Workbench多物理场仿真培训课程体系（选修）

目录

专题一：Workbench平台基础与多场耦合概述

专题二：热-结构耦合分析

专题三：流-固耦合分析

专题四：电磁-热耦合分析

专题五：电磁-结构耦合分析

专题六：压电效应与机电耦合分析

专题七：热-电耦合分析

专题八：声-结构耦合分析

专题九：多物理场协同优化设计

专题十：ACT二次开发与定制化耦合工具

专题一：Workbench平台基础与多场耦合概述

培训对象：面向需要开展多物理场耦合分析的仿真工程师、产品研发设计人员，以及希望系统掌握Workbench多场协同仿真技术的初学者。建议具备至少一个物理场（结构、热、流体或电磁）的仿真基础。

培训目标：使学员深入理解Workbench平台的项目级协同工作机制，掌握多物理场耦合的基本理论与实现方法，熟悉各类耦合分析的系统搭建、数据传递与求解控制流程，为后续专题学习奠定坚实基础。

培训内容：

1. Workbench平台架构解析：项目管理、数据共享与系统组装机制

2. 多物理场耦合概论：单向耦合与双向耦合的工程区别与选择依据

3. 耦合分析中的数据传递：场映射算法与插值精度控制

4. 协同仿真环境配置：多求解器联合调用与计算资源分配

5. 参数化管理：跨系统参数关联与设计点批量提交

6. 几何模型准备：适用于多场耦合的模型简化与共享拓扑

7. 网格协同策略：不同物理场对网格的特殊要求与平衡方法

8. 材料模型跨场关联：多物理属性材料的定义与库管理

9. 载荷与边界条件的跨系统传递机制

10. System Coupling模块详解：双向耦合的搭建与监控

11. 耦合分析收敛控制：松弛因子、迭代步数与收敛判据设置

12. 时间步协同：瞬态多场分析的时间步同步策略

13. 结果文件管理：多物理场结果的数据组织与联合查看

14. 耦合计算稳定性诊断：常见发散原因与解决方案

15. 计算效率优化：降阶模型与子结构在多场耦合中的应用

16. 企业级实战：某MEMS器件热-电-结构三场耦合分析入门

专题二：热-结构耦合分析

培训对象：面向电子设备热设计工程师、高温部件强度分析人员、精密仪器研发人员，以及需要考虑热应力和热变形的结构设计工程师。建议具备Mechanical热分析和结构分析基础。

培训目标：使学员系统掌握热-结构耦合分析的理论与方法，能够独立完成稳态/瞬态温度场计算，并将温度结果作为载荷进行结构热应力与热变形分析，具备电子产品散热、发动机热端部件等工程问题的热-力耦合评估能力。

培训内容：

1. 热-结构耦合物理机制：热膨胀、热应力与热变形产生原理

2. 热-结构耦合分析类型：单向顺序耦合与双向直接耦合

3. 稳态热分析基础：热传导、热对流与热辐射边界设置

4. 稳态热-结构单向耦合：从稳态热分析到结构分析的完整流程

5. 瞬态热分析：时间步控制、初始条件与热惯性效应

6. 瞬态热-结构耦合：温度场随时间变化引起的动态热应力

7. 热接触设置：接触热阻对温度场与热应力的影响

8. 热-结构耦合中的材料属性：随温度变化的材料参数定义

9. 热应变与热应力的计算方法与结果解读

10. 热-结构耦合中的非线性：温度相关的塑性、蠕变行为

11. 热疲劳分析基础：热循环载荷下的疲劳寿命评估

12. 热-结构耦合网格策略：温度梯度区域的网格细化要求

13. 焊接过程热-力耦合仿真：移动热源与焊缝成形

14. 热处理过程模拟：相变潜热与组织应力耦合

15. 电子封装热可靠性：芯片-基板-散热器系统热应力分析

16. 企业级实战：某IGBT模块功率循环热-结构耦合疲劳评估

专题三：流-固耦合分析

培训对象：面向从事流体诱导振动分析、管道流致振动研究、柔性体流固相互作用仿真的工程师，以及需要开展流-固耦合分析的研发技术人员。建议具备Fluent流体分析和Mechanical结构分析基础。

培训目标：使学员深入理解流-固耦合的物理机制与数值实现方法，掌握System Coupling进行单向与双向流-固耦合分析的全流程操作，具备管道振动、阀门启闭、柔性翼型颤振等工程问题的流-固耦合仿真能力。

