工程多物理場耦合分析方法
2023-05-03 04:07:06 3
專利名稱：工程多物理場耦合分析方法
技術領域：
本發明屬於仿真領域，特別是適用於對汽車、航空航天、船舶、重工業、鐵道機車、裝備製造、電子、生物醫學等領域的部件特性、性能進行多物理場耦合仿真分析的方法。
背景技術：
在汽車、航空航天、船舶、重工業、鐵道機車、裝備製造、電子、生物醫學等領域，需要對設備和部件的特性、性能的工程數值分析及多物理場耦合仿真分析。比如新能源汽車電機運轉時涉及到電磁場生熱、流體散熱，電磁力矩、轉子動力學現象，為確保電機安全可靠高效率地運行，對電機的電磁機械動力，損耗和效率、安全的分析就涉及到了電磁場、轉子動力學、流體場、溫度場、結構應力場之間的相互作用。目前很多CAE軟體具有不同程度的多物理場耦合分析功能，其分析原理可分為直接強耦合方法和跨程序之間的弱耦合實現方法兩種。其中的強耦合方法是把不同的物理場模型統一在同一 CAE分析軟體之下，集成一個統一的整體矩陣方程，對耦合體系的所有變量同時求解和更新；目前具有代表性的具有強耦合方法處理流-固耦合分析CAE軟體產品包括ADINA，INTESIM。其中的跨程序之間的弱耦合處理方法是不同的CAE軟體分別求解不同的物理場問題，如ANSYS結構分析軟體求解結構問題，Fluent軟體求解流體問題，物理場/CAE軟體之間的數據傳遞和求解流程控制通過統一的耦合界面體系實現，如MpCCI，ANSYS-MFXo現有的強耦合方法的主要局限性是需要在同一軟體下集成不同物理模型，無法充分利用已有商業軟體的功能，同時集成的整體矩陣條件數較差，未知數規模大不利於高效的並行技術的實現。而現有的跨程序之間的弱耦合實現方法採用的數據或信息傳遞方式是基於網絡信息傳遞技術(如Socket技術)，同時在不同程序內部需要設置同步點，主要局限性在於1)需要把已有CAE軟體與耦合界面提供的庫文件函數連接起來；幻需要增加耦合界面軟體所需要的一定格式的數據獲取和數據存放函數，對不同耦合界面需要分別編寫；3)需要在已有程序下設定同步點並在同步點插入相應的數據存取函數。以上工作不僅需要專業研發人員的參與完成，同時對於用戶也增加了使用難度和技術支持負擔，結果導致了跨多程序之間不同載荷的耦合實現的局限性。
發明內容
本發明針對現有的跨程序之間的弱耦合實現方法存在的上述局限性，提出了一工程多物理場耦合分析方法。本發明採用的技術手段如下一種工程多物理場耦合分析方法，其特徵在於包括以下步驟步驟1 從不同CAE分析系統的物理場數值模型中，獲取與載荷傳遞相關的數據信息；步驟2 設定不同CAE分析系統的物理場數值模型之間的載荷傳遞關係，設定不同CAE分析系統的物理場數值模型的求解順序，並設定載荷傳遞收斂控制準則；
步驟3 按照設定的求解順序，通過迭代循環的方式，對不同CAE分析系統的物理場數值模型實時的基於載荷傳遞關係進行載荷數據轉換與傳遞；步驟4 在不同的物理場數值模型中顯示計算結果。本發明提供了一種靈活、通用、便利的跨CAE軟體之間的耦合工具平臺，可以跨不同CAE分析軟體進行多物理場耦合分析的流程控制、非線性迭代控制、載荷傳遞控制，完成複雜的多物理場耦合分析。與傳統的強耦合方法以及基於網絡數據傳遞工具和函數控制方法比，本方法最大限度的應用了現有的CAE軟體的功能，對於已有IO接口的CAE軟體不需要進行任何改造和新的開發直接可以在該技術平臺下進行多場耦合分析。不僅節約了研發成本、軟體使用成本同時大大提高了耦合場分析軟體的易用性，為工程多物理場分析在工業設計的應用推廣勢必起到積極的作用，有助於複雜工業問題的性能分析和創新設計。
