Was ist Multiphysik?

Im wirklichen Leben geschieht die Physik nicht einzeln. Strömungskräfte sowie strukturelle, thermische und elektromagnetische Kräfte wirken ständig miteinander. Wo diese Bereiche kollidieren, treten Phänomene wie Wärmeübertragung, Verformung und Stofftransport auf.

Multiphysik ist die Analyse komplexer Wechselwirkungen zwischen physikalischen Kräften durch Computersimulation. Durch die Zusammenführung einzelner physikalischer Solver in einem einzigen Berechnungsrahmen helfen multiphysikalische Workflows Ingenieur*innen dabei, das Verhalten eines gesamten Systems genau nach den physikalischen Vorgängen in der realen Welt zu modellieren – und das alles auf einmal.

Multiphysik-Modelle schließen Lücken, in denen Einzelphysik-Analysen unzureichend sind. 

Wenn mehr als eine Physik in Wechselwirkung stehen (wie Strömungen und Strukturen oder Strukturen und Elektromagnetik), werden sie als „gekoppelt“ bezeichnet. Diese Wechselwirkungen finden überall um uns herum statt, es sei beim Tippen auf die Bildschirme unsere Handys oder beim Fahren unserer Autos über holprige Straßen. Häufige Beispiele für Multiphysik-Kupplungen sind:

Fluid-Structure Interaction (FSI):

Flugsicherheit: Modellierung, wie der Luftstrom (Strömungsdynamik) die Verformung und Stoßdämpfung (strukturelle Mechanik) des Fahrwerks beeinflusst

Thermische - optische Kopplung:

Head-Up-Displays (HUDs): Modellierung, wie Außentemperaturen (thermische Effekte) die Klarheit von projizierten Bildern in Fahrzeugen beeinflussen (Optik)

Strukturelle - akustische Kopplung:

Straßengeräusche: Modellierung, wie akustische Rückkopplung (Akustik) in Fahrzeugen durch Reibung zwischen Reifen und Oberfläche (strukturelle Mechanik) verursacht wird

Elektromagnetische - thermische Kopplung:

Stromerzeugung: Modellierung, wie die Energiefelder eines Motors (Elektromagnetik) Wärme erzeugen (thermische Dynamik), um Wärmetauscher und -Lüfter zu optimieren

Technische Probleme, die eine multiphysikalische Analyse erfordern, können mit unterschiedlichen Kopplungsgraden gelöst werden.

Wenn das physikalische Problem eine schwache Kopplung der Physik beinhaltet – zum Beispiel wenn fluide Kräfte strukturelle Spannungen erzeugen, die Struktur aber nicht signifikant verformen – können wir dies mit einer einseitigen gekoppelten Analyse lösen.

Wenn eine starke Kopplung vorhanden ist – beispielsweise, wenn die Struktur eine hohe Verformung aufweist und die Strömung beeinflusst – dann brauchen wir eine zweiseitige gekoppelte Lösung.

Branchenübergreifend verlassen sich Ingenieur*innen auf multiphysikalische Lösungen, um Probleme frühzeitig im Konstruktionsprozess zu erkennen, fundierte Entscheidungen über Optimierungen zu treffen und die Sicherheit und Leistung ihrer Endprodukte zu gewährleisten. Unternehmen müssen in der Lage sein, genau vorherzusagen, wie sich komplexe Produkte in realen Umgebungen verhalten, in denen mehrere Arten gekoppelter Physik miteinander interagieren.

Luft- und Raumfahrt: Fluidstruktur-Interaktionsanalyse zur Bestimmung des optimalen Gewichts, der optimalen Form und Struktur von Flugzeugflügeln

Automobilindustrie: Simulation von Wärmeausdehnung und Verformungen in Scheinwerfern zur Vorhersage der optischen Leistung 

Gesundheitswesen: Modellierung von Wechselwirkungen zwischen menschlichem Gewebe und Strukturen für medizinische Geräte wie Implantate und Stents

Industrieanlagen: Verringerung des Verschleißes an Motoren durch Identifizierung von Vibrationsquellen durch magnetische, strukturelle und akustische Analysen

Multiphysikalische Simulationen ermöglichen die Modellierung komplexer, gleichzeitiger Wechselwirkungen zwischen mehreren physikalischen Bereichen, die aufgrund von Kosten, Zeit oder Sicherheitseinschränkungen nicht einfach experimentell untersucht werden können. Diese Simulationen vermitteln ein tieferes Verständnis der Produktleistung durch die Kommunikation und Übersetzung von Daten über verschiedene technische Disziplinen hinweg.