培训内容：

1. 流-固耦合物理机制：流体压力载荷与结构变形相互作用原理

2. FSI分析类型：单向FSI与双向FSI的工程适用场景

3. Workbench中FSI分析系统搭建：Fluent + Mechanical + System Coupling

4. 几何模型准备：流体域与固体域划分及共享拓扑要求

5. 流体侧网格策略：边界层控制与近壁面分辨率要求

6. 结构侧网格策略：变形区域的网格质量与扭曲控制

7. 流-固交界面定义：数据传递面的匹配与命名规范

8. 单向FSI分析流程：Fluent压力场映射到Mechanical结构分析

9. 双向FSI分析设置：System Coupling中的耦合步与迭代控制

10. 网格变形与动网格技术：流体域网格更新的方法选择

11. 数据传递映射算法：配置文件插值与保守插值的选择

12. 耦合收敛控制：松弛因子调整与收敛稳定性提升

13. 管道流致振动分析：流体脉动引发的结构响应仿真

14. 阀门启闭动态FSI：流场突变与结构瞬态响应耦合

15. 柔性翼型颤振分析：气动弹性问题的双向耦合模拟

16. 企业级实战：某热交换器管束流致振动双向FSI分析

专题四：电磁-热耦合分析

培训对象：面向电机热管理工程师、变压器与电抗器设计人员、感应加热设备研发人员，以及需要评估电磁损耗引起温升问题的电气设备设计工程师。建议具备Maxwell电磁分析和Mechanical热分析基础。

培训目标：使学员掌握电磁-热耦合分析的理论与方法，能够将Maxwell计算得到的各类电磁损耗（涡流损耗、磁滞损耗、焦耳热）精确映射到热分析模型中，实现电气设备温升预测与热设计优化。

培训内容：

1. 电磁-热耦合物理机制：电磁损耗产热与温度场分布关系

2. 电磁损耗类型：焦耳热、涡流损耗、磁滞损耗、介质损耗

3. Workbench中电磁-热耦合系统搭建：Maxwell + Mechanical热分析

4. Maxwell电磁分析设置：激励源、边界条件与求解参数

5. 损耗计算结果提取：体积损耗密度与表面损耗密度的输出

6. 几何模型协同：电磁模型与热模型的匹配与简化策略

7. 损耗数据映射：Maxwell到Mechanical热分析的数据传递

8. 热分析设置：材料热物性参数与散热边界条件定义

9. 稳态电磁-热耦合：恒定工况下的温升分布计算

10. 瞬态电磁-热耦合：时变载荷下的温度场演化过程

11. 温度对电磁性能的反向影响：材料属性随温度变化设置

12. 双向电磁-热耦合：System Coupling实现电磁-热迭代求解

13. 电机热管理案例：定子绕组铜耗与转子涡流损耗热分析

14. 变压器温升仿真：铁心损耗与绕组焦耳热联合加载

15. 感应加热模拟：工件涡流产热与温度场分布计算

16. 企业级实战：某永磁同步电机额定工况电磁-热耦合温升分析

专题五：电磁-结构耦合分析

培训对象：面向电磁力驱动设备设计工程师、开关电器研发人员、MEMS执行器设计人员，以及需要评估电磁力引起的结构变形与应力的电气设备研发工程师。建议具备Maxwell电磁分析和Mechanical结构分析基础。

培训目标：使学员掌握电磁-结构耦合分析的理论与方法，能够将Maxwell计算得到的电磁力精确映射到结构分析模型中，实现电磁力作用下的结构变形、应力及振动响应分析，满足电磁开关、继电器等设备的机电耦合设计需求。

培训内容：

1. 电磁-结构耦合物理机制：磁场对载流导体的作用力原理

2. 电磁力类型：洛伦兹力、麦克斯韦应力张量与磁致伸缩力

3. Workbench中电磁-结构耦合系统搭建：Maxwell + Mechanical结构分析

4. Maxwell电磁力计算设置：力、力矩与磁通密度参数提取

5. 电磁力映射方法：节点力映射与表面应力映射选择

6. 几何模型匹配：电磁模型与结构模型的网格对应关系

7. 单向电磁-结构耦合：电磁力加载到结构静力学分析

8. 瞬态电磁-结构耦合：时变电磁力作用下的结构动态响应

9. 电磁开关案例：衔铁吸合过程的电磁力与运动仿真

10. 磁致伸缩效应模拟：磁场引起的材料本征应变加载

11. 电磁-结构双向耦合：结构变形对磁场分布的反向影响

12. 动铁心机构分析：含接触与运动的电磁-结构耦合仿真

13. 变压器绕组振动：短路电流下的电磁力与绕组变形分析

14. 电磁成形工艺模拟：强脉冲磁场下的金属高速变形

15. 电机电磁振动与噪声：电磁力波引起定子结构响应

16. 企业级实战：某高压断路器电磁斥力机构瞬态电磁-结构耦合分析

专题六：压电效应与机电耦合分析

培训对象：面向压电传感器与执行器设计人员、超声换能器研发工程师、MEMS压电器件开发人员，以及需要研究机电能量转换问题的研发技术人员。建议具备结构分析与静电场分析基础。

