讨论多物理建模和热力学定律

aresaran

多物理建模是时下有限元软件比较关心的问题，比如COMSOL就是主打multiphysics的招牌，
多物理的本质就是耦合多种物理场，热动力学第一定律能量守恒定律提供各种能量交换基础，
最简单的例子就是耦合热应力的弹性问题和压电材料问题。

希望大家畅谈多物理问题中的建模和理论问题。



[ 本帖最后由 aresaran 于 2008-5-16 23:33 编辑 ]

MarineLily

我也觉得这个应该是未来有限元发展的一个方向，看看各位高人的看法。单元上应该会有比较大的动作吧。

piteqiu

对热和结构比较关心。

还有请教版主一个问题：最近在做一个模拟铸坯生成的问题。比较麻烦的是我希望用欧拉法模拟这个问题。因为铸机稳定后，铸坯可以看做一个稳态问题，可以把铸坯看做流体，进入和出去系统保持一致。因为铸坯是钢水之间凝固形成的，所以还要考虑铸坯的液心。

请教了一些人，他们提出的模型是拉格朗日法，将观察点固定在铸坯上，随铸坯一起运动。但是这样只能模拟一部分问题，比如坯头和坯尾问题，但是不能模拟铸机连续浇铸过程。

请教版主：应该怎样处理类似问题？

aresaran

原帖由 piteqiu 于 2008-5-9 17:53 发表
对热和结构比较关心。

还有请教版主一个问题：最近在做一个模拟铸坯生成的问题。比较麻烦的是我希望用欧拉法模拟这个问题。因为铸机稳定后，铸坯可以看做一个稳态问题，可以把铸坯看做流体，进入和出去系统保持一 ...

对铸造问题不是很了解

敦诚

COMSOL是多物理场中最为强大的软件，我没有做过，但是我师姐搞过。我主要是用abaqus，我利用abaqus做过渗流。多物理场中的本质是相同的，都是列出广义泛函，然后求变分，得到广义位移（也可以是广义温度）与广义载荷的关系。举渗流为例，在这一问题中材料的饱和度被引入了泛函，而广义载荷也从有效应力转变为柯西应力。同样在温度与位移耦合场中，温度作为变量被引入泛函，而热流着又作为了广义位移，等等。还要强调一下的是，所谓多场耦合，耦合在哪里呢，就是在能量泛函中，作为一个耦合的能量泛函，其中一定处在着一些耦合项（如温度与位移的，磁场与位移的），这些项可以认为是将附加条件的引入，也可以认为是多场互相耦合的影响。而这一问题又是本构研究工作者的任务了，我国在这一方面还是不足的。首先很少人从热力学定律、连续介质力学上推导本构方程，因为很需要数学力学功底，及时有人花了很多的苦工，做出的本构在工程上又得不到重视，因为从在工程上更多的是唯像的力学本构模型被使用，这样就断绝了科研人的市场。所以我国还需要在这方面加强。

arhaog

貌似有ProCAST之类的专业铸造仿真软件?

smarten

ANSYS是做多物理建模比较出名的软件。好像软件中最早提出多物理建模的是ANSYS公司。COMSOL是后来才有的，原来它的CAD功能不行，现在不知道了。
ABAQUS也可以用来做多物理建模的，不过还没做这样的课题。个人觉得可以用粗mesh算出大致的解，然后用ABAQUS的substructure功能算关心部分的精确解。

zifu_huang

ABAQUS多體動力學很是強大！

wangxiaoteng

上面有人说中国没人做从热力学定律出发推本构的
我觉得有点夸张了
做本构至少要满足clausius-dohem不等式吧，那不就是热力学第二定律的变体么
从唯象模型出发建模本来就跟科研不矛盾，
不存在孰优孰劣的问题
所谓的“本质”"physical"模型，其本质也是唯象
因为除了上帝谁也不知道物质的本质到底是什么

回到耦合场这个问题上，
我现在在做高温粘塑性本构
也研究一些固态相变
当前的热力耦合问题很大程度上是缺少实验支撑的
比如高温力学实验，很难做到在应变和温度这两个维度上同时进行nonproportional非比例加载
然而大多数实际问题都是non-proportional的
比如高温多段成型之类的，我们不能指望用基于比例载荷的本构来外推非比例加载的情况
要做模拟，首先需要这方面的基本实验
这部分的数据没有的话，都是在纸上谈兵
比如说焊接过程，在空间上如此急剧的温度梯度
很少有实验机器能模拟
现在普遍在用的gleeble机，也只能再现热影响区的一小部分变温过程
总而言之，耦合场数值模拟的成功还是需要基础实验的突破的

ma

原帖由 敦诚 于 2008-5-9 21:46 发表
COMSOL是多物理场中最为强大的软件，我没有做过，但是我师姐搞过。我主要是用abaqus，我利用abaqus做过渗流。多物理场中的本质是相同的，都是列出广义泛函，然后求变分，得到广义位移（也可以是广义温度）与广义载荷 ...

