ANSYS Multiphysics

      全功能的分析工具 多重物理領域的耦合分析
 
ANSYS Multiphysics為ANSYS軟體系列中的全功能旗艦產品,涵蓋了ANSYS Mechanical、ANSYS Structural、ANSYS Professional、ANSYS Emag等產品的所有功能,它提供最完整的工業界與學術界CAE求解方案。Multiphysics一詞之意義即為多重物理領域的耦合分析 (coupled analysis),一般的工程問題為了求解容易與加快計算速度,大多以單一物理問題來處理,不過對於許多較複雜的耦合問題,採用單一物理模型會造成較大的誤差,這時則必須採用ANSYS Multiphysics的多重物理耦合分析。
 
ANSYS 公司多年來一直致力於多重物理耦合分析的數值理論與軟體化,ANSYS Multiphysics的耦合功能包括了熱-結構耦合、靜電場-結構耦合、電-熱耦合、流-固耦合、壓電耦合、壓阻耦合等,而ANSYS Multiphysics也一直處於相關軟體中的領導地位。此外,ANSYS Multiphysics擁有ANSYS所有的分析功能,包括了結構分析、熱傳分析、流體分析、高低頻電磁場分析、聲場分析等,不論是單一或多重物理領域分析,均可在ANSYS Multiphysics中完成,應用領域包含了3C產品、光電、半導體、微機電系統、機械、航太、汽車、電機、醫學工程、土木結構等。
   ANSYS Multiphysics的耦合分析可分為兩大類:直接法(direct method)和疊代法(iterative method),它們的功能如下:
 
(1)直接法(direct method)
‧直接對耦合方程式求解
‧同時對各物理方程式求解
(2)疊代法(iterative method)
‧耦合方式是將A物理領域所產生的負荷轉移至B物理領域
‧同時或循序對各物理方程式求解
 
 ANSYS Multiphysics的耦合分析能力,如下表所示:
 

直接法 (direct method)

應用

壓力-結構(pressure-structural)耦合

(inviscid FSI)

聲場(acoustics)、聲納(sonar)

壓電(piezoelectric)耦合

麥克風(microphones)、感測器(sensors)、致動器(actuators)、智慧結構(smart structures)、微機電系統(MEMS)

壓阻(piezoresistive)耦合

壓力感測器(pressure sensors)、應變規(strain gauges)、加速規(accelerometers)、微機電系統(MEMS)

電路與電磁場耦合

(circuit coupled electromagnetics )

馬達(motors)、微機電系統(MEMS)

靜電場-結構(electrostatic-structural)耦合

感測器(sensors)、致動器(actuators)、微機電系統(MEMS)

--結構-磁耦合

(electro-thermal-structural-magnetic coupling)

積體電路(IC)、積體電路封裝(IC packaging)、印刷電路板(PCB)、致動器(actuators)、微機電系統(MEMS)

流體-熱傳(fluid-thermal)耦合

管路系統(piping networks)、歧管(manifolds)

疊代法 (iterative method)

應用

熱傳-結構(thermal-structural)耦合

各類產品(電子、機械、航太等)的熱應力與熱變形

電磁場-熱傳(electromagnetic-thermal)耦合

電感應加熱(induction heating)RF heating

靜電場-結構-流體(electrostatic-structural-fluid)耦合

微機電系統(MEMS)

帶電粒子(electrostatic-charged particles)

離子光學(ion optics)、場發射顯示器科技(field emission display technology)、解析設備(analytical instruments)

磁場-結構(magnetic-structural)耦合

磁線圈(solenoids)、電磁機械(electromagnetic machines)

流體-結構之交互作用(fluid-structure interaction, FSI)

各類產品(電子、機械、航太等)的熱應力與熱變形

熱傳-計算流力(thermal-CFD)耦合

電感應加熱(induction heating)RF heating

多領域求解器(multi-field solver)

微機電系統(MEMS)

與其他光學軟體之結構-光學(structural-optical)耦合

離子光學(ion optics)、場發射顯示器科技(field emission display technology)、解析設備(analytical instruments)

磁場-結構(magnetic-structural)耦合

磁線圈(solenoids)、電磁機械(electromagnetic machines)

流體-結構之交互作用(fluid-structure interaction, FSI)

航太工業(aerospace)、汽車燃料(automotive fuel)、液壓系統(hydraulic systems)、流體軸承(fluid bearings)MEMS之流體阻尼(fluid damping)、心臟瓣膜(heart valves)

