《机械系统建模仿真与优化》 课件 第八章 多物理场耦合仿真及应用.pptx

第八章多物理场耦合仿真及应用

模型定义

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表格8.3尺寸

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结果与讨论

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目录

在当今的工程和科学研究中，多物理场耦合仿真技术已成为一个不可或缺的工具。它涉及多个物理学领域的相互作用，如流体动力学、结构力学、电磁学、热传递等。这种技术使研究人员能够更准确地模拟和预测复杂系统的行为，为各种工程设计和科学问题提供解决方案。

多物理场仿真的复杂性要求使用高级计算方法和软件，常见的仿真软件包括ANSYS、COMSOLMultiphysics等，它们提供了强大的工具集来处理这些复杂的交互和耦合问题。此外，多物理场仿真还需要深入的理论知识和实验数据支持，以确保仿真的准确性和实用性。

本章将系统地介绍多物理场耦合仿真的理论基础、数学模型、计算方法以及广泛的应用实例。将结合理论分析和案例研究，帮助读者了解多物理场耦合仿真理论、方法及应用。

1多物理场耦合概念与案例

1.1多物理场的概念

多物理场耦合仿真是一个涉及不同物理学领域相互作用和影响的研究领域，旨在模拟和分析多种物理现象的共同作用及其对系统行为的综合影响。在现实世界中，大多数工程问题都不是孤立存在的，而是涉及多种物理过程的相互作用。这些物理现象可能包括力学、热力学、电磁学、流体力学等。例如，电子设备的工作不仅涉及电磁场的变化，同时还可能涉及到热传递问题和结构变形。各种物理过程不是孤立存在的，而是通过各种耦合效应相互作用，共同决定系统的行为。多物理场仿真正是要在一个统一的框架下模拟这些复杂的相互作用。其主要关键特征如表8.1所示。

表8.1多物理场耦合关键特征

1多物理场耦合概念与案例

1.2工程中的多物理场耦合案例

多物理场耦合仿真在许多行业中发挥着至关重要的作用，包括航空航天、汽车工业、生物医学工程、电力电子等领域。例如，在航空航天领域，研究人员利用多物理场仿真来预测飞机结构在复杂载荷和环境条件下的响应。在生物医学领域，通过模拟血流动力学与血管壁的相互作用，可以更好地理解疾病机理和开发新的治疗策略。

生物医学工程：模拟生物组织的电、热、力响应，用于疾病诊断和治疗技术的开发。

半导体设备：仿真器件在操作过程中的热效应和电磁效应，优化设计以提高性能和可靠性。

能源系统：如核反应堆的热力行为和结构完整性分析，风力涡轮的流体动力和结构动力耦合分析。

汽车工业：模拟车辆组件在不同物理作用下的耐久性和效率，如电动车电池的热管理系统。

接下来介绍部分工程中具体的多物理场耦合现象以及案例：

1多物理场耦合概念与案例

电磁生热

电流在流经电阻时，电能转化为热能的过程称为焦耳热（也称电阻加热或欧姆加热）。

如图8.1所示，当电流通过电导率有限的固体或液体时，其材料中的电阻损耗会使电能转化为热能。当传导电子通过碰撞的方式将能量传递给导体的原子时，便会在微小尺度上产生热量。

图8.1焦耳热引起的温度分布

1多物理场耦合概念与案例

电磁生热

●焦耳热在设计中的应用

在某些情况下，电气设备的设计需要使用焦耳热效应；但在另一些情况下，我们又希望避免这种效应。

一些依赖于焦耳热的应用包括电热板（直接作用），以及用于流体控制的微型阀（间接作用，通过热膨胀实现）。

在设计过程中，我们可以根据需要采取相应的措施，减小焦耳热效应。电气系统元件（如电子产品中的导体、电暖气、电线和保险丝等）的设计尤其如此，这些材料在受热时会老化甚至熔化。为了防止这些元件和设备过热，工程师们常常在设计中采用对流冷却。

如图8.2所示是以焦耳热方式在加热电路中引发机械应力的一个例子。在电路上施加电压后，玻璃板上的导电层会产生焦耳热；这反过来又会影响电路的结构完整性，并使玻璃板发生弯曲。

1多物理场耦合概念与案例

压电效应

压电效应是指某些材料在机械应力作用下，其中产生的电极化强度发生改变的现象。这种与应力相关的极化强度变化，具体表现为整个材料会产生可测量的电势差，称之为正压电效应。我们可以在许多天然的晶体材料（包括石英、酒石酸钾钠甚至人体骨骼）中观察到这一现象，而铌酸锂和锆钛酸铅（PZT）等工程材料则会表现出更明显的压电效应。

需要注意的是这个现象有一个重要的特征，即这一过程是可逆的。逆压电效应指的是这些材料在电场作用下产生变形的现象。根据电场方向、特定的材料极化方向的不同，以及该材料与相邻结构的连接方式，这种变形可能导致材料中产生拉伸或压缩的应变和应力。如图8.3所示为压电剪切驱动梁模型。

1多物理场耦合概念与案例

压电效应

图8.3压电剪切驱动梁模型

●压电效应在设计中的应用

1多物理场耦合概念与案例

压电效应

压电材料被广泛应用