如何使用 COMSOL Multiphysics® 中的材料库

COMSOL Multiphysics® 软件及其大多数附加模块均有内置的材料库，这些材料库包含材料及相关材料属性数据。COMSOL® 软件中还有一个附加产品——材料库，它包含多达 24 种独立的材料属性，可以模拟 10,328 多种材料，有 84,000 多个材料属性数据集。今天，我们来了解一下 COMSOL 的内置材料库和附加的材料库，以及如何在模拟中使用它们。

编者注：为了反映 COMSOL Multiphysics® 软件 6.0 版本的新功能，本博文已于 2022 年 4 月 1 日更新。

附加材料库

附加材料库中包含的材料属性非常全面，并且都附加了参考信息(即数据来源)。几乎所有的材料属性都可以定义为温度 T 的函数，我们可以将传热仿真中的温度场仿真结果作为此函数的输入值。

材料库的材料涵盖范围广泛：

• 基本材料
• 合金类
  • 铁
  • 镍
  • 铝
  • 铜
  • 镁
  • 钛
  • 磁性
  • 钴
  • 热电偶
  • 更多金属
• 工具钢
• 铸铁
• 聚酰胺
• 聚合物和聚合物复合材料
• 矿物，岩石和固体
• 木材
• 热塑性塑料，聚醚和聚酯
• 热绝缘体
• 半导体和光学材料
• 焊料
• 牙齿材料
• 食品类
• 盐类
• 燃料电池，电池和电陶瓷材料
• 硅化物、硼化物和氮化物
• 玻璃和金属玻璃
• 模具材料
• 更多材料

COMSOL^® 软件的物理场接口广泛使用了这些材料，材料属性包括：

• 导热系数
• 热膨胀系数
• 恒压热容
• 电导率
• 密度
• 杨氏模量
• 泊松比
• 屈服应力和硬化曲线
• 动态黏度

注意：特定材料的材料属性取决于材料的类型。

材料的变化

材料库中的大多数材料还包含了不同的取向或其他变量信息，这些信息可以表述同一种材料在不同工况或者不同变化时的材料属性。

下图所示的 COMSOL Desktop^®材料浏览器 窗口，显示了材料库中铜合金 UNS C10200 的材料属性，在退火和 60% 冷拔时，可以在不同的残余电阻率下获得该材料的属性数据：

材料库中的 UNS C10200 铜合金材料。材料属性的值可用于多种变体。我们可以使用 Deutsches Institut für Normung (DIN) 或 unified numbering system (UNS) 编号在方向/变异列表下搜索该材料。

材料属性的参考信息

材料库中的所有材料属性均具有参考信息。在属性 列表中选择一个属性，可以查看材料属性的参考信息。列表下方的属性 参考区域显示了其参考信息(见上图)。

参考信息通常包括一些期刊或论文，有时为电子文献的网址链接，也可能包含材料相关特性值的准确性、参考温度或压力的注释。

附加模块及内置材料库

除了附加材料库之外，COMSOL Multiphysics 及其附加模块中还提供了以下内置材料库：

我们还可以自定义用户材料库。通过右键单击材料 节点，然后选择添加到用户定义的库 或任何其他用户定义的材料库。用户定义的材料库还可以包括完整的分层材料铺层。

如何在模拟中使用材料

本节，我们将介绍如何浏览材料库，将材料添加到模型中以及如何在模拟中使用材料属性。

浏览材料库

COMSOL 桌面环境中有两个窗口可以浏览材料并将材料添加到仿真模型中：

1. 在材料浏览器 窗口中，除了搜索和浏览材料并将其添加到模型外，还包含有关材料及其材料特性的完整信息。在此窗口中，我们还可以创建新的用户自定义的材料库，或从 MPH 文件或 XML 文件导入材料库。通过右键单击材料 节点并选择浏览材料，或单击材料 工具栏上的浏览材料 按钮，可以打开此窗口。材料浏览器 窗口的屏幕截图见上图。
2. 在添加材料 窗口中，我们可以快速搜索和浏览材料，并将它们作为整体材料或模型组件之一添加到模型中。通过右键单击材料 节点并选择从库添加材料，或单击材料 工具栏上的添加材料 按钮，可以打开此窗口。如下图所示：

