COMSOL Multiphysics®

基于物理场的模拟和仿真平台

COMSOL Multiphysics®

燃烧气体对喷气发动机涡轮中的定子叶片进行加热时,产生的温度梯度会引起显著的热应力。通过叶片中的冷却管传送空气,可防止定子熔化。

  • COMSOL Desktop®:扳手的力学仿真,计算有效应力和变形。 COMSOL Desktop®:扳手的力学仿真,计算有效应力和变形。
  • COMSOL Desktop®:微型混合器的流体流动和化学物质传递仿真,图中显示了流体速度场和物质浓度分布。 COMSOL Desktop®:微型混合器的流体流动和化学物质传递仿真,图中显示了流体速度场和物质浓度分布。
  • COMSOL Desktop®:心脏起搏器电极的电气仿真,包括计算得到的电压和电流分布。 COMSOL Desktop®:心脏起搏器电极的电气仿真,包括计算得到的电压和电流分布。

COMSOL Desktop 是一个功能强大的集成用户接口环境,旨在通过统一的建模流程支持电气、力学、流体和化工等应用领域跨学科产品的开发。

电气、力学、流体流动和化工等应用领域的仿真工具

COMSOL Multiphysics® 是一款基于高级数值方法、用于建模和模拟物理场问题的通用软件平台。借助 COMSOL Multiphysics,您将能够解释耦合现象或多物理场现象。软件包含超过 30 个附加模块供您选择,并可以通过电气、力学、流体流动和化学等领域的专用物理接口和工具,来进一步扩展建模功能。附加的接口模块可以将 COMSOL Multiphysics 仿真与工程计算、CAD 和 ECAD 等类型的多种软件相连接。

用于跨学科产品开发的 COMSOL Desktop®

COMSOL Desktop® 是一个功能强大的集成环境,旨在通过统一的建模流程来支持全应用领域跨学科产品的开发。其附加模块可与 COMSOL Multiphysics 实现无缝接合,同时无论对于哪款插件产品,您都可以用与软件一致的操作方式进行操作。您可以在模型开发器的模型树中纵览整个模型,并能访问包括几何、网格、物理场设置、边界条件、研究、求解器、后处理及可视化在内的所有功能。借助 COMSOL Multiphysics,您可将传统的单物理场模型轻松扩展为能同时求解耦合物理现象的多物理场模型。更重要的是,掌握这些功能并不需要具备高深的数学或数值分析知识。

COMSOL® 将仿真的力量交到了您的手中

借助 COMSOL Multiphysics® FEA 软件强大的灵活性及其直观、易用的 COMSOL Desktop® 界面,您可以模拟各种各样的物理现象。

例如,您可以在 COMSOL Multiphysics® 中自由添加自己的方程,来对材料属性、边界、源或汇项,甚至一组独特的偏微分方程组(PDEs)进行描述 。您也可以根据输入的方程创建新的物理场接口。当通过 App 开发器创建 App 时,您可以基于模型设计自己的用户界面,这一界面既可以是模型的简化版本,也可以仅包含您希望 App 用户访问的输入及输出编辑框。COMSOL Multiphysics® 中还提供了 COMSOL® API for use with Java®,使您能够更加灵活地连接 COMSOL Multiphysics® 模型与其他应用。

模拟和仿真用户界面

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基于物理场和方程的模拟接口

COMSOL Multiphysics 为您提供了丰富的物理场模拟功能,以及多个物理场之间的耦合模拟功能。附加的专业模块包含了一系列专业的建模工具,大大拓展了软件在电气、机械、流体流动和化工等应用领域的建模能力。COMSOL Multiphysics 本身提供了一系列核心物理场接口,可用于结构分析、层流、声压、稀物质传递、静电、电流、传热和焦耳热等常见应用领域。与专业附加模块中的相应接口相比,这些接口的功能相对简化。

