一种基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法

1.本发明属于电磁场数值求解领域，具体为一种基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法。


背景技术：

2.复杂大功率电子器件的服役环境十分恶劣，电磁特性非常容易受到力、热的干扰进而使得电子器件的功能受限或性能下降。例如，星载电子通讯系统在有限的空间内集成的大量电子元件所产生的高温使材料电参数变化、器件结构变形，进而造成系统的电磁特性偏离工作范围；有源相控阵天线受到振动、冲击等会引起阵面结构变形，同时阵面大量发热器件产生的温度分布变化也会导致对温度特别敏感的组件性能下降，最终导致整个设备的电磁特性恶化，甚至无法正常工作。因此，为了设计可以稳定工作的高性能复杂大功率电子器件，除了保证电子器件的一般电磁特性达到要求之外，还需要考虑电子器件在真实环境下的工作状态，即对热、力影响下的电磁特性进行多物理场协同仿真分析。
3.随着计算机技术的发展，采用仿真技术对电子器件进行仿真计算及分析是最为经济、精确和高效的方法。然而电子器件电磁特性多物理场协同仿真的一个难点在于电磁、热、力各个场的计算区域不同。结构动力学和热学的计算区域是电子产品的实体区域，包括金属、介质构成的区域，而电特性的计算区域是与之相反的空间区域，包括真空或介质的区域。在传统的电磁特性多物理场协同仿真分析中，两类计算区域分别建模、分别生成计算网格，其结果是两个计算域的交界面网格不匹配。因此，一个场的求解结果并不能精确无缝地耦合到另一个场上。此时，场间变量必须通过近似、映射、插值等方式耦合两个场。这将不可避免地导致耦合的精度损失。因此需要构造多场计算域联合建模的方法，生成一套整体的联合网格使得多个计算域的交界面网格匹配，通过多场网格的映射关系实现场间变量的精确耦合，从而避免任何插值和近似，提高多物理场协同仿真的精度，最终实现电子器件电磁特性的精确仿真分析，提升器件的性能。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题或不足，为解决现有多物理场协同仿真分析场间变量近似耦合导致的精度损失问题，提高多物理场协同仿真的精度，本发明提供了一种基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法，通过联合网格的构建，实现计算域交界面网格匹配，完成场间变量的精确耦合。
5.一种基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法，具体步骤如下：
6.步骤1、将目标电子器件进行有限元建模，引入cae(计算机辅助工程)特征，包括电磁边界条件及激励、热边界条件及激励、力边界条件及激励和材料，建立对应的多物理场协同仿真分析模型。
7.步骤2、对步骤1建立的多物理场协同仿真分析模型进行电磁计算域和热、力计算域标记，电磁计算域模型标记为p，热、力计算域模型标记为q。
8.步骤3、基于步骤1建立的多物理场协同仿真分析模型，生成非流形模型，且在模型上进行cae特征唯一标识。
9.在本发明中根据边界条件和激励类型来确定面上单场属性唯一标识，具体规则如下：1、激励优先级高于边界；2、第一类边界条件优先级高于第二类边界条件；3、第二类边界条件优先级高于第三类边界条件。
10.步骤4、采用四面体网格剖分步骤3生成的非流形模型，获得以四面体网格组成的离散模型，该离散模型包含四面体网格几何信息、cae特征与网格点、边、面、体单元的映射信息。
11.步骤5、建立全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格和力有限元计算网格的数据存储结构。
12.这一步骤是为了建立各个场的计算网格数据存储结构，因此这一过程需要建立全局计算网格和各个场计算网格数据的存储形式。
13.全局计算网格(四面体)的数据存储结构包括点、边、面、体的单元信息。
14.其中点单元信息包括：点在全局计算网格中的编号idmult_n，点在电磁有限元计算网格中的编号idems_n，点在热有限元计算网格中的编号idts_n，点在力有限元计算网格中的编号idmcs_n，点的三维空间坐标x_、y_、z_。
15.其中边单元信息包括：边在全局计算网格中的编号idmult_e，边在电磁有限元计算网格中的编号idems_e，边在热有限元计算网格中的编号idts_e，边在力有限元计算网格中的编号idmcs_e；边的两个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_e，其维数为2。
16.其中面单元信息包括：面在全局计算网格中的编号idmult_f，面在电磁有限元计算网格中的编号idems_f，面在热有限元计算网格中的编号idts_f，面在力有限元计算网格中的编号idmcs_f；面上的电磁边界及激励类型bcems_f，面上的热边界及激励类型bcts_f，面上的力边界及激励类型bcmcs_f；面上三个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_f，其维数为3；面上三条边在全局计算网格中的编号数组eimult_f，其维数为3；面所属四面体在全局计算网格中的编号数组timult_f，其维数为2。
17.其中体单元信息包括：体在全局计算网格中的编号idmult_t，体在电磁有限元计算网格中的编号idems_t，体在热有限元计算网格中的编号idts_t，体在力有限元计算网格中的编号idmcs_t；体上四个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_t，其维数为4；体上六条边在全局计算网格中的编号数组eimult_t，其维数为6；体上四个面在全局计算网格中的编号数组fimult_t，其维数为4；体的计算域标记cmid_t，体的材料编号mtid_t，热源编号hsid_t。
18.电磁有限元计算网格的数据存储结构包括：电磁有限元计算网格点的个数nodecnt_ems，电磁有限元计算网格边的条数edgecnt_ems，电磁有限元计算网格面的个数facecnt_ems；电磁有限元计算网格点的坐标数组nodecord_ems，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的个数tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的四个顶点在电磁有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_ems，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的四个面的电磁边界及激励类型数组tetrafacebc_ems，其按照每个四面体四个面的电磁边界及激励类型依次排列，维数为4乘
以tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_ems，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_ems，其维数为nodecnt_ems；电磁有限元计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_ems，其维数为edgecnt_ems；电磁有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_ems，其维数为facecnt_ems；电磁有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_ems，其维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的温度数组tetratemp__ems，其维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格节点的位移数组tetradis__ems，其维数为3乘以nodecnt_ems。
19.热有限元计算网格的数据存储结构包括：热有限元计算网格点的个数nodecnt_ts，热有限元计算网格边的条数edgecnt_ts，热有限元计算网格面的个数facecnt_ts；热有限元计算网格点的坐标数组nodecord_ts，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_ts；热有限元计算网格四面体的个数tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的四个顶点在热有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_ts，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的四个面的热边界及激励类型数组tetrafacebc_ts，其按照每个四面体四个面的热边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_ts，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_ts，其维数为nodecnt_ts；热有限元计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_ts，其维数为edgecnt_ts；热有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_ts，其维数为facecnt_ts；热有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_ts，其维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的热源编号数组tetrasource_ts，其按照每个四面体热源编号依次排列，维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格面单元的场间面热源数组facetempems__ts，其维数为facecnt_ts；热有限元计算网格节点的位移数组tetradis__ts，其维数为3乘以nodecnt_ts；热有限元计算网格体单元的场间体热源数组tetratempems__ts，其维数为3乘以tetracnt_ts。
20.力有限元计算网格的数据存储结构包括：力有限元计算网格点的个数nodecnt_mcs，力有限元计算网格边的条数edgecnt_mcs，力有限元计算网格面的个数facecnt_mcs；力有限元计算网格点的坐标数组nodecord_mcs，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_mcs；力有限元计算网格四面体的个数tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的四个顶点在力有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_mcs，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的四个面的力边界及激励类型数组tetrafacebc_mcs，其按照每个四面体四个面的力边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_mcs，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_mcs；力有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_mcs，其维数为nodecnt_mcs；力有限元计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_mcs，其维数为edgecnt_mcs；力有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_mcs，其维数为facecnt_mcs；力有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_
mcs，其维数为tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的温度数组tetratemp_mcs，其维数为tetracnt_mcs。
21.步骤6、以步骤4生成的四面体网格组成的离散模型为基础，结合步骤5建立的数据存储结构，构建全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格，并建立全局计算网格和各有限元计算网格之间的映射关系。
22.全局计算网格构建的具体流程为：
23.首先遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有点，依次编号，并更新全局计算网格中点单元信息中的idmult_n，x_，y_，z_。
