工程仿真在各方面都發揮著重要作用，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、幫助我們保持健康的醫療設備乃至我們的計算機、食品等。自ANSYS于40多年前率先推出了仿真軟件以來，仿真技術已經取得了極大的推廣，全球各行業各學科領域里的工程團隊都在使用仿真技術。
今天，世界大多數工程團隊都在產品開發的設計階段采用仿真工具和方法，用高級數值分析來取代高成本的物理原型設計和測試。
從歷史上看，工程師要一定程度地簡化仿真以滿足產品推出時限的要求，同時改善用戶最重視的性能領域。這就往往意味著工程師要關注于單個對產品性能影響最大的物理現象。
舉例來說，一級方程式賽車的設計人員此前一直集中資源通過計算流體動力學（CFD）仿真來改善空氣動力學性能。
建筑或農業設備的設計人員則利用機械仿真軟件來優化產品承受重力的能力。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注某一種物理力的做法不僅可了解關鍵的產品特性，而且通常有助于大幅提高性能，并能比傳統的試驗和物理原型設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化產品性能，已經很難再獲得最佳的產品設計了。要了解所有涉及的作用力，精確地預見產品的工作情況，就必須考慮所有相關的物理力。
同時仿真所有物理場并用多物理場結果執行參數優化，這能夠幫助工程師快速了解產品性能的重要信息，以加快實現最佳設計，并能加速產品的上市進程。
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對空氣動力學、高功率、結構完整性和輕量性的相互平衡有全新的認識。重型設備制造商不僅能消除結構弱點，還能避免導致部件變形和失效的熱應力。PCB產品設計人員則能遠遠超出EMI分析，集中精力解決影響多個組件和焊點的熱效應問題。
圖1 杜克大學的高溫研究部門采用多物理場仿真技術開發新型非侵入式膀胱癌治療法
產品復雜性：日益艱巨的挑戰
在幾乎所有的行業領域，多物理場研究都能幫助工程師應對更大的挑戰，即不斷增加的產品設計復雜性。
現代化的產品開發趨勢包括電子設備功率密度的提升、各個行業領域的產品小型化、消費者對于智能產品需求的提升、高級材料的更多使用以及對于可持續性的更大關注等，這些都會帶來特殊挑戰。
密集封裝的電子產品需要適當的散熱，而提供散熱功能的風扇和散熱片必須進行仔細設計。芯片制造商則需要了解電路板以及焊點的熱效應影響——特別是溫度波動造成的熱變形——這樣才能開發出不會在設計和非設計條件下發生故障的高穩健電子產品。
越來越多地用于納米級操作的醫療設備必須確保在強流體和體積力作用下的完美工作。在預測特殊設備或程序的行為時，每一個病人的身體幾何結構、血管收縮、血流模式和周圍內臟器官的情況都必須同時考慮到。
新型高級復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外殼不僅要進行熱電性能優化，還要做到空氣動力學性能、振動響應、能源效率以及長期可靠性的優化。
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研究如何通過磁約束等離子體來實現核聚變
ANSYS Workbench基礎的深度高級求解器技術包括高性能計算（HPC）功能和并行可擴展性，能夠加速大型數字多物理場仿真的求解。業界領先的ANSYS求解器技術不僅可以方便地支持網格數量龐大的大型幾何結構，也能支持詳細多物理場分析時生成的海量數據。Workbench在協同仿真期間可管理不同物理求解器之間的復雜相互作用。
圖3 采用ANSYS的多物理場仿真工具模擬天基通信衛星天線在惡劣條件下工作
綜合解決當今的仿真挑戰
除了提供上述基礎功能外，ANSYS還提供一系列仿真平臺服務，能夠幫助產品開發團隊通過多物理場的仿真支持高魯棒性設計優化。
ANSYS Design Xplorer幫助工程師通過參數分析探索、了解和優化設計，并能集中精力加速找到最佳設計，同時通過多物理場分析深入研究了所有相關物理場的相互作用。
ANSYS Engineering Knowledge Manager（EKM）幫助產品開發團隊管理多物理場研究產生的大規模信息。ANSYS EKM能應對管理仿真數據涉及的許多關鍵活動，包括備份歸檔、跟蹤審核、過程的自動化、工程技術的協作捕獲以及知識產權保護等。
此外，ANSYS的降階建模（ROM）法可將一系列復雜的多物理場仿真轉換為0-D或者1-D模型，反映出系統級分析中的多物理場仿真動力學，同時能避免每個操作點重復運行仿真產生的高成本。無論產品開發團隊是需要3D建模的極高保真度還是低階仿真的廣泛視圖和快速結果，ANSYS都能提供無與倫比的可擴展性。
圖4 通過物理場研究確保較長的產品使用壽命
上述的各種趨勢對工程團隊提出了更大的挑戰，必須解決以下這些基本的開發問題：
◆產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最佳的平衡？
◆指定的材料能否承受預期的流體和機械力？
◆考慮到組件之間的熱傳遞，制冷夠不夠？
◆產品的生產能否節約時間和成本，同時最大限度地節約材料、能源和減少廢物？
