专利名称：工程多物理场耦合分析方法
技术领域：
本发明属于仿真领域，特别是适用于对汽车、航空航天、船舶、重工业、铁道机车、装备制造、电子、生物医学等领域的部件特性、性能进行多物理场耦合仿真分析的方法。
背景技术：
在汽车、航空航天、船舶、重工业、铁道机车、装备制造、电子、生物医学等领域，需要对设备和部件的特性、性能的工程数值分析及多物理场耦合仿真分析。比如新能源汽车电机运转时涉及到电磁场生热、流体散热，电磁力矩、转子动力学现象，为确保电机安全可靠高效率地运行，对电机的电磁机械动力，损耗和效率、安全的分析就涉及到了电磁场、转子动力学、流体场、温度场、结构应力场之间的相互作用。目前很多CAE软件具有不同程度的多物理场耦合分析功能，其分析原理可分为直接强耦合方法和跨程序之间的弱耦合实现方法两种。其中的强耦合方法是把不同的物理场模型统一在同一 CAE分析软件之下，集成一个统一的整体矩阵方程，对耦合体系的所有变量同时求解和更新；目前具有代表性的具有强耦合方法处理流-固耦合分析CAE软件产品包括ADINA，INTESIM。其中的跨程序之间的弱耦合处理方法是不同的CAE软件分别求解不同的物理场问题，如ANSYS结构分析软件求解结构问题，Fluent软件求解流体问题，物理场/CAE软件之间的数据传递和求解流程控制通过统一的耦合界面体系实现，如MpCCI，ANSYS-MFXo现有的强耦合方法的主要局限性是需要在同一软件下集成不同物理模型，无法充分利用已有商业软件的功能，同时集成的整体矩阵条件数较差，未知数规模大不利于高效的并行技术的实现。而现有的跨程序之间的弱耦合实现方法采用的数据或信息传递方式是基于网络信息传递技术(如Socket技术)，同时在不同程序内部需要设置同步点，主要局限性在于1)需要把已有CAE软件与耦合界面提供的库文件函数连接起来；幻需要增加耦合界面软件所需要的一定格式的数据获取和数据存放函数，对不同耦合界面需要分别编写；3)需要在已有程序下设定同步点并在同步点插入相应的数据存取函数。以上工作不仅需要专业研发人员的参与完成，同时对于用户也增加了使用难度和技术支持负担，结果导致了跨多程序之间不同载荷的耦合实现的局限性。
发明内容
本发明针对现有的跨程序之间的弱耦合实现方法存在的上述局限性，提出了一工程多物理场耦合分析方法。本发明采用的技术手段如下一种工程多物理场耦合分析方法，其特征在于包括以下步骤步骤1 从不同CAE分析系统的物理场数值模型中，获取与载荷传递相关的数据信息；步骤2 设定不同CAE分析系统的物理场数值模型之间的载荷传递关系，设定不同CAE分析系统的物理场数值模型的求解顺序，并设定载荷传递收敛控制准则；
步骤3 按照设定的求解顺序，通过迭代循环的方式，对不同CAE分析系统的物理场数值模型实时的基于载荷传递关系进行载荷数据转换与传递；步骤4 在不同的物理场数值模型中显示计算结果。本发明提供了一种灵活、通用、便利的跨CAE软件之间的耦合工具平台，可以跨不同CAE分析软件进行多物理场耦合分析的流程控制、非线性迭代控制、载荷传递控制，完成复杂的多物理场耦合分析。与传统的强耦合方法以及基于网络数据传递工具和函数控制方法比，本方法最大限度的应用了现有的CAE软件的功能，对于已有IO接口的CAE软件不需要进行任何改造和新的开发直接可以在该技术平台下进行多场耦合分析。不仅节约了研发成本、软件使用成本同时大大提高了耦合场分析软件的易用性，为工程多物理场分析在工业设计的应用推广势必起到积极的作用，有助于复杂工业问题的性能分析和创新设计。
图1是本发明工程多物理场耦合分析方法的流程图。图2是本发明载荷数据转换的示意图。图3是耦合界面网格剖分方式不同情况下流体-固体耦合界面示意图。图4是三维面网格下映射插值的示意图。图5是生成的螺杆问题的热-应力网格模型。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。如图1所示，本发明工程多物理场耦合分析方法包括以下步骤步骤1 从不同CAE分析系统的物理场数值模型中，获取与载荷传递相关的数据信肩、ο步骤2 设定不同CAE分析系统的物理场数值模型之间的载荷传递关系，设定不同CAE分析系统的物理场数值模型的求解顺序，并设定载荷传递收敛控制准则。