24.然后遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有边，依次编号，并更新全局计算网格中边单元信息中的idmult_e，nimult_e。
25.接着遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有体，依次编号，并更新全局计算网格中体单元信息中的idmult_t，nimult_t，cmid_t，hsid_t，mtid_t。
26.再接着遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有面，依次编号，并更新全局计算网格中面单元信息中的idmult_f，nimult_f，eimult_f，timult_f，bcems_f，bcts_f，bcmcs_f。
27.最后遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有体，并更新全局计算网格中体单元信息中的eimult_t，fimult_t。
28.由于全局计算网格中面单元信息中包含面所属四面体在全局计算网格中的编号数组timult_f，因此全局计算网格构建的具体流程中需要先遍历离散模型中的所有体，进行编号，才能在遍历离散模型中的所有面时更新timult_f；由于全局计算网格中体单元信息中包含体上四个面在全局计算网格中的编号数组fimult_t，因此全局计算网格构建的具体流程中遍历完离散模型中的所有面，进行编号后，需要再次遍历离散模型中的所有体，更新fimult_t。
29.电磁有限元计算网格构建的具体流程为：
30.首先基于全局计算网格，遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中所有标记为电磁计算域模型的四面体，更新电磁有限元计算网格中的tetracnt_ems、tetramultid_ems、tetramaterial_ems、tetrafacebc_ems，更新全局计算网格中体单元信息中的idems_t，统计电磁有限元计算网格点的个数和点在全局计算网格中的编号、电磁有限元计算网格边的条数和边在全局计算网格中的编号、电磁有限元计算网格面的个数和面在全局计算网格中的编号。
31.然后基于电磁有限元计算网格点的个数和点在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的nodecnt_ems、nodemultid_ems、nodecord_ems、tetranodearray_ems，更新全局计算网格中点单元信息中的idems_n。
32.接着基于电磁有限元计算网格边的个数和边在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的edgecnt_ems、edgemultid_ems，更新全局计算网格中边单元信息中的idems_e。
33.最后基于电磁有限元计算网格面的个数和面在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的facecnt_ems、facemultid_ems，更新全局计算网格中面单元信息中的idems_f。
34.同理构建热有限元计算网格和力有限元计算网格，这里不再阐述。
35.步骤7、基于步骤6获得的全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格和力有限元计算网格构建场间变量。
36.场间变量包括节点位移变量数组nodedisp，其维数为nodecnt_mcs；体单元温度变量数组tetratemp，其维数为tetracnt_ts；面单元热源变量数组facetsource，其维数为facecnt_ems；体单元热源变量数组tetratsource，其维数为tetracnt_ems。
37.存在如下的场间变量关系：电-热协同的热源信息，热-力协同的温度信息，热-电协同的温度信息，力-电协同的形变信息；这些场间变量关系之间可任意组合，组合后即可形成各种复杂的多物理场协同仿真关系。
38.步骤8、根据多物理场协同仿真分析场的求解顺序和场间变量关系，调用对应场求解器依次求解并更新场间变量和计算网格。
39.步骤9、查看电子器件电磁特性的多物理场的求解结果，对比分析获得热、力对电磁特性性能的影响趋势，并进一步将分析结果应用于目标电子器件的设计。
40.进一步的，所述目标电子器件为星载电子通讯系统的腔体滤波器。
41.本发明首先对目标电子器件进行有限元建模，引入电磁边界条件及激励、热边界条件及激励、力边界条件及激励、材料等cae特征建立对应的多物理场协同仿真分析模型，并进行cae特征唯一标识生成非流形模型，采用四面体网格剖分非流形模型；然后通过非流形模型上标识的cae特征以及计算域标记构建全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格、场间变量，并建立全局计算网格和各有限元计算网格之间的映射关系；最后根据多物理场协同仿真分析场的求解顺序和场间变量关系，调用对应场求解器依次求解并更新场间变量和计算网格，获得电子器件电磁特性的多物理场的求解结果，从而提高多物理场协同仿真的精度，最终实现电子器件电磁特性的精确仿真分析，提升器件的性能。
42.综上所述，本发明通过构建多场之间的联合网格，使得场间变量附着的网格点、边、面、体都是唯一的，保证了多场计算域交界面网格的匹配，实现了电磁、热、力计算网格与全局计算网格的一一映射关系，从而避免场间变量必须通过近似、映射、插值等方式耦合到两个场，实现场间变量在两个场之间的无缝衔接，提高了多物理场协同仿真的精度。本发明可实现电子器件电磁特性的精确仿真分析，进而应用到具体器件的设计中，提升设计器件的性能。
附图说明
43.图1是本发明的流程图；
44.图2是实施例的模型图；
45.图3是实施例的四面体网格离散模型；
46.图4是实施例热、力影响因素考虑与否的电磁特性参数对比图。
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例来详细说明本发明的技术方案。
48.参照图1，一种基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法，包含以下步骤：
49.步骤1、将目标电子器件进行有限元建模，引入cae(计算机辅助工程)特征，包括电磁边界条件及激励、热边界条件及激励、力边界条件及激励和材料，建立对应的多物理场协同仿真分析模型。