熱傳-計算流力(thermal-CFD)耦合

電子產品散熱(electronics cooling)與熱管理(thermal management)、機械設備之散熱等

多領域求解器(multi-field solver)

以上所有耦合問題均可分析

與其他光學軟體之結構-光學(structural-optical)耦合

汽車照明(automotive lighting)、天文望遠鏡(telescope)、光學設備(optical instruments)

 
 ANSYS Multiphysics新利器 : 多領域求解器(multi-field solver)
 
多領域求解器(multi-field solver)為ANSYS Multiphysics新一代的耦合場求解器,它讓使用者可輕易完成各種複雜的多物理耦合分析,以應付日益複雜的工程問題。多領域求解器採用疊代法之計算模式,將ANSYS Multiphysics能夠支援的物理領域做完全的整合,針對最難處理的流體-結構交互作用,多領域求解器更是一大利器。以下是多領域求解器的主要功能:
 
1. 不同的物理領域可使用獨立的網格與模型,最後再做耦合
2. 不同物理領域的元素網格不必相同
3. 耦合分析的物理領域數目沒有上限
4. 表面負荷(surface loads)與體積負荷(volumetric loads)可在不同物理領域之間轉換
5. 各物理領域可採用不同的分析型式(如暫態、靜態、簡諧等)、不同的求解器與求解設定、不同的網格分割
6. 非結構元素(如靜電場元素或流體元素)含有自動網格形態(automated morphing)功能
7. 可採用材料非線性(material nonlinearity)與幾何非線性(geometric nonlinearity)
8. 各物理領域擁有獨立的結果檔(results files)
9. 針對流體-結構交互作用,ANSYS Multiphysics可與ANSYS CFX做完全整合
 
多領域求解器最重要的功能,在於各物理領域的分析獨立性,各物理領域可採用相異的分析型式和網格分割,因此,對於一個分析團隊來說,各個ANSYS軟體使用者可先獨立完成各物理領域的分析,最後再由多領域求解器將各分析結果整合為一個耦合分析。如此做法不僅節省計算時間,而多領域求解器強大的整合能力也確保電腦模擬的精確性與方便性,其分工的整合流程如下圖所示:

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 ANSYS Multiphysics與CAD的整合
 
ANSYS Multiphysics可搭配ANSYS Geometry Interfaces與ANSYS Workbench,進行CAE/CAD整合。ANSYS Workbench為新一代的ANSYS操作界面,有別於傳統界面,下圖為兩者的比較:
 
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ANSYS傳統界面 (ANSYS, Inc.)
ANSYS Workbench界面 (ANSYS, Inc.)
 
ANSYS Geometry Interfaces是ANSYS與CAD系統之間的介面,可將CAD軟體的實體模型直接讀入ANSYS,再進行分析,ANSYS Geometry Interfaces可支援的CAD軟體與檔案格式如下:
 
1. CAD System Integration : Autodesk Inventor / MDT, CATIA v4 and v5, Pro/ENGINEER, Solid Edge, SolidWorks, Unigraphics, VX Cad, Other CAD.
2. Neutral Formats : IGES, Parasolid, SAT.
 
不論是ANSYS Workbench界面或是ANSYS傳統界面,均可採用ANSYS Geometry Interfaces完成設計階段與分析階段之整合。
 
 選擇ANSYS Multiphysics的好處
 
ANSYS Multiphysics涵蓋了ANSYS Mechanical、ANSYS Structural、ANSYS Professional、ANSYS Emag等產品的所有功能,可分析的題型包括結構分析、熱傳分析、計算流體動力學分析、低頻與高頻電磁場分析、聲場分析等,不論單一或多重物理領域分析,均可在ANSYS Multiphysics中完成。具親和力的操作介面、強大的計算能力和上千個分析功能,使得ANSYS Multiphysics多年來穩居高階CAE軟體的領導地位。
 
不論產品特性是單一或多重物理領域,將產品的CAD建模系統與ANSYS Multiphysics搭配整合,ANSYS Multiphysics均可幫您完成CAE分析,解決產品設計與製造的問題。對於產業界的產品研發來說,ANSYS Multiphysics猶如一套虛擬原型機(virtual prototyping)系統,它如同電腦中的虛擬實驗室(virtual lab),幫助工程師了解產品的物理特性,進而協助公司降低成本且縮短開發流程。
 
 ANSYS Multiphysics功能列表
    結構分析 (Structural)
 