对于没有预定义物理场接口的任意数学或物理问题,软件提供了一系列通用的物理场接口,使用户可根据基本原理来定义方程,进行模拟。软件自带的偏微分方程(PDE)模板大大简化了二阶线性或非线性方程组的模拟过程。通过将若干方程叠加在一起,还可以求解高阶微分方程。这些基于方程的工具还可以进一步与 COMSOL Multiphysics 预置的物理场或任意附加模块组合,进行耦合计算和定制化分析。因此,用户不再需要为自定义方程、材料属性、边界条件或源项编写用户子程序。对于经典的偏微分方程,例如 Laplace 方程、Poisson 方程、波动方程、Helmholtz 方程、热方程和对流-扩散方程等,软件也预置了一系列模板。

坐标系

在软件中可对任意多个局部坐标系进行定义,这是用户十分青睐的一项功能。软件内置了多个常用坐标系,例如圆柱形坐标系、球形坐标系和基于 Euler 角的坐标系,并提供了自动创建坐标系的方法,这些功能使用户可以方便地跟随弯曲几何形状来定义各向异性材料属性。此类内置于 COMSOL Multiphysics 中的曲线坐标工具可被应用于任意类型的物理场,例如传热中的各向异性热导率、结构力学的正交各向异性材料,以及电磁学中的各向异性介质。

模型耦合

借助 COMSOL Desktop®,您可以同时在三维、二维、一维和零维下建模。所谓“模型耦合”是指可以跨空间维度映射任意物理量。例如,二维解可以映射到三维表面或拉伸到整个三维体上。该功能简化了跨维度仿真的设置。此外,还可以将被称为零维模型的代数方程组、常微分方程(ODE)组或微分代数方程(DAE)组与随空间变化的一维、二维和三维模型进行组合。

  • 偏微分方程:基于方程的心脏电信号模型,求解瞬态非线性偏微分方程组。 偏微分方程:基于方程的心脏电信号模型,求解瞬态非线性偏微分方程组。

偏微分方程:基于方程的心脏电信号模型,求解瞬态非线性偏微分方程组。

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利用 ALE 移动网格

COMSOL Multiphysics 具有基于任意 Lagrangian-Eulerian (ALE)法的高级移动网格功能,您可以根据移动参考框架来定义物理场,还可以根据具体的物理场来选择材料框架或空间框架。一些附加模块中也同时包含了这一技巧,可将移动网格与其他物理场耦合:例如流固耦合(结构力学模块和 MEMS 模块)、腐蚀表面(腐蚀模块)、电镀(电镀模块)、机电(MEMS 模块)和两相流(微流体模块)。即使当内置选项不可用时,用户也可借助包含于 COMSOL Multiphysics 中的 ALE 功能来执行自定义仿真。

网格剖分和有限元类型

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COMSOL Multiphysics 中提供了自动及半自动的网格剖分工具,包括自由四面体网格剖分和扫掠网格剖分。对于在固体中定义的物理场,缺省算法为自由四面体网格;对于在流体中定义的物理场,缺省算法为结合四面体网格和边界层网格。您还可以通过定义所谓的网格序列,来完全控制用于创建网格的操作序列。网格序列允许混合使用四面体、棱柱体或六面体单元,并可以进行参数化驱动。此外,在导入基于 NASTRAN 格式的网格时,还支持棱锥单元。通过基于坐标的附加操作,还可以继续对导入到软件的 NASTRAN 格式的网格在域、边界和边层级上进行分割。

COMSOL 软件独特的多物理场方法将有限元的几何形状(三维下的四面体、棱柱体、六面体、棱锥)与“有限元形函数”分离。这一方法提供了最大程度的灵活性,并且每个几何形状都支持一阶、二阶和三阶形函数,分别对应于传统的一次、二次和三次有限元,在某些情况下,甚至支持更高阶的形函数。很多物理场在求解时采用 Lagrange 有限元, Lagrange 有限元也被称为基于等参节点的有限元。这类物理场包括传热、结构力学、静电场等。对于 CFD 问题,软件还使用了一些专业的单元类型和数值稳定方法。对于矢量电磁场,使用了曲边和更高阶旋度单元,也就是边或矢量单元。