50.本发明实施例以腔体滤波器的电磁传输分析为例，建立如图2所示的模型结构，里面的真空区域为电磁计算域，外面的金属为热、力计算域，本算例考虑100摄氏度外部环境温度对电磁性能的影响。对电磁计算域的两端矩形面设置波端口激励，对热力计算域的两端“回”形表面设置约束的位移边界条件，金属外侧设置为对流边界条件，金属材料设置为铜。
51.步骤2、对步骤1建立的多物理场协同仿真分析模型进行电磁计算域和热、力计算域标记，电磁计算域模型标记为p，热、力计算域模型标记为q。
52.模型的标记是模型处理一种公知的手段，标记后的模型被人为的分为两类计算域模型。
53.步骤3、基于步骤1建立的多物理场协同仿真分析模型，生成非流形模型，且在模型上进行cae特征唯一标识。
54.在步骤3中，采用acis的非正则布尔并函数生成非流形模型，接着通过acis属性操作函数在非流形模型上实现边界、激励、材料、计算域等各种cae特征信息的标记。这一过程中，会存在一个面上标识有多种边界和激励情况，导致cae特征非唯一。在本发明中根据边界条件和激励类型来确定面上单场属性唯一标识，具体规则如下：1、激励优先级高于边界；2、一类边界条件优先级高于二类边界条件；3、二类边界条件优先级高于三类边界条件。
55.本实施例，不存在一个面上标识有多种边界和激励情况，因此通过acis属性操作函数在非流形模型上实现波端口激励、位移边界条件、对流边界条件、金属材料、计算域等信息的标记。
56.步骤4、采用四面体网格剖分步骤3生成的非流形模型，获得以四面体网格组成的离散模型，该离散模型包含四面体网格几何信息、cae特征与网格点、边、面、体单元的映射信息。
57.采用四面体网格剖分非流形模型是有限元方法中的一种公知过程，一般可以索引到四面体单元属于哪个非流形模型的实体。剖分后的非流形模型被人为分割为多个三维四面体网格，从而将连续的几何结构空间转化为离散的网格空间，并根据非流形模型上cae特征的标识信息，可以构建网格点、边、面、体单元的cae特征信息。
58.步骤5、建立全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格的数据存储结构。
59.这一步骤是为了建立各个场的计算网格数据存储结构，因此这一过程需要建立全局计算网格和各个场计算网格数据的存储形式。
60.全局计算网格四面体的数据存储结构包括点、边、面、体的单元信息。
61.其中点单元信息包括，点在全局计算网格中的编号idmult_n，点在电磁有限元计算网格中的编号idems_n，点在热有限元计算网格中的编号idts_n，点在力有限元计算网格中的编号idmcs_n，点的三维空间坐标x_、y_、z_。
62.其中边单元信息包括，边在全局计算网格中的编号idmult_e，边在电磁有限元计算网格中的编号idems_e，边在热有限元计算网格中的编号idts_e，边在力有限元计算网格
中的编号idmcs_e；边的两个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_e，其维数为2。
63.其中面单元信息包括，面在全局计算网格中的编号idmult_f，面在电磁有限元计算网格中的编号idems_f，面在热有限元计算网格中的编号idts_f，面在力有限元计算网格中的编号idmcs_f；面上的电磁边界及激励类型bcems_f，面上的热边界及激励类型bcts_f，面上的力边界及激励类型bcmcs_f；面上三个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_f，其维数为3；面上三条边在全局计算网格中的编号数组eimult_f，其维数为3；面所属四面体在全局计算网格中的编号数组timult_f，其维数为2。
64.其中体单元信息包括，体在全局计算网格中的编号idmult_t，体在电磁有限元计算网格中的编号idems_t，体在热有限元计算网格中的编号idts_t，体在力有限元计算网格中的编号idmcs_t；体上四个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_t，其维数为4；体上六条边在全局计算网格中的编号数组eimult_t，其维数为6；体上四个面在全局计算网格中的编号数组fimult_t，其维数为4；体的计算域标记cmid_t，体的材料编号mtid_t，热源编号hsid_t。
65.电磁有限元计算网格的数据存储结构包括，电磁有限元计算网格点的个数nodecnt_ems，电磁有限元计算网格边的条数edgecnt_ems，电磁有限元计算网格面的个数facecnt_ems；电磁有限元计算网格点的坐标数组nodecord_ems，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的个数tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的四个顶点在电磁有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_ems，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的四个面的电磁边界及激励类型数组tetrafacebc_ems，其按照每个四面体四个面的电磁边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_ems，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_ems，其维数为nodecnt_ems；电磁有限元计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_ems，其维数为edgecnt_ems；电磁有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_ems，其维数为facecnt_ems；电磁有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_ems，其维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的温度数组tetratemp__ems，其维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格节点的位移数组tetradis__ems，其维数为3乘以nodecnt_ems。
