Abaqus 间接耦合(Co-simulation)

Abaqus间接耦合技术：深入探讨复杂多物理场协同分析


引言

Abaqus间接耦合技术作为现代工程分析中关键领域的一部分，旨在解决多物理场之间相互作用问题，特别适用于流固耦合（FSI）、电磁结构耦合等复杂系统。此技术通过协同调用多个Abaqus求解程序，实现多物理场的同步求解，以满足从线性到非线性、稳态到瞬态的计算需求。本文旨在深入解析Abaqus间接耦合原理及其应用，包括协同仿真引擎（CoSimulation Engine）和网格并行耦合接口（MpCCI）的特性与局限，间接耦合的适用强度分析，以及基于Abaqus/CAE构建的层次集成方法下的计算流体动力学（CFD）能力。

间接耦合原理

间接耦合技术的核心在于通过定义物理场间的接触区域，实现不同域间数据的交互与共享，从而使Abaqus与其他耦合程序（如Abaqus/CFD与Fluent）协同运行。这一方法主要适用于当物理场间具备明确界限时。当前的间接耦合方法包括CoSimulation Engine与MpCCI两类，它们分别满足Abaqus内部开发与学术及应用领域的多元合作需求。

CoSimulation Engine：该引擎由Abaqus自主开发，专为便于用户在单一Abaqus/CAE界面中无缝衔接不同物理场的分析任务，支持从热传流固耦合到电磁结构耦合作用的分布式数据交换。CoSimulation Engine融合了隐式动态（Abaqus/Standard）与显式动态（Abaqus/Explicit）的协同，大大扩展了多物理场耦合的范畴。

MpCCI（Meshbased parallel Code Coupling Interface）：由德国Fraunhofer研究所的SCAI研究中心研发，MpCCI作为多物理场代码耦合工具，提供与众多仿真软件（如Fluent、ANSYS、MD Nastran等）的高效数据互操作性，特别适用于网格并行计算，能够显著提升复杂计算模型的求解效率。




间接耦合强度

间接耦合的适用范围与运行模式紧密相关，主要分为双向和单向耦合两种类型，常根据某一分区的响应力大小或波动频率来界定。在流固耦合（气体结构或其他流体结构交互）中，流体动力学的变化会对结构产生显著影响，同时结构的形变也会对流体流动造成反馈，这是典型的双向耦合。然而，在电磁与结构耦合中，如电磁场主要驱动结构变形而非反作用于电磁场，这类情况则往往倾向于采用单向耦合，以优化计算资源的分配与求解效率。

ABAQUS/CFD能力

基于Abaqus/CAE的强大前后处理能力，ABAQUS/CFD已发展成为一站式CFD工具，能够妥善处理并整合流动、传热、结构变形等多种自然过程。其核心能力包括流热（FluidThermal）、流固（FluidStructural）等问题的计算，范围涵盖层流与湍流流场（Laminar or Turbulent）、稳态或瞬态过程（Steadystate or Transient）以及内外流场特性（Internal or External flows），同时支持热对流（Thermal convective）与网格变形求解（Deformingmesh ALE），助力于精确模拟从塑性到冲击源头的复杂物理现象。

定量描述：控制方程

定性描述多物理场交互的基础之后，通过定量描述加以深入：对于任意控制体积$V$下稳动量守则的表述可以写为：

$$

\nabla \cdot \mathbf{S} + \boldsymbol{\rho}\mathbf{g} + \boldsymbol{\tau} = \mathbf{f}

$$

这里，$\mathbf{S}$表示应力张量，$\boldsymbol{\rho}$为流体密度，$\mathbf{g}$为重力加速度，$\boldsymbol{\tau}$为黏性剪切应力，$\mathbf{f}$表示外部作用力；而针对能量的传递现象则可通过对温度传递方程表达为：

$$

\frac{d}{dt}\rho C_{p}\theta = \nabla \cdot (\rho C_{p} \mathbf{W'} + \mathbf{q}) + \mathbf{R}

$$

其中，$\theta$表示温度，$C_{p}$为压强$P$下的比热容比，$\mathbf{W'}$指向流场的热量通量密度，$\mathbf{q}$表示热流密度，$\mathbf{R}$为每单位体积的外部供热量。

结论

综上所述，Abaqus间接耦合技术涵盖了从理论到实践的丰富应用场景，无论是基于分域处理的CoSimulation Engine与MpCCI，还是ABAQUS/CFD在CFD领域的领先性能，均展示了多物理场协同求解的潜力与价值。在高效求解复杂工程系统时，间接耦合技术与分布式计算资源的优化应用将成为促进科技进步与工程创新的有力工具。