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基於物理場的模擬和模擬平臺

電氣、力學、流體流動和化工等應用的模擬工具

COMSOL Multiphysics® 是一個基於高級數值方法的、用於建模和模擬物理場問題的通用軟體平臺。借助 COMSOL Multiphysics,您將能夠解釋耦合現象或多物理場現象。軟體包含超過 30 個附加模組供您選擇,並可以通過電氣、力學、流體流動和化學等領域的專用物理介面和工具,來進一步擴展該模擬平臺。附加的介面模組可以將 COMSOL Multiphysics 模擬與技術計算、CAD 和 ECAD 等軟體相連接。

用於跨學科產品開發的 COMSOL Desktop®

COMSOL Desktop® 是一個功能強大的整合環境,旨在通過統一的建模流程支持任何領域的跨學科產品開發。附加模組可與 COMSOL Multiphysics 無縫耦合,無論您在使用哪些附加產品,軟體的操作方式均保持一致。您可以在模型開發器的模型樹中縱覽整個模型,並能存取所有功能 —— 幾何、網格、物理場設置、邊界條件、研究、求解器、後處理和可視化。借助 COMSOL Multiphysics,您可將傳統的單場模型輕鬆擴展為能同時求解耦合物理現象的多物理場模型。更重要的是,掌握這些功能並不需要高深的數學或數值分析知識。

COMSOL ®將模擬的力量交到了您的手中

COMSOL Multiphysics ® FEA軟體擁有極大的靈活性、直觀且易於使用的COMSOL Desktop ®界面,使您幾乎可以模擬您希望模擬的所有事物。

例如,您可以在COMSOL Multiphysics ®中任意加入自己的方程,描述材料屬性、邊界、源或沉項,甚至一組獨特的偏微分方程組(PDEs) 。然後,您將可以根據輸入的方程創建新的物理場介面。當通過App開發器創建App時,您可以基於模型設計您自己的用戶界面。用戶界面可以是模型的簡化版,或僅包含您希望App用戶存取的輸入和輸出編輯框。COMSOL Multiphysics ®中還包含了COMSOL ® API for use with Java ®,使您能夠更加靈活地連接COMSOL Multiphysics ®模型與其他應用。
COMSOL Desktop®:扳手的力學仿真,計算有效應力和變形。
COMSOL Desktop®:微型混合器的流體流動和化學物質傳遞仿真,圖中顯示了流體速度場和物質濃度分佈。
COMSOL Desktop®:心臟起搏器電極的電氣仿真,包括計算得到的電壓和電流分佈。
 COMSOL Desktop 是一個功能強大的整合用戶介面環境,旨在通過統一的建模流程支持電氣、力學、流體和化工等應用的跨學科產品開發。
 
建模與模擬用戶介面

基於物理場和方程的模擬介面

COMSOL Multiphysics 為您提供了大量的物理場模擬功能,包括多物理場功能。通過添加針對特定應用的模組,您將能通過電氣、機械、流體流動和化工等應用領域的專業工具來增強模擬能力。COMSOL Multiphysics 包含一系列的核心物理場介面,可用于常見的應用領域,例如結構分析、層流、聲壓、稀釋物種傳遞、靜電、電流、傳熱和焦耳熱等。它們是附加模組中一系列精選物理場介面的簡化版本。

對於任意數學或物理模擬,如果沒有預定義的物理場選項可用,則可通過定義方程來根據第一原理進行模擬。通過軟體自帶的偏微分方程(PDE)模板,用戶可以輕鬆模擬二階線性或非線性方程組。通過將若干方程疊加在一起,您還可以求解高階微分方程。這些基於方程的工具還可以進一步與 COMSOL Multiphysics 預置的物理場或任意附加模組組合,支持進行全耦合和定制化分析。這可以顯著減少為自定義方程、材料屬性、邊界條件或源項而編寫用戶子例程的需求。此外,還提供了一組經典 PDE 模板:Laplace 方程、Poisson 方程、波動方程、Helmholtz 方程、熱方程和對流-擴散方程。

 

座標系統

用戶可以定義任意多個局部座標系統。軟體內置了常用座標系統,例如圓柱形、球形和基於歐拉角的座標系統,並提供了自動創建座標系統的方法,便於用戶定義跟隨曲線幾何形狀的各向異性材料屬性。這種 COMSOL Multiphysics 內置的曲線坐標工具可以應用於任意類型的物理場,例如傳熱中的各向異性熱導率、結構力學的正交各向異性材料,以及電磁學中的各向異性介質。