步骤3 按照设定的求解顺序，通过迭代循环的方式，对不同CAE分析系统的物理场数值模型实时的基于载荷传递关系进行载荷数据转换与传递。参照图2所示，对不同CAE分析系统的物理场数值模型实时的基于载荷传递关系进行载荷数据转换的步骤又包括以下步骤1 载荷数据转换接口读取一 CAE分析系统中物理场数值模型1的载荷数据。2 载荷数据转换接口对载荷数据进行映射和插值操作，将物理场数值模型1的载荷数据转换到另一 CAE分析系统中物理场数值模型2的网格上，并输出对物理场数值模型2进行分析所需的载荷数据格式。3 另一 CAE分析系统读入转换到物理场数值模型2的网格上的载荷数据，并对该模型进行分析。本发明在处理耦合界面载荷或数据传递时允许不同物理场在耦合界面的网格剖分不同，如图3所示(图3中，实际中不同物理场之间的界面缝隙为零)需要高效的映射技术和插值技术，为此，本发明采用Bucket karch法以提高寻找效率，同时在插值操作上采用基于单元局部坐标的线性插值方式。该基于单元局部坐标的线性插值方式又包括以下步骤找到目标点在源项网格上的单元以及局部坐标值，根据源项网格单元各个节点的值，以及目标点在源项网格单元的局部坐标值采用线性插值的方法求得目标点的数值，如图4所示；图4中，虚线所框区域A是目标网格，实线所框区域B是源项网格。由于界面传递载荷的收敛性是保证耦合方法载荷传递精度的关键，本发明采用缓和因子的方法来控制载荷数据的传递速度，该步骤表示为Fw = F^aX(Fext-Fi)其中，Fi+1是i+Ι迭代步传递到受载模型的载荷，Fi是前一迭代步i传递到受载模型的载荷，Frart是当前的最新的应施加外载，α是缓和因子，数值在(0，1.0)之间。界面载荷收敛判断条件表示如下I IFw-FiI / Fj < ε其中，ε是实现指定的小数，I |*| I是向量模。步骤4 在不同的物理场数值模型中显示计算结果。在施加边界条件的情况下，分析结果是速度、应力、位移、温度或其他量值，以云图、流线、动画的形式显示，能够在不同的物理模型中可以显示多种绘图。步骤1之前，还可包括以下步骤1 建立模型CAD格式的数学模型。其中CAD格式文件是指用CAD软件建立的三维模型。2 基于CAD模型进行有限元或有限体积的网格剖分，得到网格模型。该网格剖分可以在通用的网格剖分工具下完成或者在具有网格剖分工能的CAE软件下完成。3 将网格模型导入到相应的CAE分析系统建立相应的物理模型。物理模型指真实的物理场通过该程序在计算机中的反映，包括结构场、流体场、温度场、静电场、磁场、电场、压电场等。4 =CAE分析系统设定物理场数值模型的分析条件，设定材料参数，施加边界条件，设定计算的初始条件以及输出调节控制等完成各个CAE分析系统下物理场数值模型的设定。下面通过对温度载荷作用下的固体螺杆所产生的热应力的分析，举例说明上述分析方法的具体过程Stepl 打开图形用户界面。St印2 导入乂印格式的几何文件。St印3 生成网格，又包括步骤1.创建几何边界条件；2.剖分网格，网格结果显示如图5所示；3.保存文件；St印4 创建物理模型，又包括步骤Step4. 1 设置热模型；在〃 Thermal"物理模型下1.仿真设置；
2.导入网格组件；3.指定单元类型；4.加载材料；5.设定材料属性；6.施加边界条件；7.求解热模型；8.显示热结果；Step4. 2 设定固体物理模型；在〃Solid"环境下1.仿真设定；2.导入网格组件；3.指定单元类型；4.加载材料；5.指定材料特性；6.设定边界条件；7.测试求解实体模型；8.显示结果。St印5 设定温度应力耦合问题，又包括以下步骤1.删除不相关的BCs ；2.设定耦合条件；3.创建并行求解组。乂印6:保存输入并求解。Step7 显示结果。本发明提供了一种灵活、通用、便利的跨CAE软件之间的耦合工具平台，可以跨不同CAE分析软件进行多物理场耦合分析的流程控制、非线性迭代控制、载荷传递控制，完成复杂的多物理场耦合分析。与传统的强耦合方法以及基于网络数据传递工具和函数控制方法比，本方法最大限度的应用了现有的CAE软件的功能，对于已有IO接口的CAE软件不需要进行任何改造和新的开发直接可以在该技术平台下进行多场耦合分析。