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)備乃至我們的計算機(jī)、食品等。自ANSYS于40多年前率先推出了仿真軟件以來，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)隊都在使用仿真技術(shù)。
今天，世界大多數(shù)工程團(tuán)隊都在產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計階段采用仿真工具和方法，用高級數(shù)值分析來取代高成本的物理原型設(shè)計和測試。
從歷史上看，工程師要一定程度地簡化仿真以滿足產(chǎn)品推出時限的要求，同時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)注于單個對產(chǎn)品性能影響最大的物理現(xiàn)象。
舉例來說，一級方程式賽車的設(shè)計人員此前一直集中資源通過計算流體動力學(xué)（CFD）仿真來改善空氣動力學(xué)性能。
建筑或農(nóng)業(yè)設(shè)備的設(shè)計人員則利用機(jī)械仿真軟件來優(yōu)化產(chǎn)品承受重力的能力。印刷電路板（PCB）的制造商則花費了大量精力確保信號完整性。
過去這種集中力量關(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)的試驗和物理原型設(shè)計法減少時間和資金投入。不過隨著競爭壓力的加劇和消費者需求的提升，今天如果只針對一種物理特性優(yōu)化產(chǎn)品性能，已經(jīng)很難再獲得最佳的產(chǎn)品設(shè)計了。要了解所有涉及的作用力，精確地預(yù)見產(chǎn)品的工作情況，就必須考慮所有相關(guān)的物理力。
同時仿真所有物理場并用多物理場結(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，以加快實現(xiàn)最佳設(shè)計，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，今天的一級方程式汽車的工程師能夠?qū)諝鈩恿W(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。重型設(shè)備制造商不僅能消除結(jié)構(gòu)弱點，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)計人員則能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出EMI分析，集中精力解決影響多個組件和焊點的熱效應(yīng)問題。
圖1 杜克大學(xué)的高溫研究部門采用多物理場仿真技術(shù)開發(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，多物理場研究都能幫助工程師應(yīng)對更大的挑戰(zhàn)，即不斷增加的產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜性。
現(xiàn)代化的產(chǎn)品開發(fā)趨勢包括電子設(shè)備功率密度的提升、各個行業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品小型化、消費者對于智能產(chǎn)品需求的提升、高級材料的更多使用以及對于可持續(xù)性的更大關(guān)注等，這些都會帶來特殊挑戰(zhàn)。
密集封裝的電子產(chǎn)品需要適當(dāng)?shù)纳幔峁┥峁δ艿娘L(fēng)扇和散熱片必須進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計。芯片制造商則需要了解電路板以及焊點的熱效應(yīng)影響——特別是溫度波動造成的熱變形——這樣才能開發(fā)出不會在設(shè)計和非設(shè)計條件下發(fā)生故障的高穩(wěn)健電子產(chǎn)品。
越來越多地用于納米級操作的醫(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)測特殊設(shè)備或程序的行為時，每一個病人的身體幾何結(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考慮到。
新型高級復(fù)合材料包含多層纖維，有的還具有獨特的熱電屬性。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，還要做到空氣動力學(xué)性能、振動響應(yīng)、能源效率以及長期可靠性的優(yōu)化。
圖2 印度原子能署旗下的等離子研究所（IPR）采用多物理場仿真技術(shù)研究如何通過磁約束等離子體來實現(xiàn)核聚變
ANSYS Workbench基礎(chǔ)的深度高級求解器技術(shù)包括高性能計算（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)多物理場分析時生成的海量數(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服務(wù)，能夠幫助產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊通過多物理場的仿真支持高魯棒性設(shè)計優(yōu)化。
ANSYS Design Xplorer幫助工程師通過參數(shù)分析探索、了解和優(yōu)化設(shè)計，并能集中精力加速找到最佳設(shè)計，同時通過多物理場分析深入研究了所有相關(guān)物理場的相互作用。
ANSYS Engineering Knowledge Manager（EKM）幫助產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊管理多物理場研究產(chǎn)生的大規(guī)模信息。ANSYS EKM能應(yīng)對管理仿真數(shù)據(jù)涉及的許多關(guān)鍵活動，包括備份歸檔、跟蹤審核、過程的自動化、工程技術(shù)的協(xié)作捕獲以及知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)等。
此外，ANSYS的降階建模（ROM）法可將一系列復(fù)雜的多物理場仿真轉(zhuǎn)換為0-D或者1-D模型，反映出系統(tǒng)級分析中的多物理場仿真動力學(xué)，同時能避免每個操作點重復(fù)運行仿真產(chǎn)生的高成本。無論產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊是需要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都能提供無與倫比的可擴(kuò)展性。
圖4 通過物理場研究確保較長的產(chǎn)品使用壽命
上述的各種趨勢對工程團(tuán)隊提出了更大的挑戰(zhàn)，必須解決以下這些基本的開發(fā)問題：
