华中科技大学硕士学位论文多场耦合系统设计技术与应用研究姓名：王亚幂申请学位级别：硕士专业：管理科学与工程指导教师：李世其;王峻峰20060422I摘 要 多物理场耦合现象无处不在，只要多个物理场存在且各物理场之间发生了能量交换，必然随之会产生多场耦合系统。现代机电产品的设计中存在着多种不同类型的多场耦合系统，涉及到机械、电子、流体、热学等多个学科，对产品性能产生了重大影响,不容忽略。因此探讨多场耦合系统的设计技术，不仅有利于一般多场耦合问题的解决，而且对于提高我国机电产品的设计质量也具有重要的意义。 本文首先对多场耦合系统中的复杂耦合关系进行了探讨，在此基础上得出了多场耦合系统的一般表达式，总结了多场耦合系统的一般特点。 其次针对多场耦合系统特点，基于场求解器耦合法思想，探讨了分布式环境下在异地子任务端分别对每个物理场问题使用有限元求解器单独求解、在集成端对各子任务进行顺序迭代的集成设计技术，并探讨了其中的实时几何建模、节点载荷映射、仿真流程驱动等关键技术，实现了分布式环境下物理场的耦合和场间数据的无缝传递。 最后采用该技术对典型机电产品电磁继电器触簧动断过程中的静电结构耦合系统进行了研究，得到了电磁继电器真实的动态机械特性。 关键词： 多学科集成 多场耦合 有限元分析 数据传递 流程驱动 IIAbstract The phenomenon of multi- filed coupling widely exists in the nature. Coupled field system appears once more than two fields exist and they exchange their energe in the system. There are many kinds of multi- field coupled systems including many subjects such as mechanical 、 eletrical 、 fluent 、 thermal and so on in the course of modern mechanic- electronical products development. They can not be ignored because they always decide the product capability directly. It is important to discuss the methods and techniques to solve the general problem and improve our mechanic- electronical products design quality. Firstly, this paper discuss the complicated relationship between coupled fields and puts forward the expression of the system based on it. The general characteristic of the system is summarized correspondently. Secondly, aiming at the general characteristic of coupled multi- filed system and basing on the idea of single- field solver coupling, this paper discusses the techniques of distributed integrative design through sequential iteration of Fenite element analysis solver on the integrative end after sloving every single field using FEA solver respectively on the child end. From the point of engineering application , this paper solves the problems of fields coupling and data exchange seamlessly founded on the critical techniques of realtime geometry modeling、nodes force mapping、simulation process integration and driving . Finally, this paper studies on the electrical- structural coupled system of reeds group fixed in the electromagnetic realy during dnamic- disconnection course. Dynamic mechanical characteristic of relay is acquired thereby. Keywords: Multidiciplinary integration Multi- field coupling Fenite element analysis Data transfer Process driving 