66.热有限元计算网格的数据存储结构包括，热有限元计算网格点的个数nodecnt_ts，热有限元计算网格边的条数edgecnt_ts，热有限元计算网格面的个数facecnt_ts；热有限元计算网格点的坐标数组nodecord_ts，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_ts；热有限元计算网格四面体的个数tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的四个顶点在热有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_ts，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的四个面的热边界及激励类型数组tetrafacebc_ts，其按照每个四面体四个面的热边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_ts，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_ts，其维数为nodecnt_ts；热有限元
计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_ts，其维数为edgecnt_ts；热有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_ts，其维数为facecnt_ts；热有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_ts，其维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的热源编号数组tetrasource_ts，其按照每个四面体热源编号依次排列，维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格面单元的场间面热源数组facetempems__ts，其维数为facecnt_ts；热有限元计算网格节点的位移数组tetradis__ts，其维数为3乘以nodecnt_ts；热有限元计算网格体单元的场间体热源数组tetratempems__ts，其维数为3乘以tetracnt_ts。
67.力有限元计算网格的数据存储结构包括，力有限元计算网格点的个数nodecnt_mcs，力有限元计算网格边的条数edgecnt_mcs，力有限元计算网格面的个数facecnt_mcs；力有限元计算网格点的坐标数组nodecord_mcs，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_mcs；力有限元计算网格四面体的个数tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的四个顶点在力有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_mcs，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的四个面的力边界及激励类型数组tetrafacebc_mcs，其按照每个四面体四个面的力边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_mcs，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_mcs；力有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_mcs，其维数为nodecnt_mcs；力有限元计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_mcs，其维数为edgecnt_mcs；力有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_mcs，其维数为facecnt_mcs；力有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_mcs，其维数为tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的温度数组tetratemp_mcs，其维数为tetracnt_mcs。
68.步骤6、以步骤4生成的四面体网格组成的离散模型为基础，结合步骤5建立的数据存储结构，构建全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格，并建立全局计算网格和各有限元计算网格之间的映射关系。
69.全局计算网格构建的具体流程为：
70.首先遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有点，依次编号，并更新全局计算网格中点单元信息中的idmult_n，x_，y_，z_。
71.然后遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有边，依次编号，并更新全局计算网格中边单元信息中的idmult_e，nimult_e。
72.接着遍历d步骤生成的四面体网格组成的离散模型中的所有体，依次编号，并更新全局计算网格中体单元信息中的idmult_t，nimult_t，cmid_t，hsid_t，mtid_t。
73.再接着遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有面，依次编号，并更新全局计算网格中面单元信息中的idmult_f，nimult_f，eimult_f，timult_f，bcems_f，bcts_f，bcmcs_f。
74.最后遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有体，并更新全局计算网格中体单元信息中的eimult_t，fimult_t。
75.电磁有限元计算网格构建的具体流程为：
76.首先基于全局计算网格，遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中所有标记为电磁计算域模型的四面体，更新电磁有限元计算网格中的tetracnt_ems、tetramultid_ems、tetramaterial_ems、tetrafacebc_ems，更新全局计算网格中体单元信息中的idems_t，统计电磁有限元计算网格点的个数和点在全局计算网格中的编号、电磁有限元计算网格边的条数和边在全局计算网格中的编号、电磁有限元计算网格面的个数和面在全局计算网格中的编号。
