برای شبیه سازی مدلی شامل چند فیزیک مختلف ، ۳ روش اصلی وجود که میتوانیم فیزیک ها را باهم کوپل کنیم.

۱٫ روش اضافه کردن رابط های چند فیزیکی آماده(روش پیشنهادی)

۲٫ روش توالی

۳٫ روش دستی(غیر اتومات)

در این آموزش به شما نشان خواهیم داد ، چگونه فیزیک را برای یک مسئله چند فیزیکه با استفاده از ۳ روش ذکر شده تعریف نمایید.بعلاوه در مورد مزایا و فایده های هر کدام بحث خواهیم کرد. به این منظور ،۳ component در این مدل بررسی میکنیم و قصد داریم از هریک از این component ها به منظور نمایش دادن روش های مختلف بر پا کردن یک مدل چند فیزیکه استفاده کنیم. در دو component اول ما از مدل آموزشی براکت گرمایی استفاده می کنیم که می توانید در پنجره application library در شاخه structure of mechanics، قسمت tutorials پیدا کنید .

در component سوم ما قصد داریم که از ترکیب فیزیک ها بصورت متفاوتی به منظور نمایش استفاده از روش دستی استفاده نماییم.

روش رابط های فیزیک آماده

کار را با استفاده از رابط چند کاربره آماده در کامسول مالتی فیزیک آغاز می نماییم این یک مسئله انبساط حرارتی خواهد بود . بنابراین، فیزیک را با استفاده از رابط چند فیزیکه از پیش پیکربندی شده نرم افزار، اضافه می نماییم.این گزینه را همیشه پیشنهاد می نماییم چرا که بصورت موثری همه ی کوپل های چند فیزکه و فیزیک ها را به مدل شما اضافه می نماید . برای اضافه کردن رابط چند فیزیکه، روش یکسان خواهد بود. به زبانه physics میروید و روی دکمه add physics کلیک می کنید و اینجا جایی است که به رابط چند فیزکه ی هدایت خواهید شد. به قسمت structural mechanics بروید و thermal stress را انتخاب نمایید و آن را به component اضافه نمایید.

مشاهده می کنید که وقتی ما رابط thermal stress multiphysics اضافه می کنیم .همه ی فیزیک ها شامل کوپل ها بصورت یکجا اضافه می شوند. در گره multiphisics ، شاخه thermal expansion را داریم.

در هر گره multiphisics ، نیاز داریم که domain تعیین گردد .همچنین در قسمت thermal expansion properties نوع ورودی بعلاوه دیگر ویژگی هارا تعیین می نماییم و در نهایت، فیزک هایی را که در کوپل وجود دارند، در قسمت Coupled Interface تعیین می نماییم. در همین قسمت میبینید که جنبه ی گرمایی مسئله از رابط heat transfer و جنبه ساختاری از solid mechanics استخراج شده است.

در گره temperature coupling نیز ، coupled Interface را داریم که دو جنبه اصلی را به فیزیک مربوطه ، متصل کرده است.

توضیحات اضافی:

و دوباره اینها منو های باز شدنی هستند که شامل رابط های فیزیک بکار بردنی که قبلا به مدلتان اضافه کردید هستند بنابراین استفاده از رابط های فیزیک از قبل آماده مزایای متعددی دارند آنها کاملا جریان کاری و فرایند اضافه کردن و تعریف کردن فیزیک ها برای مسئله شمارا آسان می نمایند همه ی فیزیک ها بصورت خودکار باهم کوپل شده اند و لزومی ندارد ما بخاطر بسپاریم که کدام یک از گره های کوپل چند فیزیکه باید اضافه گردد همچنین زمانیکه ما از یک رابطه چند فیزیکه از پیش آمده استفاده مینماییم تنظیمات خاص یا اصلاح شده در رابط فیزیک بعلاوه ی ویژگی های کوپل سازی بصورت خودکار اعمال می شود .

برای مثال تنظیمات solver یا تنظیمات element discretization.در حال حاضر قسمت discretization نمایش داده نشده است، بنابراین ما میتوانیم به پنجره model builder برویم و روی دکمه show کلیک کنیم و discretization را انتخاب نماییم ما متوانیم آن قسمت را توسعه دهیم و شما میتوانید تنظیمات خاص مربوط به آن را بعلاوه رابط heat transfer ببینید. بنابراین تنظیمات خاص برای این و دیگر جنبه های مربوط به حل محاسبه مدل شما بصورت خودکار هرجاییکه شما از رابط چند فیزیکه از پیش آماده استفاده مینمایید، لحاظ خواهد شد.

روش توالی

روش دیگر که میتوانیم فیزیک را تعریف کنیم ، استفاده از روش توالی می باشد. در این روش ما دو رابط فیزیکمان را بصورت جداگانه اضافه می نماییم و پس از آن ، کوپل های چند فیزیکه را اضافه می کنیم.