不斷增加的設計復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
多物理場仿真曾經被視為僅適用于專家的高級工程策略，現在已成了許多行業產品開發套件中的標準組成部分。利用多物理場研究來預測和驗證產品在各種工作條件下的性能，同時解釋各種物理力的效應，工程團隊能夠消除許多現實產品失效的來源。
多物理場仿真曾經被視為僅適用于專家的高級工程策略，現在已成了許多行業產品開發套件中的標準組成部分。利用多物理場研究來預測和驗證產品在各種工作條件下的性能，同時解釋各種物理力的效應，工程團隊能夠消除許多現實產品失效的來源。
此前，人們通過一系列互不關聯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、結構、熱和電子效應，而現在，工程師們越來越深刻地認識到不同物理場之間的相互作用非常重要，必須進行更深入的研究。
ANSYS預計到有關需求，并打造了一系列易于使用的靈活功能，有助于更好地應用多物理場研究。工程團隊通常從此前完成的物理場仿真或試驗中傳輸數據，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。作為邊界數據一次傳輸的結果或者在仿真中多次傳輸的結果構成了單向多物理場分析的基礎。在ANSYS軟件的支持下，初始和邊界數據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據的同時仿真或者說進行雙向協同仿真，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，能幫助工程組織機構從戰略角度部署資源。研發團隊所選擇的多物理場耦合能提供適當的信息，幫助他們解決當前以及未來的問題。各級的ANSYS多物理場仿真支持高魯棒性設計優化戰略，目標就是確保毫不妥協的產品質量。
圖5 多物理場研究可幫助工程師解決復雜挑戰，包括設計塑料包裝，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備
為了幫助客戶取得成功，ANSYS在所有物理領域都提供了持續領先的技術，其中包括流體動力學、結構力學、熱力學和電子等。技術領先至關重要。仿真軟件必須為所有物理場提供精確的高度穩健性結果，這樣才能夠捕獲它們之間復雜的相互作用。
ANSYS預見到高魯棒性設計過程中日益增多的多物理場仿真需求，從而開發了強大的功能支持多物理場研究，即更快速度、更加優化和更加直觀。ANSYS在各個物理領域的領先地位結合其對參數設計優化的支持使得ANSYS成為解決今天復雜設計挑戰的理想選擇，包括支持流體熱和流體機械系統、高穩健性電機和電子設備以及高級材料的產品應用等。
ANSYS Workbench的持續功能改進帶來了簡單、適應性強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置一系列多物理場研究，支持單向順序仿真以及雙向協同仿真。
利用靈活、開放、精確、自動化的數據交換功能，Workbench使得試驗數據、來自第三方的數據和其它物理場仿真的數據均能用于當前仿真。此外，與外部的軟件解決方案的數據交換也得到ANSYS應用定制套件（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，能優化包括外部技術解決方案的信息傳遞等特定的仿真功能。無論數據在ANSYS解決方案之間交換還是與外部軟件進行交換，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化產品性能時，很難實現最佳的產品設計。
同類最佳帶來激勵和啟迪
如果進行多物理場仿真對于您的工程團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歷介紹各行各業中的工程師如何應用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開發工作。
三分之一的ANSYS客戶已在進行多物理場仿真的研究了，以優化其產品開發過程。在今后幾年開展相關研究的客戶數量肯定會大幅上升，因為越來越多的工程師都會認識到耦合物理場的優勢和便捷性。
當仿真技術剛剛推出時，許多工程團隊不愿意跨越數字壁壘去擁抱仿真的強大實力，而在今天，仿真已然成為了各行各業的標準工程實踐。多物理場仿真代表著產品工程的未來，隨著開發團隊努力去應對復雜性，提高信心，以進一步縮短開發周期和生產過程并降低成本，多物理場仿真很快將成為業界標準。
我們衷心希望本期ANSYS Advantage能激勵您擴大多物理場仿真技術在您自身的產品開發組織機構中的應用，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優化材料性能
同時仿真所有物理場并用多物理場結果執行參數優化，這能夠幫助工程師快速了解產品性能的重要信息，加快實現最佳設計，并能加速產品的上市進程。
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本文標題：仿真的未來——多物理場
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