‧應力與應變 (stress and strain)
‧線性分析 (linear)
‧幾何與材料非線性分析 (geomertric & material nonlinearities)
‧接觸分析 (contact)
‧靜態分析 (static)
‧動態分析 (dynamic):暫態 (transient), 自然頻率 (natural frequency), 簡諧響應 (harmonic response), 頻譜響應(spectrum response), 隨機振動(random vibration) l 挫屈分析 (buckling)
‧拓樸最佳化 (topological optimization)
 
 熱傳分析 (Thermal)
 
‧溫度場與熱通量 (temperature and heat flux)
‧暫態或穩態 (steady-state or transient)
‧熱傳導 (conduction)
‧熱對流 (convection)
‧熱輻射 (radiation)
‧相變化 (phase change via enthalpy)
 
 靜電場 (Electrostatics)
 
‧電位與電場 (electric potential and electric field)
‧二階h-元素與自適性p-元素 (2nd order h-elements & adaptive p-elements)
‧與結構力學耦合 (force coupling to structural analysis)
‧Trefftz域之遠場開放邊界 (Trefftz domain far field/open boundary representation)
 
 靜磁場 (Magnetostatics)
 
‧磁位與磁場 (magnetic potential and magnetic field)
‧一階與二階元素 (1st and 2nd order elements)
‧二維向量磁位元素 (2-D magnetic vector potential (MVP) formulation)
‧三維邊緣元素 (3-D edge element formulation)
‧三維向量磁位與純量磁位元素 (3-D vector potential & scalar element formulations)
‧平面與軸對稱分析 (planar & axisymmetric geometry for 2-D)
 
 電流傳導 (Current Conduction)
 
‧電流分布 (current)
‧焦耳熱效應 (Joule heating)
‧電流磁效應 (currents can be used for magnetostatic excitation)
‧焦耳熱效應之電-熱耦合 (coupled Joule heat transfer simulation when used with other ANSYS products)
 
 離子光學與帶電粒子 (Ion Optics & Charged Particle Tracing)
 
‧電磁場中的帶電粒子軌跡 (trace charged particles in electrostatic or magnetostatic fields, or both)
‧一次可計算50個粒子軌跡 (ability to define 50 particles per run)
‧二維和三維軌跡繪圖 (plot trajectories in 2-D, 3-D, or listed)
 
 低頻電磁場 (Low Frequency Electromagnetics (Quasi-static formulation)
 
‧線性與非線性簡諧分析 (harmonic analysis (linear and nonlinear materials)
‧線性與非線性暫態分析 (time-transient analysis (linear & nonlinear materials)
‧線圈與大質量導體 (stranded, coil and massive conductors)
‧電流與電壓激發 (current & voltage fed excitation)
‧二維與三維向量磁位 (2-D and 3-D magnetic vector potential (MVP) formulation)
‧三維邊緣通量 (3-D edge flux formulation)
‧滲透與非滲透域 (permeable & non-permeable domains)
‧速度效應 (velocity effects)
‧磁場元素之電壓激發導體設定 (voltage-fed conductor option for SOLID117 and SOLID97 magnetic field elements)
‧LMATRIX模式 (LMATRIX support for voltage fed conductors using SOLID117 or SOLID97)
‧Biot-Savart 線圈 (Biot-Savart coils)
‧循環對稱與週期邊界條件 (cyclic symmetry (periodic boundary conditions)
‧移動邊界之電磁接觸分析 (electromagnetic contact for moving boundary interfaces)
 
 電路分析與其耦合分析 (Circuit Analysis & Coupling)
 
‧類似SPICE分析之電路元素 (SPICE-like circuit elements)
‧電阻、電容、電感、整流器、變壓器、電源 (resistors, capacitors, inductors, diodes, transformers, voltage & current sources)
‧易用的電路建模 (easy-to-use circuit builder GUI)
‧可與靜電場耦合 (coupling to electrostatic analysis)
‧可與線圈和大質量導體耦合 (coupling to stranded and massive conductors)
‧可與二維和三維模型耦合 (coupling for both 2-D and 3-D models)
‧任意電路配置 (arbitrary circuit arrangements)
‧靜態、簡諧、暫態分析 (static, harmonic and transient analysis)
 
 高頻電磁場 (High Frequency Electromagnetics (Full wave formulation)
 