模型耦合

COMSOL Desktop® 使您可以同時在三維、二維、一維和零維下建模。所謂的模型耦合可以跨空間維度映射任意物理量。例如,二維解可以映射到三維表面或拉伸到整個三維體上。該功能簡化了跨維度模擬的設置。此外,還可以將代數方程組、常微分方程(ODE)組或微分代數方程(DAE)組(稱為零維模型)與隨空間變化的一維、二維和三維模型進行組合。

偏微分方程:基於方程的心臟電信號模型,求解瞬態非線性偏微分方程組。

偏微分方程:基於方程的心臟電信號模型,求解暫態非線性偏微分方程組。

利用ALE 移動網格

COMSOL Multiphysics具有基於任意拉格朗日歐拉法(ALE)的高級移動網格功能,您可以根據移動參考框架來定義物理場。您可以根據具體的物理場來選擇材料框架或空間框架。一些附加模組中也包含了這一技巧,可將移動網格與其它物理場耦合:流固耦合(結構力學模組和MEMS模組)、腐蝕表面(腐蝕模組)、電鍍(電鍍模組)、機電(MEMS模組)和兩相流(微流體模組)。當內置選項不可用時,COMSOL Multiphysics的ALE功能也使用戶能夠執行自定義模擬。

網格剖分和有限元素類型

COMSOL Multiphysics 中 提供了自動和半自動網格剖分工具,包括自由四面體網格剖分和掃掠網格剖分。對於在固體中定義的物理場,預設算法是自由四面體網格;對於流體,預設算法是結 合四面體網格和邊界層網格。
您還可以通過定義所謂的網格序列,來完全控制用於創建網格的操作序列。網格序列允許混合使用四面體、棱柱體或六面體單元,並可 以進行參數化驅動。此外,在導入基於NASTRAN 格式的網格時,還支持棱錐單元。NASTRAN 格式的網格導入到軟體之後可以通過基於坐標的附加操作,繼續在域、邊界和邊層級上進行分割。

COMSOL 獨特的多物理場 方法將有限元素的幾何形狀(三維下的四面體、棱柱體、六面體、棱錐)與“有 限元形函數”分離。這可以提供最大程度的靈活性,並且每個幾何形狀都支持一階、二階、三階,有時甚至支持更高階的形狀函數,它們分別對應於傳統的一次、二 次和三次有限元素。多類物理場中採用了Lagrange 有限元素,也稱基於等參節點的有限元素,包括傳熱、結構力學、靜電場等。對於CFD,還使用了一些專業的單元類型和數值穩定方法。對於向量電磁場,使用了曲邊和更高階旋度單元,也稱邊或向量單元。
網格剖分:COMSOL Multiphysics 的網格剖分方法包括自由四面體網格、掃掠網格和邊界層網格。 圖片中顯示了使用高階單元的流動仿真網格。

網格剖分:COMSOL Multiphysics 的網格剖分方法包括自由四面體網格、掃掠網格和邊界層網格。 圖片中顯示了使用高階單元的流動仿真網格。
網格剖分:COMSOL Multiphysics 的網格剖分方法包括自由四面體網格、掃掠網格和邊界層網格。圖片中顯示了使用高階單元的流動模擬網格。
幾何建模

COMSOL Multiphysics通過其原生的幾何內核提供了一維、二維和三維幾何建模工具。

包括大量的基本對象,以及將二維幾何對象拉伸成三維的功能。此外,二維對像還可以沿參數化曲線旋轉或掃掠。

並集、差集和交集等布林運算用於構造包含實體、表面、曲線和點等多元素組合的複雜結構。

自由形式模擬功能包括參數化表面、參數化曲線和插值曲線。所有幾何操作都包含在模型樹中的參數化操作序列中。

CAD導入模組和CAD的LiveLink™產品提供了更高級的CAD功能,通過加入Parasolid ®幾何內核提升了軟體的幾何建模能力,並提供了一系列的CAD導入/導出格式,以及與高級CAD系統的CAD交互操作功能。關於幾何建模功能和導入/導出的格式列表,請參見CAD規格頁面。

幾何建模:COMSOL Multiphysics 內置了幾何建模引擎,支持一維、二維和三維環境下的參數化模型。 通過CAD 導入模塊和CAD 的LiveLink 產品,可以獲得高級的幾何建模功能。
幾何建模:COMSOL Multiphysics 內置了幾何建模引擎,支持一維、二維和三維環境下的參數化模型。通過CAD 導入模組和CAD 的LiveLink 產品,可以獲得高級的幾何建模功能。
最先進的數值方法

