2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
Maxwell +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 电机磁场焦耳热--温度计算 电机结构分析 电机磁场电磁力
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
Maxwell +ANSYS Fluent 变压器磁场焦耳热--温度场、流场计算
Maxwell网格 Fluent 导入后 焦耳热
• 将软件与硬件充分融合，发挥最大的效益
典型的高性能系统的软硬件构成
• 硬件系统
• • • • CPU 互联 内存 存储
• 系统软件
• 操作系统, 硬件驱动 • 并行计算中间件(PVM, MPI) • 任务调度负载均衡软件
• 应用软件
• FEA • CFD • CEM
高性能计算系统硬件选择
• 处理器 ( 核数+ 主频 ) :（决定求解速度） • CPU主频越高，单核的求解速度越快 • 多核求解进程可以缩短求解时间 • * 注意: 两核以上的求解需要更多的HPC license • 两种互联模式（不同算法，有所差异）
835 633 301
显式结构有限元算法HPC特性
12
10
11.21
Woodcrest 5160(3.0G) / Infiniband
Wall time (s)
• 内存建议最大4GB/核 • 需大容量磁盘
8
6.51
6 4Байду номын сангаас
2
3.17 1.65 0.95
• 需高性能互联
LS-DYNA 3-car collision
ANSYS CFX +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 汽车排气歧管流动分析--换热系数--温度场计算 汽车排气歧管流动分析--压力 ANSYS Workbench: Integrated Simulation Process
排气歧管结构分析 多种方法实现流固双向耦合
欧姆损耗
传递界面
流场网格 Fluent 温度场 结果
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
HFSS +ANSYS Thermal+ ANSYS Mechanical 天线高频磁场阻抗损耗 --温度计算 --
HFSS整合到 耦合场计算 天线结构分析
目录
• ANSYS多物理场概述 • ANSYS多物理场技术和方法 • ANSYS高性能计算 • 以高端仿真咨询服务助力研发升级-安世中德
热－电耦合
压电－电路耦合 热－电耦合 静电－结构耦合（转换器单元） 结构－流体（CFD）耦合
SOLID98
CIRCU124 TRANS126 FLUID141 ROM144
结构－热－电－磁耦合，压电
电路－电磁场耦合 静电－结构耦合（转换器单元） 结构－流体（CFD）耦合 静电－结构耦合（降阶模型）
FLUID220, 结构－热、压阻、压电、电弹性、热电效应、 221 结构－热电效应、热－压电等多种耦合类型
高性能计算
• 高性能计算，HPC(High Performance Computing)
• 求解更大规模的模型，让数值计算的模型更接近真实的模型，计算出更
高的精度。
• 同一规模的算例求解的时间更短，或在单位时间内求解的次数更多 • CAE HPC目的就是要以更低的成本(最短的时间、最少的人力、最少的 资金)，更真实地模拟物理世界
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 2 4 8 16
1389 2483
AMD Opteron Shanghai, 2.7Ghz, RHEL 5, 16GB, SAS, 16 cores ANSYS 11.0 SP1 BMD-6, 1 M DOF, Modal, DLANPCG
单元类型 SOLID5 FLUID29 耦合场分析功能 结构－热－电－磁耦合，压电 结构－流体耦合，声学 单元类型 PLANE13 FLUID30 耦合场分析功能 结构－热－电－磁耦合，压电 结构－流体耦合，声学
CONTAC48
CONTAC171 CONTAC173 SOLID62 PLANE67
结构－热耦合接触
AXDT File
[Faces] 31,30,37,36 …
ANSYS External Data Text • Simple text file • Based upon CFD-Post import/export format
AXDT
File
• External Data system can be connected to System Coupling as a provider of static thermal data
主流CAE软件的分类
• 隐式结构有限元算法
• ANSYS mechanical
ANSYS仿真产品
• 显式结构有限元算法
• LS-DYNA • AUTODYN 流体仿真
电子散热 通用流体
结构仿真
隐式
显式
多物理场仿真
ANSYS Multiphysics