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经声明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 (请在以上相应方框内打“ “) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日11 绪 论 1.1 课题的背景、来源及意义 现代机电产品中广泛存在着不同类型的多场耦合系统，例如发动机、燃气涡轮、压力容器（热交换器） 、电子设备、制冷系统等中存在的热结构两场耦合系统；电机、变压器等中存在的热电及热结构两场耦合系统；压电换能器中存在的压电两场耦合系统；熔化钢水在感应加热中时由于电磁搅拌产生的流体电磁三场耦合系统；更多的如梳状驱动器、扭转谐振器等 MEMS（Micro- Electro- Mechanical Systems）器件中存在的静电结构耦合系统等，这些耦合系统要么是产品动作实现的激励，要么对产品动作性能产生重大影响，对其进行深入的研究具有重大意义。 电磁继电器是典型的具有多场耦合问题的机电产品，作为最普通的开关控制元器件，被广泛运用于军事和民用的各领域中，起着电压电流控制和转换的作用，而航天用电磁继电器往往工作在振动、冲击、加速度、高低温、湿度及大气压等大幅度变化的恶劣环境下，要求具有很高的耐力学环境能力，因此研究其中的多物理场对其机械特性的影响对于设计和研制动作快、寿命长、能适应恶劣工作条件的高性能电磁继电器，显得越来越重要。 本课题的研究得到了国家民用航天科研专项计划基金项目（项目编号：科工技20041530 号）的资助，所探讨的多场耦合系统设计技术使企业中分布式环境下的典型机电产品多场耦合系统的设计成为可能，将实现企业级网络设计与制造的资源集成，有效降低学科级耦合难度、减轻设计人员的负担、加快产品的开发周期、快速响应市场，具有一定的意义： （1） 多场耦合现象本身具有一定的普遍性，不仅受到了多学科专家学者的关注， 而且也是目前工程领域许多 CAE 软件商所关注的热点，对该现象进行探讨具有一定的理论意义； （2） 总结了一般多场耦合系统的特点和表达式，为后续多场耦合系统理论上的 深入研究打下了基础。 （3） 根据一般多场耦合系统的特点，探讨的基于场求解器耦合法的有限元子任 务迭代的集成设计方法具有一定的灵活性，能满足不同数量和耦合类型物理场系统的设计需要，具有一定工程应用的实用性，不仅有效利用了现有有限元数值仿真包的优2良计算性能，避免了设计中对于耦合问题的解析，同时发挥出了分布式集成设计的优点，降低了耦合问题的求解难度，充分利用了各学科间的协同效应和企业分布的软硬件资源、多学科专家知识，便于产品设计质量的提高和产品开发周期的缩短。 （4） 应用到航天用电磁继电器触簧组的多场耦合系统设计中，得到了继电器触 簧片的动态机械特性，消除了以往设计中以静态机械特性作为继电器选型标准的不精确因素，提高了继电器产品设计质量。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 多场耦合 气动弹性问题是人们在航空领域最先遇到的多场耦合问题，1903 年飞行先驱Ijngley 的单翼飞机首次作有动力的飞行试验时，机翼突然断裂，飞机坠入 Potomac 河中，当时人们就认识到这是气动弹性静力学中的扭转发散问题。20 世纪 30 年代航空工业的迅猛发展使得飞机的飞行速度接近声速，为了解决大量出现的气动弹性问题，航空工程师总结和提出了“ 气动弹性力学” 这个概念。1951 年，Eckert 等研究了等腰三角形、长方形截面的通道中壁面内周向导热对通道内紊流换热的影响，代表了耦合换热的早期研究。20 世纪 60 年代为了突破热障，热防护技术成为气动热力学研究的热点课题，“ 耦合问题” 作为传热学的一个重要分支被正式提出，在 20 世纪 70 年代，随着载人卫星和载人飞船研制工作的进展以及发动机热结构设计的要求，出现了气 热 结构的三位一体化问题，但限于当时的条件人们不得不将气动加热、烧蚀和热结构分别处理，1985 年出现了“计算气动热力学“一词1。1975 年，K.C.Park 等2使用交错迭代法求解流固耦合问题，经过近三十多年的研究，这种交错迭代方法已经发展比较成熟的分区解法，这种解法在流固耦合问题、控制结构耦合问题以及气轮机的多场仿真中发挥了重要作用。此后很多研究者3对该方法的计算稳定性进行了改进。 对于 MEMS 领域中的典型力电耦合问题，西安交通大学的徐洪强等4将近似法与有限元法相结合，研究了叉指式微加速度计的静电机械耦合问题；西北工业大学微纳米系统实验室的苑伟政等5采用半解析的方法分析了陀螺中的静电结构耦合问题， 北京大学的王从舜等6、西北工业大学的高行山7等基于 FEMBEM 的耦合法混合求解了 MEMS 中的力电耦合问题，很好的解决了几种典型 MEMS 器件（如平板等）的静电驱动耦合问题； 厦门大学的孙道恒8等提出了一种基于 Krylov子空间法的 MEMS 静3电结构降阶建模方法，大大降低了仿真需要的时间。 目前使用数值算法求解多场耦合问题的方法通常分为直接法和间接法9， 前者在一个单元内将所有的偏微分方程集总成一个包罗万象的单元方程求解，通过计算所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合，适用于多个物理场间响应互相依赖的情况，但由于平衡状态要满足多个准则，而直接耦合分析往往是非线性的，所以每个结点上的自由度越多，矩阵方程就越庞大，耗费的机时也越多。后