多物理场耦合将成为有限元发展的未来
本文标签: 多物理耦合 COMSOL 

    _{在工程领域中，随着CAE软件的功能不断延伸、增强，越来越多的工程问题可以通过计算机技术仿真、模拟。}

    _{可以说，有限元分析（FEA）早已经不是CAE的代名词了，CAE逐渐朝着融入了“知识工程”和“行业经验”的仿真平台的方向在发展、完善。有限元分析，也不仅仅局限于单一的物理场，而是将多物理场耦合进行分析，这一趋势，将成为有限元发展的未来。}

    _{早期的有限元主要关注于某个专业领域，比如应力或疲劳，但是，一般来说，物理现象都不是单独存在的。例如，只要运动就会产生热，而热反过来又影响一些材料属性，如电导率、化学反应速率、流体的粘性等等。这种物理系统的耦合就是我们所说的多物理场，分析起来比我们单独去分析一个物理场要复杂得多。很明显，我们现在需要一个多物理场分析工具。}

    _{在上个世纪90年代以前，由于计算机资源的缺乏，多物理场模拟仅仅停留在理论阶段，有限元建模也局限于对单个物理场的模拟，最常见的也就是对力学、传热、流体以及电磁场的模拟。}

    _{近些年来，越来越多的工程师、应用数学家和物理学家已经证明这种采用求解偏微分方程（PDE）的方法可以求解许多物理现象，这些偏微分方程可以用来描述流动、电磁场以及结构力学等等。有限元方法用来将这些众所周知的数学方程转化为近似的数字式图象。}

    _{现在这种情况已经开始改变。经过数十年的努力，计算科学的发展为我们提供了更灵巧简洁而又快速的算法，更强劲的硬件配置，使得对多物理场的有限元模拟成为可能。新兴的有限元方法为多物理场分析提供了一个新的机遇，满足了工程师对真实物理系统的求解需要。}

    _{在刚刚结束的COMSOL用户年会上，中国科学院院士姚建铨就举了一个的例子：在光纤通信领域，光纤系统要实现广泛应用，需要有成本低、集成度高的光处理器，来实现光信号的控制和光电信号的相互转化，实现光电领域的对接。在这样的微观领域，光、电是必须同时考虑的两个物理场，它们之间存在着耦合和干涉，所以，也只有适用于多物理场耦合的软件工具，才能进行特有性能的分析。}

    _{当然，多物理场耦合领域的发展也存在一定的制约因素，因为每增加一种耦合分析类型，必须推导出该耦合方程，其计算代价将是巨大的。所以，硬件的计算能力需要跟得上耦合分析的需要。}

    _{从另一层面来说，这也会催生并行计算、大规模计算中心的诞生，以及网络的集成化和智能化，未尝不是一件好事。}