برای استفاده از این روش در ابتدا باید solid mechanics را اضافه ، فیزیک هارا برای این رابط تعریف نموده و سپس مسئله ی ساختاری را در یک study حل و ارزیابی نماییم .سپس باید heat transfer را در رابط solidاضافه نموده و دوباره باید این فرایند را با تعریف physicsبرای این رابط تکرار و مسئله ی گرمایی را در یک study دوم جداگانه حل و ارزیابی نماییم. همچنین مشاهده می فرمایید که وقتی که ما دومین رابط فیزیک را اضافه نمودیم، یک گره چند فیزیک در گره ها اضافه شده است در اینجا ما میتوانیم ویژگی های چند فیزیکه که نیاز داریم با راست کلیک کردن روی گره وانتخاب thermal expansion و temperature coupling اضافه نماییم.

در نهایت مانند قسمت رابط های آماده ، به تنظیمات قسمت چند فیزیکی می پردازیم . بنابراین در استفاده از روش توالی شما میتوانید فیزیک ها را در زمان قبل از حل کل مسئله چند فیزیکه، حل و ارزیابی نمایید .

ما استفاده از رابط های چند فیزیکه از پیش آماده را برای مدلتان در هرجاییکه ممکن باشد پیشنهاد میدهیم زیرا تنظیمات ایده آل بصورت خودکار در رابط چند فیزیکه از پیش آماده گنجانده شده است و این تنظیمات وقتی که شما از روش توالی استفاده مینمایید لحاظ نمی شود .

برای مثال اگر تنظیمات element discretization (گسسته سازی ) در heat transfer in solid، چک کنیم میتوانیم گزینه های انتخاب شده برای discretization را با گزینه های انتخاب شده زمانیکه از رابط چند فیزیکه ی از پیش آماده استفاده شده مقایسه نمایید و ما تنظیمات گسسته سازی متفاوتی مشاهده می کنیم.

تنظیمات خاص باعث بهبود محاسبات مدل چند فیزیکه می شوند که در روش توالی چنین بهیود هایی وجود ندارد و زمانی شما از ترکیب های چند فیزیکه از پیش آماده استفاده می نمایید این بهینه سازی ها از قبل گنجانده شده اند. توجه فرمایید که حتی اگر شما فیزکتان را به طور جداگانه با استفاده از روش توالی از پیش وارد نمایید، می توانید از مزایای آن همچنان اگر از رابط کاربری چندفیزیکه استفاده کرده باشید با استفاده از دکمه ی Add Multiphysics استفاده نمایید.

برای این کار ، در ابتدا دو گره کوپل کردن را که برای نشان دادن اضافه نموده بودیم را Delete می نمایم. سپس می توانیم دکمه ی Add Multiphysics را در نوار Physics پیدا کنیم.

در اینجا کوپل کردن چندفیزیکه بر اساس فیزیک هایی که به Component مدل شما اضافه می شوند متغییراند. شما می توانید ببینید که وقتی که می خواهیم فیزیک های Heat Transfer و Solid Mechanics را کوپل نماییم در قسمت Multiphysics Coupling ما Thermal Stress را به عنوان یک گزینه در دسترس داریم.

برای درک بهتر ، یک رابط فیزیک دیگر به مدلمان اضافه می نماییم. (Electric Currents) . اگر به پنجره Add Multiphysics بازگردیم و بخواهیم همه ی فیزیک ها را باهم کوپل کنیم، ما یک گزینه جدید داریم: Joule Heating and Thermal Expansion.

این گزینه همیشه با توجه به فیزیکی که می خواهیم اضافه نماییم تغییر می کند. بستگی دارد کدام را با کدام انتخاب کنیم. مثلاJoule Heating و Equilibrium DC Discharge. یا Solid Mechanics و تنها Electric Current راانتخاب کنیم. گزینه همیشه با توجه به فیزیکی که قصد کوپل کردن آن را دارید به روزرسانی می شود.

در اینجا ما می خواهیم Joule Heating Thermal Expansion را اضافه نماییم.

اکنون گره های مختلفی را در قسمت Multiphysics داریم:

Thermal Expansion Multiphysics Coupling.

Electromagnetic Heat Source coupling را داریم که گرمای مقاومتی را از رابط جریان الکتریکی به رابط انتقال حرارت عبور می دهد.

یک کوپل چند فیزیکه ی Boundary Electromagnetic Hear Source داریم که نمایان گر اتلاف انرژی الکترومغناطیس سطحی می باشد که با تبدیل منبع انرژی از الکتریکی به جنبه ی گرمایی صورت می گیرد.

و در نهایت هم دو کوپل دمایی داریم که یکی میدان دمایی را از رابط انتقال حرارت به رابط الکتریکی و دیگری دمای انتقال حرارت را از آن رابط به به رابط Solid Mechanics انتقال می دهد.