77.然后基于电磁有限元计算网格点的个数和点在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的nodecnt_ems、nodemultid_ems、nodecord_ems、tetranodearray_ems，更新全局计算网格中点单元信息中的idems_n。
78.接着基于电磁有限元计算网格边的个数和边在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的edgecnt_ems、edgemultid_ems，更新全局计算网格中边单元信息中的idems_e。
79.最后基于电磁有限元计算网格面的个数和面在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的facecnt_ems、facemultid_ems，更新全局计算网格中面单元信息中的idems_f。
80.热有限元计算网格和力有限元计算网格构建方式类似，这里不再阐述。
81.步骤7、基于步骤6获得的全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格构建场间变量。
82.场间变量包括节点位移变量数组nodedisp、其维数为nodecnt_mcs，体单元温度变量数组tetratemp、其维数为tetracnt_ts，面单元热源变量数组facetsource、其维数为facecnt_ems，体单元热源变量数组tetratsource、其维数为tetracnt_ems。
83.存在如下的场间变量关系：电-热协同的热源信息，热-力协同的温度信息，热-电协同的温度信息，力-电协同的形变信息，它们之间可以任意组合，最终形成复杂的多物理场协同仿真关系。
84.本实施例中涉及热-力协同的温度信息，力-电协同的形变信息。力-电协同分析时，节点位移变量数组nodedisp是通过力有限元计算得到的，首先通过力有限元计算网格中的点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_mcs找到该节点在全局计算网格中的编号，然后通过全局计算网格点单元信息中的点在电磁有限元计算网格中的编号idems_n找到其对应的电磁有限元计算网格的节点，从而更新电磁有限元计算网格，进行电磁求解。热-力协同分析时，体单元温度变量数组tetratemp是通过热有限元计算得到的，首先通过热有限元计算网格体单元在全局计算网格中的编号数组tetramultid_ts找到该体单元在全局计算网格中的编号，然后通过全局计算网格体单元信息中的体在力有限元计算网格中的编号idmcs_t找到其对应的力有限元计算网格的体单元，从而更新力有限元计算网格，进行力分析求解
85.由于电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格是基于全局计算网格构建的，场间变量附着的网格点、边、面、体都是唯一的，可以通过全局编号映射到电磁、热、力、计算网格上，因此上述场间变量可以在两个场之间无缝衔接，从而避免任何插值和近似，提高多物理场协同仿真的精度。
86.步骤8、根据多物理场协同仿真分析场的求解顺序和场间变量关系，调用对应场求
解器依次求解并更新场间变量和计算网格。
87.本实施例的求解顺序为热、力、电磁，首先调用热分析求解器进行热计算，获得体单元温度变量数组tetratemp，更新力有限元计算网格，然后调用力分析求解器进行力计算，获得节点位移变量数组nodedisp，更新电磁有限元计算网格，最后调用电磁求解器进行电磁计算，获得腔体滤波器在热、力影响下的传输特性。
88.步骤9、查看电子器件电磁特性的多物理场的求解结果，对比分析获得热、力对电磁特性性能的影响趋势。
89.通过对比腔体滤波器普通电磁求解获得的传输特性和腔体滤波器在热、力影响下的传输特性，分析热、力影响下传输特向的变化效果，指导高性能腔体滤波器的设计。
90.图4展示了本实施例热、力影响因素考虑与否的电磁特性参数对比图，在热、力的影响下腔体滤波器的通带向下进行了偏移，符合实际物理特性，即高温膨胀导致通带频率向下偏移，结果表明本发明能够实现高精度的多物理场协同仿真，揭示热、力等因素对电磁特性的影响规律。
91.通过以上实施例可见，本发明通过构建多场之间的联合网格，使得场间变量附着的网格点、边、面、体都是唯一的，保证了多场计算域交界面网格的匹配，实现了电磁、热、力计算网格与全局计算网格的一一映射关系，从而避免场间变量必须通过近似、映射、插值等方式耦合到两个场，实现场间变量在两个场之间的无缝衔接，提高了多物理场协同仿真的精度。因此本发明可以实现电子器件电磁特性的精确仿真分析，从而应用到电子器件设计，提升电子器件的性能。

技术特征：
1.一种基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、将目标电子器件进行有限元建模，引入cae特征，包括电磁边界条件及激励、热边界条件及激励、力边界条件及激励和材料，建立对应的多物理场协同仿真分析模型；步骤2、对步骤1建立的多物理场协同仿真分析模型进行电磁计算域和热、力计算域标记，电磁计算域模型标记为p，热、力计算域模型标记为q；步骤3、基于步骤1建立的多物理场协同仿真分析模型，生成非流形模型，且在模型上进行cae特征唯一标识；根据边界条件和激励类型来确定面上单场属性唯一标识，具体规则如下：1、激励优先级高于边界；2、第一类边界条件优先级高于二类边界条件；3、第二类边界条件优先级高于第三类边界条件；步骤4、采用四面体网格剖分步骤3生成的非流形模型，获得以四面体网格组成的离散模型，该离散模型包含四面体网格几何信息、cae特征与网格点、边、面、体单元的映射信息；步骤5、建立全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格和力有限元计算网格的数据存储结构；步骤6、以步骤4生成的四面体网格组成的离散模型为基础，结合步骤5建立的数据存储结构，构建全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格，并建立全局计算网格和各有限元计算网格之间的映射关系；步骤7、基于步骤6获得的全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格和力有限元计算网格构建场间变量；场间变量包括节点位移变量数组nodedisp，其维数为nodecnt_mcs；体单元温度变量数组tetratemp，其维数为tetracnt_ts；面单元热源变量数组facetsource，其维数为facecnt_ems；体单元热源变量数组tetratsource，其维数为tetracnt_ems；存在如下的场间变量关系：电-热协同的热源信息，热-力协同的温度信息，热-电协同的温度信息，力-电协同的形变信息；将这些场间变量关系任意组合，以形成各种多物理场协同仿真关系；步骤8、根据多物理场协同仿真分析场的求解顺序和场间变量关系，调用对应场求解器依次求解并更新场间变量和计算网格；步骤9、查看电子器件电磁特性的多物理场的求解结果，对比分析获得热、力对电磁特性性能的影响趋势，并进一步将分析结果应用于目标电子器件的设计。