COMSOL Multiphysics 利用最先進的數值分析方法來聯立和求解模型。附加模組中使用了幾種不同的數值方法,包括有限元素法分析、有限體積法、邊界元素法和粒子追踪方法等,但COMSOL Multiphysics 的重點仍然是有限元素方法。軟體提供了多類有限元素,並且會在求解時自動生成全耦合的單元。這種動態生成有限元素的專利方法正是支持組合任意多物理場的原因所在,這也是COMSOL Multiphysics 的特有功能。

本 物理場軟體使用一系列數值求解器來運行分析,並結合 了自適應網格剖分(如選中)和誤差控制機制,這些求解器包括直接和迭代稀疏矩陣求解器、代數和幾何多重網格法,以及一系列預處理器。軟體會根據物理場耦合 自動配置預設求解器。用戶可以查看求解器設置,也可以手動配置低級別的設定。當多核計算可用時,所有類型的COMSOL授權碼中的求解器和其他計算密集型算法均支持多核計算。網絡浮動授權碼選項支持叢集和雲端計算。一系列的求解器可被組織在一個更高級別的'研究'節點中;一個'研究'節點中可以包含一個求解器序列,可進行穩態、特徵頻率、頻域和暫態分析等。針對具體應用的模組具有額外的求解器選項,例如用於預應力或小訊號分析以及頻域和時域組合分析等的求解器。COMSOL Multiphysics中提供敏感度分析功能,附加的最佳化模組 提供了一套最佳化求解器。


參數化和關聯模型

COMSOL 通 過操作序列來記錄創建幾何、網格剖分、研究與求解器 設置、可視化和結果呈現等所有步驟。因此,只需更改模型樹中的某個節點並重新運行操作序列,就可以輕鬆對模型的任意部分進行參數化。程序會記住並重新在模 型中應用所有其他信息和數據。此外,幾何結構和模型設置之間是完全關聯的,即當幾何結構發生更改時,整個模型都會自動隨之更新。如果您習慣命令驅動式環 境,也可以在批處理模式下運行COMSOL Multiphysics。

參數化模型:利用參數之間的代數關係對模型進行參數化。參數可以表示幾何尺寸和物理屬性。

參數化模型:利用參數之間的代數關係對模型進行參數化。 參數可以表示幾何尺寸和物理屬性。

 參數化模型:利用參數之間的代數關係對模型進行參數化。 參數可以表示幾何尺寸和物理屬性。

變量、表達式和表單

COMSOL Multiphysics 內置了數學表達式解釋器。可以將表達式指定為變量,之後可在材料屬性、邊界條件或源項中使用。這意味著,大多數情況下當您需要定製表達式時,您都無需編寫程式碼來修改軟體。坐標變量x、y 和z 可用於定義隨空間變化的量,例如,分佈式負載。與之類似,軟體保留小寫字母t 來表示時間,可在表達式中構造暫態模型的時變脈衝。

軟體提供了平滑、線性化、微分等多種算子。除了 ​​一組內置函數模板之外,例如Gaussian和矩形脈衝,您還可以直接在COMSOL Desktop ®中 定義或從檔案中讀取表單函數。非均質材料屬 性可以通過將材料屬性設置為空間坐標的函數,並在體積表單中獲取。除數值表外,您還可以使用通用檔案格式的圖片數據作為內插函數的基礎。例如,可以使用 這種方法將圖像像素值映射到材料屬性值。您也可以在包含這兩項的複合表達式中結合數學表達式與函數調用。您可以導入數字高程圖(DEM)數據並結合參數化表面使用,來表示地形幾何結構。

變量和表達式:COMSOL Desktop® 允許您定義和使用含未知場分量及其導數、空間坐標或時間的表達式來定義和使用變量。

變量和表達式:COMSOL Desktop ®允許您定義和使用含未知場分量及其導數、空間坐標或時間的表達式來定義和使用變量。


App 開發器

App開發器支持您在COMSOL Multiphysics模型的基礎上快速創建專業化和易於使用的模擬App應用程序,以供您的同事和客戶使用。App開發器的桌面環境中提供了用於創建App的兩項重要工具:表單編輯器和方法編輯器。表單編輯器提供了便於用戶存取的拖放功能,並包含例如輸入框、圖形窗口和按鈕等的用戶界面組件。方法編輯器是一個編程環境,支持您修改代表COMSOL Multiphysics模型的數據結構。在編輯器中,您可以編寫Java ®程式碼來擴展和增強模擬App的用戶體驗。

