如何使用 COMSOL Multiphysics® 中的材料库

2020年 2月 27日

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
    • 磁性
    • 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:

材料库中提供的铜合金屏幕截图,是 COMSOL Multiphysics 的附加组件。
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) 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:

材料库 产品 详细信息
内置材料库 COMSOL Multiphysics
  • 包含 30 多种常用材料,例如空气,铝,砖,混凝土,铜,硅玻璃,硅,结构钢和水
  • 一些材料属性取决于压力和温度
  • 该库中的材料属性值为某些常见材料的典型示例值
AC/DC 材料库 AC/DC 模块
  • 包含对电磁材料属性,包括铜,软铁,石英,石墨,Jiles–Atherton 磁滞材料,非线性永磁体,硬磁材料和 Bomatec 磁性材料
  • 材料属性主要集中在电磁特性上,例如电导率,相对介电常数,相对磁导率以及磁通密度和磁场范数
电池材料库 电池设计模块
  • 包含许多电极和电解质,主要用于锂离子,镍氢和铅酸电池的建模
  • 材料属性包含电导率和电解质电导率,盐和参考浓度,扩散系数,平衡电势和密度
生物热材料库 传热模块
  • 包含许多与人体有关的材料属性,例如骨骼,脂肪,肝脏,肌肉,心肌,前列腺,皮肤和脾脏
  • 热材料特性包含热导率,恒定压力下的热容量和密度,适用于生物热建模
建筑材料库 传热模块
  • 包含建筑材料(如混凝土,木材,纤维素,铜版纸和不同类型的木板)的热湿属性
  • 除了常见的热特性外,这些材料还具有水蒸气渗透性、耐蒸汽性以及水含量等
  • 该库中的材料可用于热,空气和湿度(HAM)建模
腐蚀材料库 腐蚀模块
  • 包含大量不同金属在不同电解质和元素中的极化数据(局部电流密度与电极电位的关系)。
  • 提供平衡电位(电流密度为零时的电位)。
  • 库中所有腐蚀材料数据都是基于公开的文献资料,可作为属性参考。
平衡放电材料库 等离子体模块
  • 包含与空气,氩气,氦气,氢气,氮气和氧气有关的随温度变化的电学和热学性质
  • 适用于等离子体仿真中的平衡放电建模
燃料电池和电解槽材料库 燃料电池和电解槽模块
  • 包含一些比较常见的燃料电池和电解质电池类的电解质数据:碱水、熔融碳酸盐、聚合物电解质和固体氧化物
  • 库中的所有电解质材料数据都是基于公开的文献资料,可作为属性参考
液体和气体材料库
  • 声学模块
  • 电池与燃料电池模块
  • CFD 模块
  • 化学反应工程模块
  • 传热模块
  • MEMS 模块
  • 微流体模块
  • 管道流模块
  • 地下水流模块
  • 包含与温度相关的热和流体材料属性,其中包括:
    • 气体,例如空气,氮气,氧气,二氧化碳,氦气,蒸汽和丙烷
    • 液体,例如乙醇,乙二醇,汽油,变压器油和水
MEMS 材料库
  • MEMS 模块
  • 结构力学模块
  • 材料属性包含多种金属,半导体,绝缘体和聚合物的机械,热和电材料
  • 适用于仿真 MEMS 器件
非线性磁性材料库 AC/DC 模块
  • 材料属性为非线性磁化曲线,适用于用于各种铁磁合金(如各种类型的钢)仿真
非线性结构和岩土力学材料模型
  • 非线性结构材料模块
  • 岩土力学模块
  • 使用材料模型表示非线性结构材料,而不是使用材料库中的材料特性来表示。非线性结构材料模块岩土力学模块也包含此功能,例如,包括各种超弹性,弹塑性,黏塑性和蠕变材料模型。
光学材料库
  • 射线光学模块
  • 波动光学模块
  • 包含折射率的随频率变化的实部和虚部,用于光学仿真,该仿真由实验、模型和仿真共同验证
  • 该材料库中的折射率涵盖大量的无机和有机材料,玻璃和各种其他材料,例如合金,晶体,塑料,油,黏合剂,人体的各个部位以及黏土,包括肖特公司, 成都光明光电, Ohara 公司以及康宁公司生产的玻璃
压电材料库
  • 声学模块
  • MEMS 模块
  • 结构力学模块
  • 包含建模压电效应时使用的材料属性,例如弹性矩阵,柔度矩阵,损耗因子,相对介电常数和密度
  • 包含各种压电材料:氮化铝,钛酸钡,锗酸铋,硫化镓,钛酸锆钛酸铅和石英的变体,罗谢尔盐,二氧化碲等
压阻材料库 MEMS 模块
  • 包含在对压阻模型化时使用的材料特性,例如弹性矩阵,压阻和弹性耦合矩阵,损耗因子,相对介电常数,电导率和 p- 硅和 n- 硅的轻掺杂单晶和多晶密度材料
RF 材料库 RF 模块
  • 包含多种基材材料,可用于 RF 组件建模
  • 介电特性,如相对介电常数的实部和损耗角正切,包括频率依赖性
  • 包含层压板和 Rogers 公司的材料
  • 包含 Isola 集团 和 赛默飞集团 的材料
半导体材料库 半导体模块
  • 包含半导体材料,例如硅,锗,砷化镓,砷化铟,金刚石等
  • 材料属性各不相同,但通常包括热和电特性以及半导体特性,例如带隙,电子和空穴迁移率以及 n 型和 p 型的 Jain-Roulston 系数
热电材料库 传热模块
  • 包含碲化铋和碲化铅材料,用于热电效应 多物理场接口
  • 包含热和电材料属性,包括用于模拟热电效应(例如塞贝克和汤姆森效应)的塞贝克系数和汤姆逊效应