‧一階與二階切線向量元素 (1st and 2nd order tangential vector elements)
‧三維方塊元素、三維金字塔形元素、三維三角錐元素 (3-D brick, pyramid, prism and tetrahedral element shapes)
‧損失/非損失材料 (lossy/lossless materials)
‧等向性與對角異向性材料 (isotropic and diagonal anisotropic material properties)
‧複數介電係數與導磁係數 (complex permittivity and permeability)
‧與頻率相關的材料係數 (frequency dependent material properties)
‧完全電導體與磁導體 (perfect electric and magnetic conductors (PEC and PMC))
‧阻抗邊界條件 (impedance boundary condition (IBC))
‧完全吸收體 (perfectly matched absorber (PMA))
‧週期結構 (periodic structures)
‧介電質之熱生成 (coupled heat generation from lossy dielectrics)
‧矩形、圓形、同軸、平行板波導器 (rectangular, circular, coaxial, parallel plate waveguide modal source)
‧平面波源 (plane wave source)
‧表面磁場源 (surface magnetic field source)
‧表面電場源 (surface electric field source)
‧線電壓源 (line voltage source)
‧點、線、表面、體積電流源 (point, line, surface and volume current source)
‧集總RLC電路元素 (lumped RLC circuit elements)
‧模態分析:空洞 (modal analysis: cavity)
‧簡諧分析:波傳導、波輻射、波散射 (harmonic analysis: wave propagation, wave radiation and wave scattering)
‧ANSYS VT技術之簡諧分析 (ANSYS variational technology (VT) harmonic analysis fast frequency sweep S-parameter extraction OPTION)
‧空洞共振頻率 (cavity resonant frequency)
‧品質因子 (quality factor (Q))
‧S-參數 (S-parameters of a network)
‧焦耳損失 (Joule losses)
‧入口功率 (port power)
‧電壓、電流、阻抗 (voltage, current and impedance)
‧近場與遠場電磁場 (near and far electromagnetic field extension)
‧頻率選擇表面 (frequency selective surfaces (FSS))
‧雷達截面 (radar cross section (RCS))
‧指定吸收率 (specific absoprtion rate (SAR))
‧天線 (antenna pattern)
‧標準S-參數輸出 (touchstone S-parameter output)
 
 流體 (Fluids)
 
‧計算流體動力學(CFD) (ANSYS Flotran elements)
‧穩態或暫態 (steady-state or transient)
‧不可壓縮或可壓縮流體 (incompressible or compressible)
‧層流或紊流 (laminar or turbulent)
‧牛頓或非牛頓流體 (Newtonian or non-Newtonian)
‧自然、強制、混合對流熱傳 (free, forced or mixed convection heat transfer)
‧流固界面之共軛熱傳 (conjugate solid/fluid heat transfer)
‧表面間之熱輻射 (surface-to-surface radiation heat transfer)
‧多種類傳遞 (multiple species transport)
‧自由表面邊界 (free surface boundaries)
‧風扇模型與分布式熱阻 (fan models and distributed resistances)
‧固定或旋轉參考系統 (stationary or rotating reference frames)
 
 聲場 (Acoustics)
 
‧流體/結構耦合 (fully coupled fluid/structural)
‧近場與遠場 (near- and far-field)
‧簡諧、暫態、模態分析 (harmonic, transient and modal)
 
 直接耦合分析 (Direct Coupled Physics)
 
‧熱傳-結構耦合 (thermal-mechanical)
‧熱傳-電流耦合 (thermal-electric)
‧熱傳-電流-結構耦合 (thermal-electric-structural)
‧壓電 (piezoelectric)
‧壓阻 (piezoresistive)
‧Peltier效應 (Peltier effect)
‧Seeback效應 (Seeback effect)
‧熱偶效應 (thermocouple effect)
‧電-機械之電路模擬 (electromechanical circuit simulator)
‧流體/熱傳耦合 (fluid/thermal)
 
 多領域求解器與循序耦合分析 (Multi-field Solver - Sequential Coupled Physics)
 
‧任何型式的耦合問題均可採用多領域求解器 (any of the above physics may be sequentially coupled with the Mutli-field solver)
‧兩種以上的物理領域均可耦合 (more than two physics may be sequentially coupled),範例:熱傳/結構/流體耦合 (thermal/structural/fluid)、流體/結構耦合 (fluid/structural)、靜電場/結構耦合 (electrostatic/structural)、磁場/結構耦合 (magneto/structural)、聲場/結構耦合 (acoustics/structural)、熱傳/電流耦合 (thermal/electric)、熱傳/電磁場耦合 (thermal/electromagnetic)、流體/電磁場耦合 (fluid/electromagnetic)

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