1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上有限元的未來是多物理場耦合分析早期的有限元主要關(guān)注于某個專業(yè)領域，比如應力或疲勞，這與當時計算機的計算能力相對應。但是，一般來說，物理現(xiàn)象都不是單獨存在的。例如，只要運動就會產(chǎn)生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性，如電導率、化學反應速率、流體的粘性等等。這種物理系統(tǒng)的耦合就是我們所說的多物理場，分析起來比我們單獨去分析一個物理場要復雜得多。常見的耦合問題有流-固耦合、電-熱耦合、熱-結(jié)構(gòu)耦合、熱-電-結(jié)構(gòu)耦合、聲-結(jié)構(gòu)耦合、流體-反應耦合、流體-熱耦合等。使用基于單元庫的模擬軟件，對上述各種耦合問題進行模擬，必須推導出相對應的耦合方程，其難度將是巨大的。物理系統(tǒng)中每增加

2、一個耦合的物理場，意味著數(shù)值計算的時候增加一個或多個未知的物理變量，同樣的離散條件下，計算的自由度數(shù)將會擴大。在上個世紀90年代以前，由于計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對單個物理場的模擬，最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬?？雌饋碛邢拊抡娴拿\好像也就是對單個物理場的模擬?，F(xiàn)在這種情況已經(jīng)開始改變。經(jīng)過數(shù)十年的努力，計算科學的發(fā)展為我們提供了更靈巧、更簡潔而又更快速的算法，強勁的硬件配置，使得對多物理場的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇，滿足了工程師對真實物理系統(tǒng)的求解需要。以流-固耦合來說，它是流體力學

3、與固體力學兩者之間相互作用產(chǎn)生的，其研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場的影響。流-固耦合的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用：固體在流體動載荷的作用下產(chǎn)生變形或運動，而固體的變形或運動反過來又會影響到流場，從而改變流場的分布。壓電擴音器(Piezoacoustic transducer)可以將電流轉(zhuǎn)換為聲學壓力場，或者反過來將聲場轉(zhuǎn)換為電場，這里涉及三個不同的物理場：結(jié)構(gòu)場、電場和流體中的聲場。這種裝置一般用在空氣或者液體中的聲源裝置上，比如相控陣麥克風、超聲生物成像儀、聲納傳感器和聲學生物治療儀等，也可用于一些機械裝置比如噴墨機和壓電馬達等?？茖W家已經(jīng)證明采用偏微分方

4、程組(PDEs)的方法可以求解多物理場現(xiàn)象。這些偏微分方程可以描述熱量傳遞、電磁場和結(jié)構(gòu)力學等各種物理過程?？梢赃@樣認定，多物理場的本質(zhì)是偏微分方程組。隨著計算機和計算技術(shù)的迅速發(fā)展，使得工程師可以輕松地用偏微分方程組描述現(xiàn)實中的多物理場問題。如果有一種算法或者軟件能直接對這些偏微分方程組進行求解，對科學研究與工程計算進程的推進將是巨大的。而多物理場問題的求解，其難度也是巨大的。在實際求解多物理場耦合問題時，需要考慮不同的耦合關(guān)系。根據(jù)耦合的相互作用關(guān)系，可以把耦合關(guān)系分為雙向耦合和單向耦合。物理場A通過邊界條件或源項對物理場B產(chǎn)生作用，而物理場B對A不產(chǎn)生作用，或其影響可被忽略，稱這種耦合是單向耦合。比如在熱應力問題中，溫度場會產(chǎn)生明顯的熱應力，但是由于變形而導致的溫度場的性質(zhì)變化并不顯著，這種問題可以簡化為單向耦合問題。如果物理場B也對A產(chǎn)生影響，則稱這種耦合為雙向耦合。比如電阻應變片上當電流改變時會產(chǎn)生熱量，熱量導致電阻率的改變，從而影響了電流的改變。實際上，只要一個場對另外一個場發(fā)生作用，反作用也是必然要出現(xiàn)的。所以，使用間接耦合的方式求解多物理場問題，其出發(fā)點即存在誤差。綜上所述，多物理場的計算，需要強大的計算機計算能力為后盾。計算機計算能力的提升使得有限元分析由單場分析到多場分析變成現(xiàn)實，未來的幾