Die jüngsten Fortschritte bei der Computerkapazität, schnellere und robustere Solver und verbesserte Methoden zur Erstellung von Workflows haben den Übergang von Einzelphysik-Simulationen zu umfassenden Multiphysik-Simulationen beschleunigt. Diese Entwicklung ermöglicht es Ingenieur*innen, besser vorherzusagen, wie ihre Konstruktionen in der realen Welt funktionieren werden.

Vorteile der Multiphysik-Simulation

Realistische Modellierung: Genaue Erfassung realistischer Szenarien, in denen mehrere physikalische Domänen gleichzeitig interagieren

Analyse auf Systemebene: Erkenntnisse über die Auswirkungen von physikalischen Kupplungen auf die Gesamtleistung des Systems

Zeiteffizienz: Gleichzeitige Analyse ganzer Systeme, anstatt in Domänensilos

Herausforderungen der Multiphysik-Simulation

Datenkongruenz: Verschiedene physische Domänen haben unterschiedliche Zeitskala, räumliche Skalen und Netzauflösungen

Anwenderwissen: Die Interpretation von Multiphysik-Simulationen erfordert Fachwissen von Fachleuten

Berechnungskosten: Die Verarbeitungsintensität multiphysikalischer Simulationen erfordert erhebliche Ressourcen und Zeit

In der Regel konzentrieren sich einzelne Solver auf bestimmte physikalische Domänen wie Strukturmechanik, Strömungsdynamik oder Elektromagnetik. Aber einige enthalten in sich geschlossene multiphysikalische Modelle. So kann die Ansys Fluent® Simulationssoftware für Strömungsmechanik neben der Lösung für die Strömungsdynamik auch Akustik, Bewegung, Wärmeübertragung in Festkörpern und thermische Spannungen modellieren. Einzelne Solver mit multiphysikalischen Funktionen sind nützlich für die Analyse von Kupplungen, wenn Modelle Geometrie, Netze und Einstellungen gemeinsam nutzen.

Doch mit zunehmender Produktkomplexität reichen Simulationen mit Einzelphysik möglicherweise nicht mehr aus.

Hier wird die Co-Simulation von entscheidender Bedeutung. Durch die Verbindung spezieller Solver können komplizierte Interaktionen zwischen verschiedenen physikalischen Phänomenen mit größerer Präzision erfasst werden. Tools wie Ansys System Coupling™ Physics Solver Connection Software integrieren alle wichtigen Solver in einer einzigen Schnittstelle. Dies bedeutet, dass Ingenieur*innen problemlos in einer einzigen, einheitlichen Entwicklungsumgebung domänenübergreifende High-Fidelity-Modelle erstellen können.

Einzelne Solver Multiphysik: Führt eine domänenübergreifende Analyse innerhalb eines Solvers für einen bestimmten Satz gekoppelter physikalischer Gleichungen durch. Bietet eine einfache Einrichtung, bei der Interaktionen eng gekoppelt sind.

Systemkopplung Multiphysik: Koordiniert und tauscht Daten zwischen spezialisierten Solvern in einem einzigen Berechnungsrahmen aus. Bietet größere Flexibilität bei der Modellierung komplexer Situationen, in denen die Koordination unabhängiger Solver erforderlich ist, um die Interaktionen zwischen den physikalischen Modellen zu erfassen.

Es gibt mehrere Produktentwicklungstrends, die den Bedarf an einer besseren Anwendung der multiphysikalischen Modellierung erhöhen, darunter Nachhaltigkeit und höhere Leistungsdichte in Chips und dreidimensionalen integrierten Schaltungen (3D-ICs). Da Unternehmen Innovationen entwickeln, um die Leistung zu erhöhen und gleichzeitig denAbfall zu reduzieren, liefert die multiphysikalische Analyse die ganzheitlichen Erkenntnisse, die erforderlich sind, um die Wechselwirkungen zwischen physikalischen Phänomenen innerhalb von Konstruktionen vollständig zu verstehen.

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