�(xiàn)實工程中,物理場是許多的,溫度場,應(yīng)力場,濕度場等等均屬于物理場,而我們要解決的許多問題是這些物理場的疊加問題,因為這些物理場之間是相互影響�。比如煉鋼的時候溫度高低對于應(yīng)力分布就有影��
這種多個物理場相互疊加的問題就叫做多場耦合問題,也是一種耦合�
隨著計算機技�(shù)的迅速發(fā)展,在工程領(lǐng)域中,有限元分析(FEA)越來越多地用于仿真模擬,來求解真實的工程問�。這些年來,越來越多的工程�、應(yīng)用數(shù)學家和物理學家已�(jīng)證明這種采用求解偏微分方程(PDE)的方法可以求解許多物理�(xiàn)�,這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及�(jié)�(gòu)力學等等。有限元方法用來將這些眾所周知的數(shù)學方程轉(zhuǎn)化為近似的數(shù)字式圖象�
早期的有限元主要�(guān)注于某個領(lǐng)�,比如應(yīng)力或疲勞,但�,一般來說,物理�(xiàn)象都不是單獨存在�。例�,只要運動就會產(chǎn)生熱,而熱反過來又影響一些材料屬�,如電導�、化學反�(yīng)速率、流體的粘性等�。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�。很明顯,我們現(xiàn)在需要一個多物理場分析工��
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�,有限元建模也局限于對單個物理場的模�,最常見的也就是對力�、傳�、流體以及電磁場的模�??雌饋碛邢拊抡娴拿\好像也就是對單個物理場的模��
�(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簡潔而又快速的算法,更強勁的硬件配置,使得對多物理場的有限元模擬成為可�。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�(tǒng)的求解需�。有限元的未來在于多物理場求解�
千言萬語道不�,下面只能通過幾個例子來展示多物理場的有限元分析在未來的一些潛在應(yīng)��
壓電擴音器(Piezoacoustic transducer)可以將電流�(zhuǎn)換為聲學壓力場,或者反過來,將聲場�(zhuǎn)換為電流�。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�,超聲生物成像儀,聲納傳感器,聲學生物治療儀等,也可用在一些機械裝置比如噴墨機和壓電馬達等�
壓電擴音器涉及到三個不同的物理場:�(jié)�(gòu)�,電場以及流體中的聲�。只有具有多物理場分析能力的軟件才能求解這個模型�
壓電材料選用PZT5-H晶體,這種材料在壓電傳感器中用得比較廣泛。在空氣和晶體的交界面處,將聲場邊界條件�(shè)置為壓力等于�(jié)�(gòu)場的法向加速度,這樣可以將壓力傳到空氣中�。另外,晶體域中又會因為空氣壓力對其的影響而產(chǎn)生變�。仿真研究了在施加一個幅�200V,震蕩頻率為300 KHz的電流后,晶體產(chǎn)生的聲波傳播。這個模型的描述及其完美的結(jié)果表明在任何復雜的模型下,我們都可以用一系列的數(shù)學模型進行表達,進而求��
多物理場建模的另外一個優(yōu)勢就是在學校里,學生們直觀地獲取了以前無法見到的一些現(xiàn)�,而簡單易懂的表達方式也獲得了學生們的好感。這只是Krishan Kumar Bhatia博士在紐約Glassboro的Rowan 大學給高年級的畢�(yè)生講授傳熱方程課程時介紹建模及分析工具所感受到的,他的學生的課題是如何冷卻一個摩托車的發(fā)動機�。Bhatia博士教他�?nèi)绾卫谩霸O(shè)計-制造-檢測”的理念來判斷問�、找出問�、解決問�。如果沒有計算機仿真的應(yīng)�,這種方法在課堂上推廣是不可想象的,因為所需費用實在是太大了�
很多的高科技工程公司已經(jīng)看到多物理場�??梢詭椭麄儽3指偁�?。多物理場建模工具可以讓工程師進行更多的虛擬分析而不是每次都需要進行實物測試。這樣,他們就可以快速而經(jīng)濟地�(yōu)化產(chǎn)品。在印度尼西亞的Medrad Innovations Group中,由John Kalafut博士帶領(lǐng)著一個研究小�,采用多物理場分析工具來研究細長的注射器中血細胞的注射過�,這是一種非牛頓流體,而且具有很高的剪切速率�
計算機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)�,未來的幾年�(nèi),多物理場分析工具將會給學術(shù)界和工程界帶來震驚。單�(diào)的“設(shè)計-校驗”的�(shè)計方法將會慢慢被淘汰,虛擬造型技�(shù)將讓你的思想走得更遠,通過模擬仿真將會點燃�(chuàng)新的火花