很赞同此观点。
“有限元的未来在于多场耦合”，因为多场耦合能最大程度地体现分析对象的真实工况，在真实环境下，研究对象往往同时受多个场的作用，越是逼近真实的也就越是合理和可靠的。因此多场耦合确实体现了有限元的发展方向。多场耦合的计算其实是一个很复杂的过程。comsol的耦合有一个前提，就是必须知道多个场的耦合关系，也就是能提供多个场耦合过的控制方程，这其实是避开了多场耦合最核心的最复杂的东西，就是楼上说的，多场之间的本构表达，现在好多耦合理论公式都是唯象的，给出经验公式，甚至一些耦合系数给过特定的值，但实际上，多个场之间的耦合系数都是不固定的，每个状态都是变化的，也就是说耦合场的总刚度矩阵是变化的，多场的计算是非线性问题，这点从多场之间的本构可以体现出来。所以多场耦合问题，前期的推导是最主要的，有理论支撑才会有更加可靠的计算结果，不能简单地把几个场拼在一起 用软件算出结果就算解决了多场耦合问题，多场耦合是个很复杂的问题，尤其是多场本构和控制方程的确定 ，这在学术上意义更大，至于具体的偏微分方程解法问题相对于此是很次要的。

ma

多场本构和控制方程的理论推导，离不开能量，现在多场耦合在国际上是一个热点研究问题，许多本构和控制方程都是从能量角度推导的，比如热力学定律等。
无论什么场，都可以用能量场给统一起来。变形能，热能，化学能，电能，各种自由能，各种势能等！

敦诚

9楼的朋友，我也赞同你的观点,所谓仁者见仁,智者见智么.但是我认为做基础学科的人，一定要坚信一个体系，否则便无法掌控自己的方向,根据罗素悖论,我们都知道很多数学体系都有其自身所不能够解决的问题.但是哪个数学体系不是沿用至尽.所以我在处理问题时都喜欢将最基本的公理当作信条来使用.就象天主教徒相信上帝一样.

acamus

很多力学本构方程都是建立在热动力学框架下。

zzmmxx

ANSYS应该说是耦合场分析最强大的软件之一吧,

ma

ansys中的耦合，大部分都是顺序耦合，这种耦合是间接的。通过各个场之间的迭代实现的。而comsol多场耦合是基于唯象方程的半直接耦合！最有科研意义的多场耦合，是基于能量泛函推导的，体现各场相互影响的直接耦合！

MarineLily

原帖由 敦诚 于 2008-5-10 14:47 发表
9楼的朋友，我也赞同你的观点,所谓仁者见仁,智者见智么.但是我认为做基础学科的人，一定要坚信一个体系，否则便无法掌控自己的方向,根据罗素悖论,我们都知道很多数学体系都有其自身所不能够解决的问题.但是哪个数学体 ...

我非常理解你的想法，
我始终认为我们搞工程的玩的都是人家数学玩剩的东西，
力学、能量都是人家偏微分方程不怎么玩的东西，
我是学材料的，
你看看这个弹塑性力学如果搞数学的人悟性够好一看就知道是什么，
做学问基础的理论最重要。

不过搞工程计算我特别不相信加工这帮人半经验半推导搞出来的许多看着很解析的东西，
感觉用处不大，
什么这个法那个法非常不实用，
简化的东西多得要命，
解决的问题少得可怜。
真的不如把模拟做好。

seaseastar

强烈同意数学好真的太重要了。所有的都是建立在数学上的，要求严谨。但数学只是工具，我还是更觉得物理厉害，改变了人类的生活，没有纯粹的数学，所有都是建立在需要之上。。
人家加工的人当然是根据自己的具体情况推出来一些解析的东西，除掉secondary factor，保留primary factor，得出一个直观和简化的东西有什么不好的哪。毕竟你不能要求工厂里面的人天天看一堆复杂的公式阿。plane stress 和plane strain也只是一个理想化的简化，在特定尺寸和条件下将三维应力简化为二维，省了多少事情，得出了结论在一定程度下同样是相当准确的。

rock.li

灌水啦

chenzwboy

感觉多物理模型主要就是多场耦合问题，热——电——化——力，而这些场之间变量选取的大不相同，质量守恒、能量守恒、动量守恒变成了主要的切入点。

dgupc

ANSYS做渗流场—应力场耦合不是很方便啊！有人说用热分析模块来模拟渗流，但是还存在争论