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材料库,这些材料库包含材料及相关材料特性数据。自 5.5 版本开始,COMSOL 软件中还增加了一个附加产品-材料库,包含多达 24 种材料属性,可以模拟 3800 多种材料。今天,我们来了解一下 COMSOL 的内置材料库和附加材料库,以及如何在模拟中使用它们。

附加材料库

附加材料库中包含各种各样的材料(超过 3800 个),每种材料包含多达 24 种材料属性,所有这些属性均带有参考信息。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
    • 更多金属
  • 工具钢
  • 聚酰胺纤维
  • 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
  • 半导体和光学材料
  • 焊料
  • 牙齿材料
  • 盐类
  • 燃料电池,电池和电陶瓷材料
  • 玻璃和金属玻璃
  • 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(COMSOL Multiphysics 的一个附件)中提供了铜合金的屏幕快照。
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。

材料特性的参考信息

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
  • 一些材料特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,吉尔斯–阿瑟顿磁滞材料,非线性永磁体和硬磁材料
  • 材料特性包括电磁特性上,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
电池与燃料电池材料库 电池与燃料电池模块
  • 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
  • 材料特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,前列腺和皮肤
  • 热材料特性包含热导率,恒定压力下的热容量和密度,适用于生物加热建模
建筑材料库 传热模块
  • 包含建筑材料(如混凝土,木材,铜版纸和不同类型的木板)的热和湿气属性
  • 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,空气和湿气(HAM)建模
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
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 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“和”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
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
  • 还包含 Isola Group 和 Premix Group 的材料属性
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

我们还可以自定义用户材料库。您可以右键单击“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 Desktop 环境中有两个窗口可用于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:

COMSOL Multiphysics中“添加材料”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

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。

绘制材料特性

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。

分段功能的设置窗口和相应图的屏幕截图。
分段函数,将导热系数 k 描述为铁的温度 T 函数。功能图显示了在温度范围 0~1810 K 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。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
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

屏幕截图显示了“电流”界面的设置及其材料属性。
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

在本篇博客文章中,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有很多材料,这些材料具有丰富的属性,这些材料属性是物理过程或应用中经常用到的。此外,附加材料库包含 3800 多种与温度相关的材料特性,所有这些材料均附带参考信息。对于材料库中的大多数材料,我们还可以选择其物态类型和其他变量信息。

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 模拟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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