎn)品失效的所有潛在來(lái)源是什么？

    ◆ 如何在多個(gè)性能要求之間實(shí)現(xiàn)最佳的平衡？

    ◆指定的材料能否承受預(yù)期的流體和機(jī)械力？

    ◆考慮到組件之間的熱傳遞，制冷夠不夠？

    ◆ 產(chǎn)品的生產(chǎn)能否節(jié)約時(shí)間和成本，同時(shí)最大限度地節(jié)約材料、能源和減少?gòu)U物？

　　不斷增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜性使得我們很難有絕對(duì)的信心回答上述問(wèn)題。與此同時(shí)，消除產(chǎn)品失效、確�？煽啃阅苷�變得空前重要。

多物理場(chǎng)分析：易于使用的靈活方法

　多物理場(chǎng)仿真曾經(jīng)被視為僅適用于專家的高級(jí)工程策略，現(xiàn)在已成了許多行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)套件中的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。利用多物理場(chǎng)研究來(lái)預(yù)測(cè)和驗(yàn)證產(chǎn)品在各種工作條件下的性能，同時(shí)解釋各種物理力的效應(yīng)，工程團(tuán)隊(duì)能夠消除許多現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品失效的來(lái)源。

　多物理場(chǎng)仿真曾經(jīng)被視為僅適用于專家的高級(jí)工程策略，現(xiàn)在已成了許多行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)套件中的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。利用多物理場(chǎng)研究來(lái)預(yù)測(cè)和驗(yàn)證產(chǎn)品在各種工作條件下的性能，同時(shí)解釋各種物理力的效應(yīng)，工程團(tuán)隊(duì)能夠消除許多現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品失效的來(lái)源。

　此前，人們通過(guò)一系列互不關(guān)聯(lián)的單物理研究形式來(lái)開(kāi)展多個(gè)物理研究，也就是分別研究流體、結(jié)構(gòu)、熱和電子效應(yīng)，而現(xiàn)在，工程師們?cè)絹?lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到不同物理場(chǎng)之間的相互作用非常重要，必須進(jìn)行更深入的研究。

　ANSYS預(yù)計(jì)到有關(guān)需求，并打造了一系列易于使用的靈活功能，有助于更好地應(yīng)用多物理場(chǎng)研究。工程團(tuán)隊(duì)通常從此前完成的物理場(chǎng)仿真或試驗(yàn)中傳輸數(shù)據(jù)，以此開(kāi)始鏈接多個(gè)物理場(chǎng)，這可用作初始條件或者邊界條件。作為邊界數(shù)據(jù)一次傳輸?shù)慕Y(jié)果或者在仿真中多次傳輸?shù)慕Y(jié)果構(gòu)成了單向多物理場(chǎng)分析的基礎(chǔ)。在ANSYS軟件的支持下，初始和邊界數(shù)據(jù)的高度精確傳輸能提高每個(gè)順序仿真的高保真性。

　有時(shí)物理場(chǎng)內(nèi)在地緊密耦合，重要的迭代不能通過(guò)順序仿真而捕獲。這種情況包括閥門設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力下變形體的建模以及共軛傳熱分析等等。在上述情況下，我們需在指定間隔下交換數(shù)據(jù)的同時(shí)仿真或者說(shuō)進(jìn)行雙向協(xié)同仿真，以同時(shí)求解多個(gè)物理場(chǎng)，還能夠考慮到所有物理力的緊密迭代問(wèn)題。

　ANSYS支持一系列靈活的多物理場(chǎng)選項(xiàng)，能幫助工程組織機(jī)構(gòu)從戰(zhàn)略角度部署資源。研發(fā)團(tuán)隊(duì)所選擇的多物理場(chǎng)耦合能提供適當(dāng)?shù)男畔ⅲ瑤椭�他們解決當(dāng)前以及未來(lái)的問(wèn)題。各級(jí)的ANSYS多物理場(chǎng)仿真支持高魯棒性設(shè)計(jì)優(yōu)化戰(zhàn)略，目標(biāo)就是確保毫不妥協(xié)的產(chǎn)品質(zhì)量。