添加材料窗口，我们可以从中快速选择材料并将其添加到模型中。最近添加的材料位于顶部。

搜索材料

在材料浏览器窗口和添加材料窗口中，均可以使用窗口顶部的搜索字段按名称搜索任何材料。例如，查找所有金或金合金材料，我们可以将金作为搜索词。

对于材料库产品中的材料，我们还可以使用其 DIN 或 UNS 号搜索材料，这些材料可用于多种材料，例如工具钢和合金。

绘制材料属性图

附加材料库中的材料属性通常取决于温度，其中大多数被描述为温度的分段多项式函数。其他库还包括一些与温度有关的材料属性，以及一些与其他量（例如绝对压力）有关的属性。但是，大多数材料属性都用单个值表示。对于非恒定的材料属性，常使用分段子节点来描述变化。

在分段 节点的设置 窗口中，我们可以看到每个段使用的多项式，还可以单击绘图 按钮来创建一个函数图，该函数 图描述了材料属性与温度之间的函数关系；例如，在独立的绘图窗口中，单击创建绘图 按钮在结果 下创建一个独立的一维图组，该图显示了与温度相关的材料特性值。

分段函数，将导热系数 k 描述为铁的温度 T 函数。功能图显示了温度在 0~1810 K 范围内导热率的变化。

使用材料库中的材料

默认情况下，物理接口中的大多数物理量值都是从材料中获取的。当使用来自材料 接口时，材料的物性值是从几何中处于激活状态的材料中获取的。

下图显示了固体传热 接口中固体 节点的设置 窗口。它包含在固体材料中通过热传导进行传热所需的材料属性：

• 导热系数
• 密度
• 恒压热容

这些材料的属性值都被设置为来自材料，以从为相同的几何部分定义的活动材料中选取值，作为固体 节点的选择。如果材料特性取决于温度，则直接从温度场获取，温度场是传热物理学中的因变量。

固体传热所需的所有物理量均来自材料库。

如果建立的 COMSOL Multiphysics 模型不包含以温度场作为因变量的传热接口，我们可以使用模型输入 下温度 节点输入数据。下图显示了电流 接口中电流保护 功能的设置 窗口。我们可以选择在用户定义 节点中输入温度值或表达式，或在通用模型输入 节点中，从模型输入中获取温度值，也可以在全局定义 下的默认模型输入 节点或模型组件中的本地模型输入 节点中输入自定义温度。

对于电流接口中与温度相关的材料属性，当传热接口中没有温度场时，可以选择使用用户定义的温度或从模型输入节点中获取的温度。

下图为默认模型输入 节点的设置 窗口。它包含物理场和材料要求的模型输入，以及用于模型输入的表达式。此时，将模型输入的温度设置为室内恒定温度(20°C)。

默认模型输入设置显示了哪些特征需要模型输入以及用于模型输入的表达式(此处温度由电流守恒特征以及铁材料属性表达)。

结语

本篇博客，我们介绍了如何使用 COMSOL Multiphysics 的附加材料库和内置材料库。附加产品中的材料库包含很多材料，这些材料具有丰富的属性，这些属性是物理过程或应用中经常用到的。此外，附加材料库中的所有材料都有与温度相关的材料属性，并且均附带有参考信息。对于材料库中的大多数材料，我们还可以选择相位和其他变量信息。

此外，我们还介绍了如何浏览和搜索材料，如何绘制依赖于某些量（通常是温度）的材料特性，以及如何在 COMSOL Multiphysics 中使用材料库中的材料。有关 COMSOL Multiphysics 中材料库和材料的其他信息，请查看以下资源：

• 材料库的产品页面
• 博客文章：“在 COMSOL Multiphysics® 模型中高效地定义材料”
• 视频：
  • 使用函数定义材料属性
  • 使用 MatWeb™ 在 COMSOL Multiphysics® 中定义材料数据库

注：MatWeb 是 MatWeb，LLC 的商标。