圖1是本發明工程多物理場耦合分析方法的流程圖。圖2是本發明載荷數據轉換的示意圖。圖3是耦合界面網格剖分方式不同情況下流體-固體耦合界面示意圖。圖4是三維面網格下映射插值的示意圖。圖5是生成的螺杆問題的熱-應力網格模型。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。如圖1所示，本發明工程多物理場耦合分析方法包括以下步驟步驟1 從不同CAE分析系統的物理場數值模型中，獲取與載荷傳遞相關的數據信肩、ο步驟2 設定不同CAE分析系統的物理場數值模型之間的載荷傳遞關係，設定不同CAE分析系統的物理場數值模型的求解順序，並設定載荷傳遞收斂控制準則。步驟3 按照設定的求解順序，通過迭代循環的方式，對不同CAE分析系統的物理場數值模型實時的基於載荷傳遞關係進行載荷數據轉換與傳遞。參照圖2所示，對不同CAE分析系統的物理場數值模型實時的基於載荷傳遞關係進行載荷數據轉換的步驟又包括以下步驟1 載荷數據轉換接口讀取一 CAE分析系統中物理場數值模型1的載荷數據。2 載荷數據轉換接口對載荷數據進行映射和插值操作，將物理場數值模型1的載荷數據轉換到另一 CAE分析系統中物理場數值模型2的網格上，並輸出對物理場數值模型2進行分析所需的載荷數據格式。3 另一 CAE分析系統讀入轉換到物理場數值模型2的網格上的載荷數據，並對該模型進行分析。本發明在處理耦合界面載荷或數據傳遞時允許不同物理場在耦合界面的網格剖分不同，如圖3所示(圖3中，實際中不同物理場之間的界面縫隙為零)需要高效的映射技術和插值技術，為此，本發明採用Bucket karch法以提高尋找效率，同時在插值操作上採用基於單元局部坐標的線性插值方式。該基於單元局部坐標的線性插值方式又包括以下步驟找到目標點在源項網格上的單元以及局部坐標值，根據源項網格單元各個節點的值，以及目標點在源項網格單元的局部坐標值採用線性插值的方法求得目標點的數值，如圖4所示；圖4中，虛線所框區域A是目標網格，實線所框區域B是源項網格。由於界面傳遞載荷的收斂性是保證耦合方法載荷傳遞精度的關鍵，本發明採用緩和因子的方法來控制載荷數據的傳遞速度，該步驟表示為Fw = F^aX(Fext-Fi)其中，Fi+1是i+Ι迭代步傳遞到受載模型的載荷，Fi是前一迭代步i傳遞到受載模型的載荷，Frart是當前的最新的應施加外載，α是緩和因子，數值在(0，1.0)之間。界面載荷收斂判斷條件表示如下I IFw-FiI / Fj < ε其中，ε是實現指定的小數，I |*| I是向量模。步驟4 在不同的物理場數值模型中顯示計算結果。在施加邊界條件的情況下，分析結果是速度、應力、位移、溫度或其他量值，以雲圖、流線、動畫的形式顯示，能夠在不同的物理模型中可以顯示多種繪圖。步驟1之前，還可包括以下步驟1 建立模型CAD格式的數學模型。其中CAD格式文件是指用CAD軟體建立的三維模型。2 基於CAD模型進行有限元或有限體積的網格剖分，得到網格模型。該網格剖分可以在通用的網格剖分工具下完成或者在具有網格剖分工能的CAE軟體下完成。3 將網格模型導入到相應的CAE分析系統建立相應的物理模型。物理模型指真實的物理場通過該程序在計算機中的反映，包括結構場、流體場、溫度場、靜電場、磁場、電場、壓電場等。4 =CAE分析系統設定物理場數值模型的分析條件，設定材料參數，施加邊界條件，設定計算的初始條件以及輸出調節控制等完成各個CAE分析系統下物理場數值模型的設定。下面通過對溫度載荷作用下的固體螺杆所產生的熱應力的分析，舉例說明上述分析方法的具體過程Stepl 打開圖形用戶界面。St印2 導入乂印格式的幾何文件。St印3 生成網格，又包括步驟1.創建幾何邊界條件；2.剖分網格，網格結果顯示如圖5所示；3.保存文件；St印4 創建物理模型，又包括步驟Step4. 1 設置熱模型；在〃 Thermal"物理模型下1.仿真設置；
2.導入網格組件；3.指定單元類型；4.加載材料；5.設定材料屬性；6.施加邊界條件；7.求解熱模型；8.顯示熱結果；Step4. 2 設定固體物理模型；在〃Solid"環境下1.仿真設定；2.導入網格組件；3.指定單元類型；4.加載材料；5.指定材料特性；6.設定邊界條件；7.測試求解實體模型；8.顯示結果。St印5 設定溫度應力耦合問題，又包括以下步驟1.刪除不相關的BCs ；2.設定耦合條件；3.創建並行求解組。乂印6:保存輸入並求解。Step7 顯示結果。本發明提供了一種靈活、通用、便利的跨CAE軟體之間的耦合工具平臺，可以跨不同CAE分析軟體進行多物理場耦合分析的流程控制、非線性迭代控制、載荷傳遞控制，完成複雜的多物理場耦合分析。