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. 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. 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:

COMSOL Multiphysics中添加材质窗口的屏幕截图。
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

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。

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。

分段函数设置窗口的屏幕截图和相应的绘图。
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。

COMSOL Multiphysics中一个材质库的设置窗口屏幕截图。
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。

显示电流界面设置及其材质属性的屏幕截图。
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)。

默认模型输入设置的屏幕截图。
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:

注:MatWeb 是 MatWeb,LLC 的商标。

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评论 (10)

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Zheng SiZheng
Zheng SiZheng
2021-08-01

你好,请问如何在PDE弱解模块中使用用户自定义材料?

Liwen Yang
Liwen Yang
2021-09-18 COMSOL 员工

PDE建模中的材料参数,是通过方程的系数项来实现自定义的。可以参考案例 http://cn.comsol.com/model/shell-diffusion-in-a-tank-222

民 立
民 立
2021-10-09

你好 我现在使用在用comsol仿真的时候所用的材料属性是随温度变化的,但是它不是随温度变化的分段函数,就是随温度平滑变化的,那么我该怎么设置,是按照上述分段设置的方法将它设置成一段,我直接将默认的材料参数换成随全局变量T变化式子,仿真的时候总时报错,不知道咋回事,求解

Qihang Lin
Qihang Lin
2022-04-29 COMSOL 员工

建议您检查您的表达式是否是平滑变化,是否存在随着温度产生突变的情况或者查看一下您的网格剖分是否足够细致以及如果使用了瞬态求解,求解时间步长是否会过大。同时确保物理场设置部分是否符合物理场的使用条件,如果进行以上自查后依旧无法找到报错原因建议将您的模型发至技术支持,根据具体模型查看您产生该问题的原因:http://cn.comsol.com/support

跃 张
跃 张
2022-04-28

有用comsol模拟桩的案例吗?

hao huang
hao huang
2022-04-28 COMSOL 员工

建议详细描述一下,以便大家理解和进行讨论。

xxt 玄
xxt 玄
2022-05-13

你好,请问有做凝胶这种聚合物的案例么?力学分析或者磁学的

Qihang Lin
Qihang Lin
2022-09-15 COMSOL 员工

未找到相关案例,建议联系技术支持描述您更具体的需求,我们可以讨论如何实现:http://cn.comsol.com/support

Xin Gou
Xin Gou
2022-08-29

你好,我正试图创建以PVDF材料构建的静电纺丝层,搜索发现有相关材料,但无材料参数,请问材料库中是否有已定义的材料?或是我应该选择哪一种材料添加相对应的参数,你们材料库中类似材料很多。

Qihang Lin
Qihang Lin
2022-09-15 COMSOL 员工

案例库中的材料参数为不同品种的PVDF材料,种类比较多建议您根据您实际使用的种类进行材料选择。如果选择的库内材料没有您所需的属性,那么建议根据实际使用的材料参数数据对其进行手动修改。

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