2.如权利要求1所述基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法，其特征在于：所述目标电子器件为星载电子通讯系统的腔体滤波器。3.如权利要求1所述基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法，其特征在于，所述步骤5中：全局计算网格的数据存储结构包括点、边、面、体的单元信息；其中点单元信息包括：点在全局计算网格中的编号idmult_n，点在电磁有限元计算网格中的编号idems_n，点在热有限元计算网格中的编号idts_n，点在力有限元计算网格中的编号idmcs_n，点的三维空间坐标x_、y_、z_；其中边单元信息包括：边在全局计算网格中的编号idmult_e，边在电磁有限元计算网格中的编号idems_e，边在热有限元计算网格中的编号idts_e，边在力有限元计算网格中的
编号idmcs_e；边的两个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_e，其维数为2；其中面单元信息包括：面在全局计算网格中的编号idmult_f，面在电磁有限元计算网格中的编号idems_f，面在热有限元计算网格中的编号idts_f，面在力有限元计算网格中的编号idmcs_f；面上的电磁边界及激励类型bcems_f，面上的热边界及激励类型bcts_f，面上的力边界及激励类型bcmcs_f；面上三个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_f，其维数为3；面上三条边在全局计算网格中的编号数组eimult_f，其维数为3；面所属四面体在全局计算网格中的编号数组timult_f，其维数为2；其中体单元信息包括：体在全局计算网格中的编号idmult_t，体在电磁有限元计算网格中的编号idems_t，体在热有限元计算网格中的编号idts_t，体在力有限元计算网格中的编号idmcs_t；体上四个顶点在全局计算网格中的编号数组nimult_t，其维数为4；体上六条边在全局计算网格中的编号数组eimult_t，其维数为6；体上四个面在全局计算网格中的编号数组fimult_t，其维数为4；体的计算域标记cmid_t，体的材料编号mtid_t，热源编号hsid_t；电磁有限元计算网格的数据存储结构包括：电磁有限元计算网格点的个数nodecnt_ems，电磁有限元计算网格边的条数edgecnt_ems，电磁有限元计算网格面的个数facecnt_ems；电磁有限元计算网格点的坐标数组nodecord_ems，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的个数tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的四个顶点在电磁有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_ems，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的四个面的电磁边界及激励类型数组tetrafacebc_ems，其按照每个四面体四个面的电磁边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_ems，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_ems，其维数为nodecnt_ems；电磁有限元计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_ems，其维数为edgecnt_ems；电磁有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_ems，其维数为facecnt_ems；电磁有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_ems，其维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格四面体的温度数组tetratemp__ems，其维数为tetracnt_ems；电磁有限元计算网格节点的位移数组tetradis__ems，其维数为3乘以nodecnt_ems；热有限元计算网格的数据存储结构包括：热有限元计算网格点的个数nodecnt_ts，热有限元计算网格边的条数edgecnt_ts，热有限元计算网格面的个数facecnt_ts；热有限元计算网格点的坐标数组nodecord_ts，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_ts；热有限元计算网格四面体的个数tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的四个顶点在热有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_ts，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的四个面的热边界及激励类型数组tetrafacebc_ts，其按照每个四面体四个面的热边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_ts，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_ts，其维数为nodecnt_ts；热有限元