不仅节约了研发成本、软件使用成本同时大大提高了耦合场分析软件的易用性，为工程多物理场分析在工业设计的应用推广势必起到积极的作用，有助于复杂工业问题的性能分析和创新设计。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种工程多物理场耦合分析方法，其特征在于包括以下步骤步骤1 从不同CAE分析系统的物理场数值模型中，获取与载荷传递相关的数据信息；步骤2 设定不同CAE分析系统的物理场数值模型之间的载荷传递关系，设定不同CAE分析系统的物理场数值模型的求解顺序，并设定载荷传递收敛控制准则；步骤3 按照设定的求解顺序，通过迭代循环的方式，对不同CAE分析系统的物理场数值模型实时的基于载荷传递关系进行载荷数据转换与传递；步骤4 在不同的物理场数值模型中显示计算结果。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于对不同CAE分析系统的物理场数值模型实时的基于载荷传递关系进行载荷数据转换的步骤又包括以下步骤1载荷数据转换接口读取一 CAE分析系统中物理场数值模型1的载荷数据；2载荷数据转换接口对载荷数据进行映射和插值操作，将物理场数值模型1的载荷数据转换到另一 CAE分析系统中物理场数值模型2的网格上，并输出对物理场数值模型2进行分析所需的载荷数据格式；3另一 CAE分析系统读入转换到物理场数值模型2的网格上的载荷数据，并对该模型进行分析。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于采用Bucketkarch的映射操作和基于单元局部坐标的线性插值方式的插值操作。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于基于单元局部坐标的线性插值方式又包括以下步骤找到目标点在源项网格上的单元以及局部坐标值，根据源项网格单元各个节点的值，以及目标点在源项网格单元的局部坐标值采用线性插值的方法求得目标点的数值。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于采用缓和因子的方法来控制载荷数据的传递速度，表示为Fw = F^aX(Fext-Fi)其中，Fi+1是i+Ι迭代步传递到受载模型的载荷，Fi是前一迭代步i传递到受载模型的载荷，Frait是当前的最新的应施加外载，α是缓和因子，数值在(0，1.0)之间；界面载荷收敛判断条件表示如下IFw-FiI 1/1 IFiI < ε其中，ε是实现指定的小数，I |*| I是向量模。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于步骤1之前还包括以下步骤1建立模型CAD格式的数学模型；2基于CAD模型进行有限元或有限体积的网格剖分，得到网格模型；3将网格模型导入到相应的CAE分析系统建立相应的物理模型；4=CAE分析系统设定物理场数值模型的分析条件，设定材料参数，施加边界条件，设定计算的初始条件以及输出调节控制等完成各个CAE分析系统下物理场数值模型的设定。
全文摘要
本发明公开了一种工程多物理场耦合分析方法，包括1获取不同物理场数值模型中与载荷传递相关的数据信息；2设定不同物理场数值模型之间的载荷传递关系，设定不同CAE分析系统的物理场数值模型的求解顺序，并设定载荷传递收敛控制准则；3按照设定的求解顺序，通过迭代循环的方式对不同物理场数值模型实时的基于载荷传递关系进行载荷数据转换与传递；4在不同物理模型中显示计算结果。该方法最大限度应用了现有CAE软件的功能，对已有CAE软件无需进行改造，节约了研发成本、软件使用成本同时提高了耦合场分析软件的易用性，为工程多物理场分析在工业设计的应用推广起到积极的作用，有助于复杂工业问题的性能分析和创新设计。
文档编号G06F17/50GK102592016SQ201110460238
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者张群 申请人:英特工程仿真技术(大连)有限公司