◆產(chǎn)品失效的所有潛在來源是什么？
◆如何在多個性能要求之間實現(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)約時間和成本，同時最大限度地節(jié)約材料、能源和減少廢物？
不斷增加的設(shè)計復(fù)雜性使得我們很難有絕對的信心回答上述問題。與此同時，消除產(chǎn)品失效、確保可靠性能正變得空前重要。
多物理場分析：易于使用的靈活方法
多物理場仿真曾經(jīng)被視為僅適用于專家的高級工程策略，現(xiàn)在已成了許多行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)套件中的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。利用多物理場研究來預(yù)測和驗證產(chǎn)品在各種工作條件下的性能，同時解釋各種物理力的效應(yīng)，工程團(tuán)隊能夠消除許多現(xiàn)實產(chǎn)品失效的來源。
多物理場仿真曾經(jīng)被視為僅適用于專家的高級工程策略，現(xiàn)在已成了許多行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)套件中的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。利用多物理場研究來預(yù)測和驗證產(chǎn)品在各種工作條件下的性能，同時解釋各種物理力的效應(yīng)，工程團(tuán)隊能夠消除許多現(xiàn)實產(chǎn)品失效的來源。
此前，人們通過一系列互不關(guān)聯(lián)的單物理研究形式來開展多個物理研究，也就是分別研究流體、結(jié)構(gòu)、熱和電子效應(yīng)，而現(xiàn)在，工程師們越來越深刻地認(rèn)識到不同物理場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)用多物理場研究。工程團(tuán)隊通常從此前完成的物理場仿真或試驗中傳輸數(shù)據(jù)，以此開始鏈接多個物理場，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順序仿真的高保真性。
有時物理場內(nèi)在地緊密耦合，重要的迭代不能通過順序仿真而捕獲。這種情況包括閥門設(shè)計、空氣動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)的同時仿真或者說進(jìn)行雙向協(xié)同仿真，以同時求解多個物理場，還能夠考慮到所有物理力的緊密迭代問題。
ANSYS支持一系列靈活的多物理場選項，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)隊所選擇的多物理場耦合能提供適當(dāng)?shù)男畔ⅲ瑤椭麄兘鉀Q當(dāng)前以及未來的問題。各級的ANSYS多物理場仿真支持高魯棒性設(shè)計優(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 多物理場研究可幫助工程師解決復(fù)雜挑戰(zhàn)，包括設(shè)計塑料包裝，確保牢固和輕量化，同時滿足客戶的需求
為多物理場成功做好準(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)見到高魯棒性設(shè)計過程中日益增多的多物理場仿真需求，從而開發(fā)了強(qiáng)大的功能支持多物理場研究，即更快速度、更加優(yōu)化和更加直觀。ANSYS在各個物理領(lǐng)域的領(lǐng)先地位結(jié)合其對參數(shù)設(shè)計優(yōu)化的支持使得ANSYS成為解決今天復(fù)雜設(shè)計挑戰(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)備以及高級材料的產(chǎn)品應(yīng)用等。
ANSYS Workbench的持續(xù)功能改進(jìn)帶來了簡單、適應(yīng)性強(qiáng)的多物理場仿真解決方案，開箱即用。Workbench的拖放式耦合功能可以簡單地設(shè)置一系列多物理場研究，支持單向順序仿真以及雙向協(xié)同仿真。
利用靈活、開放、精確、自動化的數(shù)據(jù)交換功能，Workbench使得試驗數(shù)據(jù)、來自第三方的數(shù)據(jù)和其它物理場仿真的數(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，高級方法和驗證過程都能支持高速度和高精確性。
工程師只針對一種物理特性優(yōu)化產(chǎn)品性能時，很難實現(xiàn)最佳的產(chǎn)品設(shè)計。
同類最佳帶來激勵和啟迪
如果進(jìn)行多物理場仿真對于您的工程團(tuán)隊來說似乎是可望而不可即的，那么本期的ANSYS Advantage或許會帶來巨大的激勵和啟迪作用。以下我們將通過第一手的經(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踐、以及通過多物理場研究來大幅地改進(jìn)開發(fā)工作。
三分之一的ANSYS客戶已在進(jìn)行多物理場仿真的研究了，以優(yōu)化其產(chǎn)品開發(fā)過程。在今后幾年開展相關(guān)研究的客戶數(shù)量肯定會大幅上升，因為越來越多的工程師都會認(rèn)識到耦合物理場的優(yōu)勢和便捷性。
當(dāng)仿真技術(shù)剛剛推出時，許多工程團(tuán)隊不愿意跨越數(shù)字壁壘去擁抱仿真的強(qiáng)大實力，而在今天，仿真已然成為了各行各業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工程實踐。多物理場仿真代表著產(chǎn)品工程的未來，隨著開發(fā)團(tuán)隊努力去應(yīng)對復(fù)雜性，提高信心，以進(jìn)一步縮短開發(fā)周期和生產(chǎn)過程并降低成本，多物理場仿真很快將成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。
我們衷心希望本期ANSYS Advantage能激勵您擴(kuò)大多物理場仿真技術(shù)在您自身的產(chǎn)品開發(fā)組織機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，從而讓您在這一場工程新革命中大獲裨益。
圖6 TMA Materials Technology采用了多物理場仿真技術(shù)優(yōu)化材料性能
同時仿真所有物理場并用多物理場結(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，加快實現(xiàn)最佳設(shè)計，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——多物理場
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