• CFD求解器
• FLUENT • CFX
ANSYS Icepak
结构－热－电磁耦合接触 结构－热－电磁耦合接触 结构－磁场耦合 热－电耦合
CONTAC49
CONTAC172 CONTAC174 FLUID116 LINK68
结构－热耦合接触
结构－热－电磁耦合接触 结构－热－电磁耦合接触 热－流体耦合（管道单元） 热－电耦合（线单元）
SOLID69
CIRCU94 SHELL157 TRANS109 FLUID142 PLANE223 SOLID226 SOLID227
系统
细节
Multi-Level Simulation
焊缝
Solid 186
1 物理场及物理量
场（Field） 测量物理量 力来源 通量（Flux） 场强×材料属性 连续性 势(Potential) 场积分 自由度
多物理场求解： 多场多物理量 （时间、空间分 布和变化规律）
1 多物理场耦合
物理场间传递的物理量或物理现象，构成了耦合的多物理场。 传热学 结构力学
ANSYS CFD
ANSYS Mechanical
ANSYS Explicit STR ANSYS LS-DYNA
隐式结构有限元算法 HPC特性
• 大内存：主/从计算进程所需内存不均衡 • 高性能磁盘I/O：需要持续的高性能磁盘I/O(尤其是主进程) • 高性能互联：计算进程间低延迟、高带宽的消息传递(MPI)
高性能计算系统硬件选择
• 内存 :（决定求解规模）
• 一般来说，每百万自由度或节点的模型需要1-1.5G的内存(根据算法会有不同）
• 建议以incore 方式求解（隐式结构求解器）
• 建议内存在24 Gb 到48 Gb以上
• 存储（容量+速度） :（影响求解速度）
• 硬盘容量需要足够大，用来保证求解过程中的临时文件和永久文件的存储 • 建议至少两块硬盘，采用RAID模式
• Shared memory (SMP) single box,
workstation/server • Distributed memory (DMP) multiple boxes, cluster NCSA TeraGrid IA-64 Linux Cluster HP Z800 Workstation
• Mapping algorithms, etc.
AXDT File
AXDT File
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
External Data to System Coupling
[Name] fsin_1 [Data] X (X Coordinate) [ m ], Y (Y Coordinate) [ m ], Z (Z Coordinate) [ m ], Temperature (Temperature) [ C ], Heat Rate (Heat Rate) [ W ] -0.7599342E+00, 0.6500000E+00, 0.1580677E+01, 0.1242852E+03, 0.2753702E+04 …
结构－流体耦合，声学
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
• WB中直接耦合应用
热电(thermal-electric)耦合
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
不同物理场，不同位置网格的尺寸需求可能不尽相同。 直接耦合场在使用同一套网格情况下，可能无法准确地捕捉物理量突变。
电磁场分析 流场分析
结构场分析
ANSYS多物理场耦合及高性能计算
演讲人：黄志新 博士
目录
• ANSYS多物理场概述 • ANSYS多物理场技术和方法 • ANSYS高性能计算 • 以高端仿真咨询服务助力研发升级-安世中德
1 CAE发展趋势--多物理场耦合
CAE当前发展充满辩证思想 单场 多场
Multi-Disciplinary Simulation
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
顺序耦合方法
手动方法
物理场设置法
• MFS （仅限于ANSYS内部求解器） • MFX（ CFX或其他外部求解器） Multi-Field 求解器 WB架构法
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
WB平台下的多物理场分析
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法 ANSYS Workbench… Multi-physics platform
2 ANSYS多物理场耦合技术和方法
• 直接耦合分析类型
热－结构 电磁－热 电磁－流体 流体－结构 磁场－结构 静电－结构 电流传导－磁场 电磁－热－流体－结构 电磁－热－结构 热－流体 电磁场－电路（场路耦合） 电－结构－电路 压电分析 压阻分析 热电效应分析 结构－压电耦合 热－压电耦合 声学分析（流固耦合振动） 声－结构耦合分析 （静）流体－结构 （静）流体－热（热流管道） ……