關於物理系統模擬的超全科普，抓緊來看

物理系統模擬可以在降低設計和運營成本方面產生重大影響，同時加快新產品的上市時間。物理系統模擬是一個難以捉摸的概念——但在您虛擬化產品設計過程的過程中，沒有辦法繞過它。那麼物理系統模擬是什麼？可以用來做什麼呢？

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為你科普一下吧。

物理系統模擬為系統級決策提供了正確的保真度

在模擬世界中，人們總是在模型中的細節和計算時間之間進行權衡。模型或多或少是對物理世界的詳細描述，需要模擬的細節越多，任務的計算成本就越高。計算昂貴的模型將需要很長時間來模擬，雖然在某些情況下這可能是必要的，但包含適量的細節以實現更快的模擬結果通常是一種更好的方法。更快的模擬結果意味著工程師可以更頻繁地更新設計（以及隨後的模型），然後在整個產品設計週期中更快地進行試驗和迭代。

一些模擬方法允許您捕獲高級別的細節，但計算量相對較高。它們通常用於 2D 或 3D 中的元件級模擬，並且通常僅限於一個或兩個物理域的互動。計算流體動力學和有限元分析是通常屬於此類的方法。計算流體動力學只關注流體流動，可能與化學或熱物理域的相互作用。但是，對於模擬系統，這些方法的計算成本過高。相反，對於系統模擬，重點主要放在 0D 或 1D 效果上。

對於系統模擬，並在系統級別上獲得有意義且及時的工程洞察力，問題就變成了：模型中應包含哪些細節或物理現象？

物理系統模擬專注於表示系統，因此犧牲了元件細節以換取更快的效能和捕獲完整系統的能力。這並不意味著系統模擬的準確性或預測性較差——所有範例都需要在引數化、校準和驗證方面進行盡職調查。相反，這意味著系統模擬專注於捕獲與系統級別相關的物理現象。

例如，在圖 1 中，液化空氣儲能系統模型包括與整個系統分析相關的正確詳細程度。該模型可以根據流體在每個元件中經歷的轉變，跟蹤每個迴圈元件改變流體的熱力學狀態。因此，可以在系統級別上做出決策。

圖 1：物理系統模擬使您能夠透過利用具有中等保真度的預測元件模型並分析它們的相互作用，在系統級別做出決策。

使用物理系統模擬的預測能力

物理系統模擬提供了準確描述物理的功能。

當工程師需要找到對她/他的物理系統的正確描述時，使用方便地表示“物理”的模擬正規化至關重要。由於物理系統建模的兩個關鍵功能，這種物理描述是可能的：

第一性原理方程

是支配我們物理世界的基本定律，例如質量、能量和動量守恆。這些定律也支配物理系統模型的行為。

經驗關係

描述了壓力損失、傳熱和摩擦等現象，這些現象無法在系統級別使用第一原理方便地建模。這些經驗關係由實驗研究和引數擬合實踐確定。

這兩者的結合使物理系統模擬具有預測能力，並且與純粹基於資料的物理系統模擬方法相比具有優勢。該基礎允許構建準確表示各種物理領域的模型，例如機械、流體、熱傳遞、電、化學和/或磁物理現象。從而捕捉領域的相互作用——多物理系統模型的建立。

一個好的物理系統模擬工具將帶來與模擬物理系統相關的特性，而不是任何系統。這些功能包括使用物理量、組量和模型的單位、重用第一原理以及方便地選擇相關經驗關係的能力。複雜性呈指數級增長，這些特徵對於模型的處理變得至關重要。相比之下，使用成熟的通用或科學指令碼語言來表示物理系統會迅速為模型的描述增加不必要的複雜性。複雜性不利於產品開發週期的速度和質量。設計工程師容易出現人為錯誤，

圖 2 中的模型顯示了物理系統模擬，該模擬側重於系統級飛機的預測物理現象，涵蓋與每個飛機子系統相關的各種物理域。每個子系統的行為由第一性原理方程和經驗關係控制。Modelon 庫內容提供了一組數值穩健、高效能且可重複使用的第一原理方程和經驗關係，並打包在文件化的元件模型中。不必自己描述物理場在基於模型的設計過程中會顯著增加時間和成本。

圖 2：該模型代表了飛機真正的多物理系統（從左到右）：機身（機械）、動力裝置（傳統上是機械-熱流體系統）和輔助系統（流體、電氣、 ETC。）。

面向

物理系統模擬的技術帶來了適當的保真度，可以對系統

做出有意義的工程決策，並使用有助於管理模型複雜性的

物理

語言。在系統的同一模型中，可以毫不費力地描述機械、流體、熱傳遞、電、化學和/或磁物理現象。

物理系統模擬與系統工程

物理系統模擬可以與

系統工程

進行對比。系統工程是一種正規化，主要關注不同的子系統和元件如何互動，而不必對每個元件或子系統的行為具有任何預測能力，因此關注成功互動的要求。

結論

雖然對於給定的模擬場景，沒有關於使用任何模擬正規化的嚴格準則，並且存在許多極端情況；每個範例都延伸到一個權衡複雜性和工程師任務的範圍。對模型中給定的細節數量沒有固有的偏好，而是希望為每個任務選擇正確的建模範式和模型複雜性。

物理系統模擬對於在設計過程的早期做出設計決策至關重要，以支援架構和最佳化；稍後驗證驗證任務。物理系統模擬也是資產運營改進和開發數字孿生的絕佳候選者。請留意更多物理系統模擬內容，包括何時使用物理系統模擬、它適合您的設計流程的位置等。

現在的專業軟體都是越做越大，功能成倍成倍地增加，而處理的物件也是越來越複雜，特別是使用一些模擬軟體在高精度下建模模擬的時候，因為PC上硬體的發展速度慢於軟體功能複雜化的速度，就造成了我們的模擬看起來是越跑越慢了。

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