اضافه کردن گزینه کوپل از پنجر add multiphasic باعث می شود تنظیمات بهبود یافته که برای محاسبه ترکیب فیزیک ها که در شبیه سازی می باشند بکار رود. همان طور که در تصویر زیر مشاهده می کنید ، تنظیمات مربوط به Discretization یکسان سازی شده است .

روش دستی

در آخر، روش دیگر برای تعریف فیزیک برای یک مسئله که شامل چند فیزیک مختلف است،ایجاد دستی کوپل با استفاده از ورودی ها ، عبارت مدل (شامل متغیر های وابسته) و یا دیگر عبارات از یک رابطه فیزیکی دیگر، می باشد. برای بررسی این مدل از یک بلوک ساده و چند فیزیک که در ادامه تعریف می کنیم ، استفاده خواهیم کرد.

در ابتدا ازfluid flow ، laminar flowرا به component اضافه می نمایم. همچنین heat transfer in fluids (در زیر شاخه heat transfer )را به عنوان فیزیک دوم مسئله اضافه می نماییم. بنابراین وقتی قصد داریم که فیزیک ها را با استفاده از این روش کوپل کنیم ، سه مرحله کلی وجود دارد :

۱٫ در ابتدا می خواهیم بدانیم که چگونه فیزیک ها روی همدیگر اثر می گذارند

۲٫ سپس، ورودی های مناسب را اضافه می کنیم

۳٫ و در انتها ، مقادیر ثابت را با استفاده از عبارات ، ویرایش یا جایگزین می نماییم تا کوپل کردن را از یک رابط فیزیک به رابط فیزیک دیگر توضیع نماییم.

مجددا تاکید می شود که در این روش ، شما باید دید جامع و دقیقی نسبت به فیزیک های به کار رفته ( به صورت مجزا ) و همچنین ارتباط آن ها با یکدیگر ، داشته باشید. در ادامه شاهد قسمت هایی از روند ایجاد این ارتباط خواهید بود .

هر فیزیک شامل تنظیماتی است که به دیگر فیزیک ها و همچنین به ماده مورد استفاده مربوط می شود . به همین دلیل پیشنهاد می شود در ابتدا فیزیک ها و ماده مورد نظر را تعریف کنید و سپس به تنظیم قوانین و شرایط مسئله بپردازید. مطابق شکل ، ما جنس آب را انتخاب کرده ایم . ( مشاهده می کنید که دمای سیال آب به عنوان model input در نظر گرفته می شود .)

در ادامه مشاهده می فرمایید که model input مربوط به انتقال حرارت (heat transfer)، دارای ۲ پارامتری است که به قسمت laminar flow مربوط می شود .

همچنین دمای مربوط به جریان لایه ای (laminar flow)، از دمای محاسبه شده در قسمت انتقال حرارت (heat Transfer) برداشت می شود .

همان طور که مشاهده کردید، در این روش نیاز است که ارتباطات را دقیقا مشخص فرمایید و این بسیار مورد اهمیت است که شهود کاملی بر فیزیک مسئله داشته باشید.

اکنون شما با روش های کلی تعریف چند فیزیک آشنا شدید.

حال با تعریف دقیق فیزیک ها برای براکت گرمایی با گرفتن خروجی و نتیجه آشنا می شوید. در رابط solid mechanics ، میخواهیم یک شرط مرزی roller (تکیه گاه غلتکی)اضافه نماییم.

آنرا به دو مرز پیچ هایمان اعمال نماییم .

سپس همچنین ما میخواهیم یک شرط مرزی spring foundation به سطح سوراخ های پیج اضافه نماییم.

نوع spring را به diagonal تغییر داده و مقادیر را برای آن واحد های diagonal وارد می نماییم.

اکنون به جنبه ی گرمایی مسئله می بپردازیم.

میخواهیم یک شرط مرزی heat flux اضافه نماییم و آنرا به همه ی مرز ها به استثنا دو مرز نزدیک به پیچ ها و یک جریان گرمایی همرفت با مقدار ۱۰w/m2.k اعمال می نماییم.

سپس ما یک شرط مرزی heat flux دیگر اضافه می نماییم اینبار به همان مرز هایی که در مرحله قبل حذف نمودیم اعمال مینماییم تنظمیات را روی جریان گرمایی ورودی عمومی w/m2 10000 باقی میگذاریم .

حال به قسمت نهایی کار می رسیم. در گره study رفته و اطمینان حاصل می نماییم که رابط های فیزیک و کوپل های چند فیزیکه درست انتخاب شده باشند. در نهایت بر روی compute کلیک می کنیم.

اکنون می توانید نتایج را در قسمت Result و در دو قسمت جدا از هم شامل تنش مکانیکی و همچنین توزیع دما ، مشاهده کنید.