电流变液的研究和应用及其与CAE的结合
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背景链接：中仿科技公司(CnTech)拥有一支充满活力、不断进取、富于创新的优秀团队，近几年业务增长迅速.由CnTech和COMSOL公司共同举办的“COMSOL 2010中国区用户年会”分别于2010年10月26日和10月28日在上海交通大学和清华科技园举办，将近500位从事仿真技术的同行出会.年会上介绍最近的COMSOL Multiphysics V 4.1以及应用COMSOL Multiphysics软件进行多物理场耦合分析的案例，还邀请COMSOL资深专家与COMSOL Multiphysics用户分享软件的使用经验.《计算机辅助工程》（简称《计辅》）作为支持媒体参加了年会，并向参会人员赠阅杂志.在上海交通大学浩然大厦会场上，《计辅》与原复旦大学副校长周鲁卫教授交流了电流变液的研究、应用以及cae仿真所发挥的作用等情况.
《计辅》：周教授，您好，请您介绍一下电流变液的概念？ぶ苈澄溃旱缌鞅湟菏粲谌砦镏.软物质是指处于固体与理想流体之间的复杂流体，其基本特性是对外界微小作用非常敏感，并呈现非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性.
凝聚态物质有水、塑料、钢铁等，软物质有胶体（如油漆、牛奶、泡沫等）、悬浮液、微乳液、乳液、高分子、液晶等，它们一般由大分子或基团（固、液、气）组成，在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在.
我所在的复旦大学软物质物理实验室主要研究电流变液机理.电流变液在施加电场时，当电场超过临界电场 ，其黏度会突然增大，表现出类似固体的特征；当去掉外加电场时，它又由固态恢复到液态.与之相类似的还有磁流变液、电磁流变液等.
《计辅》：人们为何称电流变液是种智能材料？其应用情况如何？ぶ苈澄溃喝嗣强梢酝ü控制电场来控制电流变液的固液转换，而且可以通过控制电流强度来控制其黏度等特性，所以电流变液又被称为智能材料.
目前电流变液没有磁流变液的应用情况好，原因是电流变液元器件外层往往包裹一些材料，这些材料被磨损下来后，容易在两个电极之间产生短路，导致无法施加电场，而磁流变液不存在此问题.但是，电流变液也有明显的优点：（1）电流变液设备较轻，原因是磁流变液需要磁场控制，而产生磁场需要线圈等附加材料.（2）响应速度快，对电的控制实时性比对磁场控制好，加电后很短的时间电流变液就会改变形态.（3）电流变液设备比较节能.
电流变液是种应用范围很广的材料，例如可用在车辆的减震、刹车、启动、变速等方面，还在直升机机翼振动控制，没有活动部件的电流变阀门，以及建筑、桥梁抗风、抗震等方面有相当大的应用前景.某些救护车中，为避免病人二次受伤，也可采用电流变液制造相应的设备保持车辆的抗震性；传统减震器只能针对某种路况使用，但利用电流变液减震器可以通过对电场的控制来调节其性能，适用于多种路况，可以根据路况实时地调节减震性能.
《计辅》：软物质研究方面有哪些难点？我国与发达国家的研究差距在哪里？ぶ苈澄溃耗壳澳训阒饕集中于两方面：（1）电流变液黏度随电场变化的机理.目前的材料加了很大的电场却得不到足够的黏度，需要从变化机理上发现规律.（2）耐久性.目前电流变液材料的持久性较差，寿命较短.这两点是制约电流变液材料广泛应用的短板.
相对于国外电流变液的研究，我国的电流变液材料研究走到了世界前列，但是我们往往难以在工程的大规模应用上做出创新性工作，在这方面反倒落到别人后面；其次即便做出了创新性工作，或者赶上了国外先进水平，也往往难以保持.这其中的原因是比较复杂的，但是归结起来：第一，基础教育不够深入，学生的数学物理基础不扎实，在遇到原理性的分析时，不能高屋建瓴；第二，科研与工程脱节，研究都进行在理想状况下，与真实环境相差较多.我们将COMSOL Multiphysics引入研究工作，也就是为了强化在电流变液机理研究上的分析能力.
《计辅》：在软物质研究领域，CAE技术发挥了什么样的积极作用？这种作用会扩大吗？ぶ苈澄溃豪砺邸⒎抡婧褪笛槭侨砦镏恃芯苛煊虻3个重要手段.以前的科研工作者重点放在实验方面，认为实验的结果是最可信的.我们研究组以前的除了理论之外，大部分精力都放在了实验上面.但我们逐渐认识到在软物质研究中，工况复杂，实验难度大，只能针对某些特定的参数去做，大批量的、针对诸多工况做实验，不论从精力、时间还是经费方面而言，那是不可能的.所以我们引入了CAE软件――主要是COMSOL Multiphysics来对多种工况进行高效仿真，从而有针对性地指导实验的开展.如，极化分子电流变液斑图与剪切应力关系的初始研究中，我们面临诸多未知参数，如果不通过仿真，无从开展实验研究.这时，我们通过软件计算，确定最可能的参数范围，并对结构作出优化，然后按照仿真结果进行实验，就取得了比较好的成果.也就是说，CAE发挥了指导、验证、补充等方面的作用，CAE架起了理论与实验之间的桥梁，科研人员在理论基础上进行仿真，通过仿真结果指导实验，再通过实验结果验证理论的正确性.在最近几年SCI检索期刊的文章来看，越是高水平的文章越是能较多地融合理论、仿真和实验，因为仅有实验结果往往不能证明理论的正确性，脱离仿真的实验往往具有偶然性、不具有典型性.
目前的科研领域中，CAE仍是种辅助手段，但它的作用会不断加大.我们的研究正向深度发展，并注重开展交叉学科的研究.研究的物理现象越来越复杂，仿真也应该向多场耦合的方向发展，以适应科学研究领域的变化.
《计辅》：目前CAE领域有很多软件，不乏面向行业的专业软件，您为何选择COMSOL Multiphysics这款通用型软件作为科研工具？它有哪些优点？ぶ苈澄溃COMSOL Multiphysics是款通用型软件，适用于大部分的理工科科研工作.我们主要看重它的这几个特点：
(1)以偏微分方程为基础，具有非常明确的计算控制方程，甚至可以修改这些方程.越顶尖的研究者越会看中这点，因为他们往往在研究中采用自己推导的方程.
(2)多物理场耦合功能强大，对于软物质仿真而言，往往涉及到多个物理场，例如电磁场、流场和浓度场等.各个物理场之间存在很复杂的相互作用，控制方程包含各种耦合项，是典型的强耦合问题.COMSOL Multiphysics可以很方便地定义各类耦合关系，从而真实地仿真出软物质体系的非平衡态行为.
(3)易学易用，参数修改方便，并且在仿真的中间步骤中就能随时看到计算结果，从而使得仿真及时得到修正.另外，COMSOL Multiphysics与MATLAB有实时接口，我们可以进行二次开发，进行更为深入的研究分析.
几年前我们开始接触这款非常先进的软件时，仅仅是一个硕士研究生来做某个课题的仿真工作，但现在我们已经要求课题组所有的硕士、博士研究生都学会使用COMSOL Multiphysics软件.COMSOL 2010中国区用户（上海）年会现场周鲁卫教授接受《计辅》采访