在COMSOL Multiphysics ®的Windows ®版中,您可以使用模擬平台及附加產品中的所有特徵與功能來創建App。App可通過用於創建原始App的附加 產品的COMSOL Multiphysics授權碼或COMSOL Server™授權碼運行。

App可以在Windows ®、Mac OS X和Linux ®環境的COMSOL Desktop ®中運行。另外,它們也可以通過COMSOL Server™授權碼在Windows ®、Mac OS X、iOS ®、Linux ®

API 和物理場開發器

COMSOL Desktop環境和App開發器使您可以輕鬆地定制您的模型和App,此外,軟體還提供了多種應用編程介面(API),以便進行更加高級的定制。COMSOL Multiphysics預置COMSOL ® API for use with Java ®,提供了通過編譯對象程式碼來管理和驅動軟體的程序化方法。LiveLink™ for MATLAB ®可以將COMSOL Multiphysics ®與MATLAB ®技術計算語言聯合使用。COMSOL ® APIfor use with Java ®和LiveLink™ for MATLAB ®很容易上手,因為您可以將在COMSOL Desktop ®設置的模型分別保存為Java ®或MATLAB ®檔案格式。

COMSOL Multiphysics 中還包括了物理場開發器,使您可以通過COMSOL 軟體中基於方程的模擬功能來自行開發物理場介面。通過在COMSOL Desktop 中開發和預置的物理場介面具有相同的外觀和體驗的介面,您可以拓展物理場模擬功能。要實現這一點,您可以直接在COMSOL Desktop 中的物理場開發器樹中定義新的用戶介面組件,無需任何編程操作。

 
導出結果和生成報告

結果可以導出為.txt、.dat和.csv格式的文本檔案。通過LiveLink™ for Excel ®,結果可以導出為Microsoft ® Excel ® .xlsx格式。圖像可以導出為幾種常用的圖像格式,而動畫可以導出為動畫GIF、Adobe® Flash或AVI。

整個模擬項目的總結報告可以導出為HTML(.htm、.html)或Microsoft® Word® (.doc) 格式。軟體提供了三種預設的報告選項:簡報、中級或完整。不過,您也可以針對模型樹的不同部分生成定制報告。

生成報告:模擬總結報告可以輸出為HTML 或Word® 格式。

結果可視化和後處理

可 視化功能包括表面、切片、等值面、截面、箭頭、流線 圖、及其他繪圖類型。數據可視化並不僅限於內置的物理量,也可以通過輸入未知場變量的數學表達式來擴展到復合物理量。因此,您可以查看模擬結果中您感興趣 的任意相關量。可以使用後處理工具來進行計算和積分。您可以在整體、表面、曲線和點上計算任意量或複合量的最大值、最小值、平均值和積分值。

可視化:內置的可視化工具包括表面、切片、等值面、截面、箭頭、流線圖,以及圖形。圖片通過表面顏色圖(上部)和傳播損耗-頻率曲線(下部)顯示了汽車消聲器中的聲壓級。

生成報告:仿真總結報告可以輸出為HTML 或Word® 格式。

結果可視化和後處理

可 視化功能包括表面、切片、等值面、截面、箭頭、流線圖、及其他繪圖類型。數據 可視化並不僅限於內置的物理量,也可以通過輸入未知場變量的數學表達式來擴展到復合物理量。因此,您可以查看模擬結果中您感興趣的任意相關量。可以使用後 處理工具來進行計算和積分。您可以在整體、表面、曲線和點上計算任意量或複合量的最大值、最小值、平均值和積分值。

生成報告:仿真總結報告可以輸出為HTML 或Word® 格式。

 

可視化:內置的可視化工具包括表面、切片、等值面、截面、箭頭、流線圖,以及圖形。圖片通過表面顏色圖(上部)和傳播損耗-頻率曲線(下部)顯示了汽車消聲器中的聲壓級。

可視化:內置的可視化工具包括表面、切片、等值面、截面、箭頭、流線圖,以及圖形。 圖片通過表面顏色圖(上部)和傳播損耗-頻率曲線(下部)顯示了汽車消聲器中的聲壓級。