培训目标：使学员深入理解压电效应物理本质与压电本构关系，掌握ANSYS中压电材料定义与分析方法，能够独立完成压电器件的模态分析、谐响应分析及静态分析，具备压电传感器、超声电机等产品的机电耦合仿真能力。

培训内容：

1. 压电效应物理机制：正压电效应与逆压电效应原理

2. 压电本构方程：应力-电荷型与应变-电压型方程形式

3. 压电材料参数：压电常数矩阵、介电常数矩阵与弹性常数矩阵

4. ANSYS中压电材料定义：材料参数输入与坐标系对齐

5. 压电分析单元类型：SOLID226、SOLID227等耦合单元选择

6. 电极与电压边界条件：等势面定义与电压自由度施加

7. 压电器件静态分析：施加电压产生变形或施加力产生电荷

8. 压电模态分析：短路模态与开路模态的区别与计算

9. 压电谐响应分析：交流电压激励下的振动响应

10. 压电阻抗分析：导纳与阻抗频率特性曲线计算

11. 压电能量收集器仿真：环境振动激励下的发电能力评估

12. 超声换能器设计：谐振频率调谐与声场耦合基础

13. 压电传感器仿真：力-电荷转换灵敏度计算

14. 压电执行器仿真：电压-位移输出特性分析

15. 温度对压电性能的影响：考虑温变的压电耦合分析

16. 企业级实战：某压电微泵机电耦合特性仿真与优化

专题七：热-电耦合分析

培训对象：面向焦耳热效应分析工程师、电热器件设计人员、集成电路与PCB热设计人员，以及需要评估电流生热问题的电气设备研发人员。建议具备电场分析与热分析基础。

培训目标：使学员掌握热-电耦合分析的理论与方法，能够分析电流通过导体产生的焦耳热效应，以及温度变化对电导率等电性能的反向影响，具备汇流排、加热器、熔断器等电热器件的耦合仿真能力。

培训内容：

1. 热-电耦合物理机制：焦耳热效应与电阻温度依赖性

2. 热-电耦合分析类型：单向热电耦合与双向热电耦合

3. Workbench中热电耦合系统搭建：Mechanical热电分析模块

4. 热电材料属性定义：电导率、导热系数、电阻温度系数

5. 电边界条件：电压、电流、接地与电绝缘设置

6. 热边界条件：温度、对流、热流与绝热边界设置

7. 稳态热电耦合分析：恒定电流下的焦耳热与温升计算

8. 瞬态热电耦合分析：脉冲电流下的温度场演化过程

9. 焦耳热与自然对流耦合：通电导体在空气中的散热分析

10. 电热应力扩展：热电分析结果导入结构分析计算热应力

11. 熔断器熔断过程仿真：焦耳热累积与材料熔化模拟

12. 电加热器设计：功率密度分布与温度均匀性优化

13. PCB电热协同仿真：导线焦耳热与器件发热联合分析

14. 电接触热效应：接触电阻引起的局部过热模拟

15. 热电制冷器基础：帕尔贴效应与热电制冷模拟

16. 企业级实战：某大电流汇流排热电耦合温升与热应力分析

专题八：声-结构耦合分析

培训对象：面向噪声振动粗糙度工程师、扬声器与麦克风设计人员、声呐与超声设备研发人员，以及需要研究结构与声场相互作用的声学工程师。建议具备Mechanical结构分析基础。

培训目标：使学员掌握声-结构耦合分析的理论与方法，能够分析结构振动引起的声辐射、声场对结构的激励作用以及封闭空间内的声-结构耦合模态，具备扬声器、消声器、舱室声学等问题的声振耦合仿真能力。