圖5 多物理場(chǎng)研究可幫助工程師解決復(fù)雜挑戰(zhàn)，包括設(shè)計(jì)塑料包裝，確保牢固和輕量化，同時(shí)滿足客戶的需求

為多物理場(chǎng)成功做好準(zhǔn)備

　為了幫助客戶取得成功，ANSYS在所有物理領(lǐng)域都提供了持續(xù)領(lǐng)先的技術(shù)，其中包括流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)和電子等。技術(shù)領(lǐng)先至關(guān)重要。仿真軟件必須為所有物理場(chǎng)提供精確的高度穩(wěn)健性結(jié)果，這樣才能夠捕獲它們之間復(fù)雜的相互作用。

　ANSYS預(yù)見(jiàn)到高魯棒性設(shè)計(jì)過(guò)程中日益增多的多物理場(chǎng)仿真需求，從而開(kāi)發(fā)了強(qiáng)大的功能支持多物理場(chǎng)研究，即更快速度、更加優(yōu)化和更加直觀。ANSYS在各個(gè)物理領(lǐng)域的領(lǐng)先地位結(jié)合其對(duì)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的支持使得ANSYS成為解決今天復(fù)雜設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的理想選擇，包括支持流體熱和流體機(jī)械系統(tǒng)、高穩(wěn)健性電機(jī)和電子設(shè)備以及高級(jí)材料的產(chǎn)品應(yīng)用等。

　ANSYS Workbench的持續(xù)功能改進(jìn)帶來(lái)了簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)的多物理場(chǎng)仿真解決方案，開(kāi)箱即用。Workbench的拖放式耦合功能可以簡(jiǎn)單地設(shè)置一系列多物理場(chǎng)研究，支持單向順序仿真以及雙向協(xié)同仿真。

　利用靈活、開(kāi)放、精確、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)交換功能，Workbench使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)、來(lái)自第三方的數(shù)據(jù)和其它物理場(chǎng)仿真的數(shù)據(jù)均能用于當(dāng)前仿真。此外，與外部的軟件解決方案的數(shù)據(jù)交換也得到ANSYS應(yīng)用定制套件（ACT）的支持，該套件包含了Workbench Software Development Kit（SDK）。這些工具可支持廣泛的定制，能優(yōu)化包括外部技術(shù)解決方案的信息傳遞等特定的仿真功能。無(wú)論數(shù)據(jù)在ANSYS解決方案之間交換還是與外部軟件進(jìn)行交換，高級(jí)方法和驗(yàn)證過(guò)程都能支持高速度和高精確性。

    工程師只針對(duì)一種物理特性優(yōu)化產(chǎn)品性能時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

同類最佳帶來(lái)激勵(lì)和啟迪

　如果進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真對(duì)于您的工程團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)似乎是可望而不可即的，那么本期的ANSYS Advantage或許會(huì)帶來(lái)巨大的激勵(lì)和啟迪作用。以下我們將通過(guò)第一手的經(jīng)歷介紹各行各業(yè)中的工程師如何應(yīng)用ANSYS軟件和最佳的仿真實(shí)踐、以及通過(guò)多物理場(chǎng)研究來(lái)大幅地改進(jìn)開(kāi)發(fā)工作。

　三分之一的ANSYS客戶已在進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真的研究了，以優(yōu)化其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。在今后幾年開(kāi)展相關(guān)研究的客戶數(shù)量肯定會(huì)大幅上升，因?yàn)樵絹?lái)越多的工程師都會(huì)認(rèn)識(shí)到耦合物理場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)和便捷性。

　當(dāng)仿真技術(shù)剛剛推出時(shí)，許多工程團(tuán)隊(duì)不愿意跨越數(shù)字壁壘去擁抱仿真的強(qiáng)大實(shí)力，而在今天，仿真已然成為了各行各業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工程實(shí)踐。多物理場(chǎng)仿真代表著產(chǎn)品工程的未來(lái)，隨著開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)努力去應(yīng)對(duì)復(fù)雜性，提高信心，以進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期和生產(chǎn)過(guò)程并降低成本，多物理場(chǎng)仿真很快將成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

　我們衷心希望本期ANSYS Advantage能激勵(lì)您擴(kuò)大多物理場(chǎng)仿真技術(shù)在您自身的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)組織機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，從而讓您在這一場(chǎng)工程新革命中大獲裨益。

圖6 TMA Materials Technology采用了多物理場(chǎng)仿真技術(shù)優(yōu)化材料性能

    同時(shí)仿真所有物理場(chǎng)并用多物理場(chǎng)結(jié)果執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化，這能夠幫助工程師快速了解產(chǎn)品性能的重要信息，加快實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，并能加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：仿真的未來(lái)——多物理場(chǎng)

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