與傳統的強耦合方法以及基於網絡數據傳遞工具和函數控制方法比，本方法最大限度的應用了現有的CAE軟體的功能，對於已有IO接口的CAE軟體不需要進行任何改造和新的開發直接可以在該技術平臺下進行多場耦合分析。不僅節約了研發成本、軟體使用成本同時大大提高了耦合場分析軟體的易用性，為工程多物理場分析在工業設計的應用推廣勢必起到積極的作用，有助於複雜工業問題的性能分析和創新設計。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種工程多物理場耦合分析方法，其特徵在於包括以下步驟步驟1 從不同CAE分析系統的物理場數值模型中，獲取與載荷傳遞相關的數據信息；步驟2 設定不同CAE分析系統的物理場數值模型之間的載荷傳遞關係，設定不同CAE分析系統的物理場數值模型的求解順序，並設定載荷傳遞收斂控制準則；步驟3 按照設定的求解順序，通過迭代循環的方式，對不同CAE分析系統的物理場數值模型實時的基於載荷傳遞關係進行載荷數據轉換與傳遞；步驟4 在不同的物理場數值模型中顯示計算結果。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於對不同CAE分析系統的物理場數值模型實時的基於載荷傳遞關係進行載荷數據轉換的步驟又包括以下步驟1載荷數據轉換接口讀取一 CAE分析系統中物理場數值模型1的載荷數據；2載荷數據轉換接口對載荷數據進行映射和插值操作，將物理場數值模型1的載荷數據轉換到另一 CAE分析系統中物理場數值模型2的網格上，並輸出對物理場數值模型2進行分析所需的載荷數據格式；3另一 CAE分析系統讀入轉換到物理場數值模型2的網格上的載荷數據，並對該模型進行分析。
3.根據權利要求2的方法，其特徵在於採用Bucketkarch的映射操作和基於單元局部坐標的線性插值方式的插值操作。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於基於單元局部坐標的線性插值方式又包括以下步驟找到目標點在源項網格上的單元以及局部坐標值，根據源項網格單元各個節點的值，以及目標點在源項網格單元的局部坐標值採用線性插值的方法求得目標點的數值。
5.根據權利要求1的方法，其特徵在於採用緩和因子的方法來控制載荷數據的傳遞速度，表示為Fw = F^aX(Fext-Fi)其中，Fi+1是i+Ι迭代步傳遞到受載模型的載荷，Fi是前一迭代步i傳遞到受載模型的載荷，Frait是當前的最新的應施加外載，α是緩和因子，數值在(0，1.0)之間；界面載荷收斂判斷條件表示如下IFw-FiI 1/1 IFiI < ε其中，ε是實現指定的小數，I |*| I是向量模。
6.根據權利要求1的方法，其特徵在於步驟1之前還包括以下步驟1建立模型CAD格式的數學模型；2基於CAD模型進行有限元或有限體積的網格剖分，得到網格模型；3將網格模型導入到相應的CAE分析系統建立相應的物理模型；4=CAE分析系統設定物理場數值模型的分析條件，設定材料參數，施加邊界條件，設定計算的初始條件以及輸出調節控制等完成各個CAE分析系統下物理場數值模型的設定。
全文摘要
本發明公開了一種工程多物理場耦合分析方法，包括1獲取不同物理場數值模型中與載荷傳遞相關的數據信息；2設定不同物理場數值模型之間的載荷傳遞關係，設定不同CAE分析系統的物理場數值模型的求解順序，並設定載荷傳遞收斂控制準則；3按照設定的求解順序，通過迭代循環的方式對不同物理場數值模型實時的基於載荷傳遞關係進行載荷數據轉換與傳遞；4在不同物理模型中顯示計算結果。該方法最大限度應用了現有CAE軟體的功能，對已有CAE軟體無需進行改造，節約了研發成本、軟體使用成本同時提高了耦合場分析軟體的易用性，為工程多物理場分析在工業設計的應用推廣起到積極的作用，有助於複雜工業問題的性能分析和創新設計。
文檔編號G06F17/50GK102592016SQ201110460238
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者張群 申請人:英特工程仿真技術(大連)有限公司