培训内容：

1. 声-结构耦合物理机制：结构振动声辐射与声场力反馈

2. 声学基本理论：声压、声强、声功率与声学波动方程

3. ANSYS声学分析模块：Harmonic Acoustics与Acoustic Body

4. 声学单元类型：FLUID220、FLUID221与声学无限单元

5. 声学材料属性：声速、密度与声吸收系数定义

6. 声-结构耦合界面：流固耦合面定义与数据传递

7. 声学边界条件：辐射边界、阻抗边界与完美匹配层

8. 结构振动声辐射分析：结构谐响应与外部声场耦合

9. 声腔模态分析：封闭空间内声学模态频率与振型

10. 声-结构耦合模态：考虑声场影响的结构模态计算

11. 扬声器仿真：音圈激励下的振膜振动与声压辐射

12. 消声器传递损失分析：声学有限元法计算消声性能

13. 车内声固耦合：车身结构与车内声腔耦合模态与频响

14. 水下声辐射：结构与水的声-结构耦合分析

15. 超声清洗模拟：高频声场中的空化效应与声压分布

16. 企业级实战：某汽车驾驶室声-结构耦合模态与噪声响应分析

专题九：多物理场协同优化设计

培训对象：面向追求产品综合性能最优的设计工程师、多学科优化工程师，以及希望将多物理场仿真与优化技术结合的研发人员。建议具备至少两个物理场的仿真基础和参数化建模能力。

培训目标：使学员掌握基于Workbench的多物理场协同优化设计方法，能够建立多场耦合的参数化模型，应用响应曲面法、直接优化及多目标优化算法，实现产品在多物理场约束下的性能综合优化。

培训内容：

1. 多物理场优化设计概论：设计变量、状态变量与目标函数

2. Workbench参数化管理：跨系统几何、材料与载荷参数关联

3. 多物理场响应曲面构建：实验设计方法与响应面拟合

4. 响应面优化：基于构建的响应面进行目标驱动优化

5. 直接优化工具：筛选法、多目标遗传算法与非线性二次规划

6. 多物理场灵敏度分析：识别影响多场性能的关键参数

7. 六西格玛分析与稳健性设计：考虑不确定性的多场优化

8. 多目标优化：如同时最小化温升与最大化刚度

9. 热-结构协同优化：散热性能与结构轻量化的权衡设计

10. 电磁-热协同优化：电磁性能与温升控制的联合优化

11. 流-固耦合优化：流道形状与结构强度的协同设计

12. 优化约束处理：多物理场性能指标作为约束条件

13. 帕累托前沿分析：多目标优化结果的权衡决策

14. 拓扑优化在多物理场中的应用：考虑热-力载荷的材料布局

15. 优化结果的验证与再分析：优化方案的仿真验证

16. 企业级实战：某电机定子电磁-热-结构多目标协同优化

专题十：ACT二次开发与定制化耦合工具

培训对象：面向需要实现定制化多物理场耦合流程的高级仿真工程师，以及从事企业仿真标准化、自动化平台开发的CAE专家。要求具备Python编程基础和Workbench深度应用经验。

培训目标：使学员掌握ANSYS ACT二次开发工具的核心技术与开发方法，能够编写自定义扩展程序，实现特定多物理场耦合流程的自动化封装，开发企业专用的定制化耦合工具，提升多场仿真效率与标准化水平。

培训内容：

1. ACT二次开发概述：XML定义与Python脚本架构

2. 开发环境搭建：ACT控制台与Visual Studio Code配置

3. XML界面定义：自定义页面、分组与控件的创建

4. Python API基础：Workbench对象模型与核心类库调用

5. 几何操作API：自定义几何创建与参数化控制脚本

6. 网格控制API：自动化网格划分与质量检查脚本

7. 求解设置API：跨物理场求解器参数批量配置

8. System Coupling API：定制化双向耦合流程控制

9. 结果处理API：自动化后处理与报告生成脚本

10. 自定义材料库开发：多物理场材料数据库封装

11. 耦合映射算法定制：特殊场景下的数据传递方法

12. 企业耦合流程封装：将标准多场分析流程固化为工具

13. 用户自定义 Wizard：引导式多场分析向导开发

14. ACT与优化工具集成：定制优化算法调用接口

15. ACT调试与发布：扩展程序的测试、打包与部署

16. 企业级实战：某产品线专用热-流-固耦合分析工具开发

课程体系设计说明：

本选修课程体系以Workbench多物理场耦合应用领域为划分维度，涵盖平台基础、热-结构、流-固、电磁-热、电磁-结构、压电耦合、热-电、声-结构、协同优化及ACT二次开发十大专题。每个专题均结合企业真实研发场景设计，遵循从耦合机理到工程应用的递进式学习路径。课程内容融入行业典型工程案例，确保学员学完即具备相应领域的独立多物理场仿真能力，满足航空航天、汽车、电子、电气设备等高端制造业对多学科耦合仿真人才的专业需求。