计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_ts，其维数为edgecnt_ts；热有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_ts，其维数为facecnt_ts；热有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_ts，其维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格四面体的热源编号数组tetrasource_ts，其按照每个四面体热源编号依次排列，维数为tetracnt_ts；热有限元计算网格面单元的场间面热源数组facetempems__ts，其维数为facecnt_ts；热有限元计算网格节点的位移数组tetradis__ts，其维数为3乘以nodecnt_ts；热有限元计算网格体单元的场间体热源数组tetratempems__ts，其维数为3乘以tetracnt_ts；力有限元计算网格的数据存储结构包括：力有限元计算网格点的个数nodecnt_mcs，力有限元计算网格边的条数edgecnt_mcs，力有限元计算网格面的个数facecnt_mcs；力有限元计算网格点的坐标数组nodecord_mcs，其按照每个点的空间坐标x_、y_、z_依次排列，维数为3乘以nodecnt_mcs；力有限元计算网格四面体的个数tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的四个顶点在力有限元计算网格中的编号数组tetranodearray_mcs，其按照每个四面体四个点的编号依次排列，维数为4乘以tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的四个面的力边界及激励类型数组tetrafacebc_mcs，其按照每个四面体四个面的力边界及激励类型依次排列，维数为4乘以tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的材料编号类型数组tetramaterial_mcs，其按照每个四面体材料编号依次排列，维数为tetracnt_mcs；力有限元计算网格点在全局计算网格中的编号数组nodemultid_mcs，其维数为nodecnt_mcs；力有限元计算网格边在全局计算网格中的编号数组edgemultid_mcs，其维数为edgecnt_mcs；力有限元计算网格面在全局计算网格中的编号数组facemultid_mcs，其维数为facecnt_mcs；力有限元计算网格四面体在全局计算网格中的编号数组tetramultid_mcs，其维数为tetracnt_mcs；力有限元计算网格四面体的温度数组tetratemp_mcs，其维数为tetracnt_mcs。4.如权利要求1所述基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法，其特征在于：所述步骤6中：全局计算网格构建的具体流程为：首先遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有点，依次编号，并更新全局计算网格中点单元信息中的idmult_n，x_，y_，z_；然后遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有边，依次编号，并更新全局计算网格中边单元信息中的idmult_e，nimult_e；接着遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有体，依次编号，并更新全局计算网格中体单元信息中的idmult_t，nimult_t，cmid_t，hsid_t，mtid_t；再接着遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有面，依次编号，并更新全局计算网格中面单元信息中的idmult_f，nimult_f，eimult_f，timult_f，bcems_f，bcts_f，bcmcs_f；最后遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中的所有体，并更新全局计算网格中体单元信息中的eimult_t，fimult_t；电磁有限元计算网格构建的具体流程为：首先基于全局计算网格，遍历步骤4生成的四面体网格组成的离散模型中所有标记为
电磁计算域模型的四面体，更新电磁有限元计算网格中的tetracnt_ems、tetramultid_ems、tetramaterial_ems、tetrafacebc_ems，更新全局计算网格中体单元信息中的idems_t，统计电磁有限元计算网格点的个数和点在全局计算网格中的编号、电磁有限元计算网格边的条数和边在全局计算网格中的编号、电磁有限元计算网格面的个数和面在全局计算网格中的编号；然后基于电磁有限元计算网格点的个数和点在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的nodecnt_ems、nodemultid_ems、nodecord_ems、tetranodearray_ems，更新全局计算网格中点单元信息中的idems_n；接着基于电磁有限元计算网格边的个数和边在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的edgecnt_ems、edgemultid_ems，更新全局计算网格中边单元信息中的idems_e；最后基于电磁有限元计算网格面的个数和面在全局计算网格中的编号以及全局计算网格更新电磁有限元计算网格中的facecnt_ems、facemultid_ems，更新全局计算网格中面单元信息中的idems_f；同理构建热有限元计算网格和力有限元计算网格。

技术总结
本发明属于电磁场数值求解领域，具体为一种基于联合网格的多物理场协同仿真分析方法。本发明首先对目标电子器件进行有限元建模，引入CAE特征建立对应的多物理场协同仿真分析模型，并进行CAE特征唯一标识生成非流形模型，采用四面体网格剖分非流形模型；然后通过非流形模型上标识的CAE特征以及计算域标记构建全局计算网格、电磁有限元计算网格、热有限元计算网格、力有限元计算网格、场间变量，并建立全局计算网格和各有限元计算网格之间的映射关系；最后根据多物理场协同仿真分析场的求解顺序和场间变量关系，调用对应场求解器依次求解并更新场间变量和计算网格，获得电子器件电磁特性的多物理场的求解结果。性的多物理场的求解结果。性的多物理场的求解结果。


技术研发人员：尹俊辉 徐立 王浩 杨再超 杨思怡 李斌
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/16