  • 网格剖分:COMSOL Multiphysics 的网格剖分方法包括自由四面体网格、扫掠网格和边界层网格。图片中显示了使用高阶单元的流动仿真网格。 网格剖分:COMSOL Multiphysics 的网格剖分方法包括自由四面体网格、扫掠网格和边界层网格。图片中显示了使用高阶单元的流动仿真网格。

网格剖分:COMSOL Multiphysics 的网格剖分方法包括自由四面体网格、扫掠网格和边界层网格。图片中显示了使用高阶单元的流动仿真网格。

几何建模

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COMSOL Multiphysics 通过其原生的几何内核提供了一维、二维和三维几何建模工具。同时还提供了大量的基本对象,以及将二维几何对象拉伸成三维的功能。此外,还可以沿参数化曲线对二维对象进行旋转或扫掠。并集、差集和交集等布尔运算可被用于构造包含实体、表面、曲线和点等多元素组合的更为复杂的结构。自由形式模拟功能包括参数化表面、参数化曲线和插值曲线。所有几何操作都被部署在模型树中的参数化操作序列中。CAD 导入模块和为 CAD 设计的 LiveLink™ 产品提供了更高级的 CAD 功能,并通过加入 Parasolid® 几何内核提升了软件的几何建模能力,同时还提供了一系列的 CAD 导入/导出格式,以及与高级 CAD 系统的 CAD 交互操作功能。关于几何建模功能和导入/导出的格式列表,请参见 CAD 规格页面。

  • 几何建模:COMSOL Multiphysics 内置了几何建模引擎,支持一维、二维和三维环境下的参数化模型。通过 CAD 导入模块和 CAD 的 LiveLink 产品,可以获得高级的几何建模功能。 几何建模:COMSOL Multiphysics 内置了几何建模引擎,支持一维、二维和三维环境下的参数化模型。通过 CAD 导入模块和 CAD 的 LiveLink 产品,可以获得高级的几何建模功能。

几何建模:COMSOL Multiphysics 内置了几何建模引擎,支持一维、二维和三维环境下的参数化模型。通过 CAD 导入模块和 CAD 的 LiveLink 产品,可以获得高级的几何建模功能。

最先进的数值方法

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COMSOL Multiphysics 利用最先进的数值分析方法来联立和求解模型。软件附加模块中使用了几种不同的数值方法,包括有限元法分析、有限体积法、边界元法和粒子追踪方法等。但 COMSOL Multiphysics 的重点仍然是有限元方法。软件提供了多类有限元算法,并且会在求解时会自动生成全耦合的单元。正是凭借这种动态生成有限元的专利方法,软件才能支持任意多物理场的组合,这同时也是 COMSOL Multiphysics 特有的功能。

这款物理场软件使用了一系列数值求解器,并结合了自适应网格剖分(如选中)和误差控制机制来运行分析,使用的求解器包括直接和迭代稀疏矩阵求解器、代数和几何多重网格法,以及一系列预处理器。软件会根据物理场耦合自动配置缺省求解器。用户可以查看求解器设置,也可以手动配置低级别的设定。当多核计算可用时,无论 COMSOL 许可证是哪种类型,求解器和其他计算密集型算法均支持多核计算。网络浮动许可证选项支持集群和云计算 。一系列的求解器被组织在一个更高级别的“研究”节点中;一个“研究”节点中可以包含一个求解器序列,用于分析稳态、特征频率、频域和瞬态等内容。针对具体应用的模块还提供了额外的求解器选项,例如用于预应力或小信号分析的求解器,以及用于频域和时域组合分析的求解器。COMSOL Multiphysics 还具备敏感性分析功能,同时附加的优化模块中提供了一套优化求解器。

参数化和关联模型

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COMSOL 软件通过操作序列来对创建几何、网格剖分、研究与求解器设置、可视化和结果呈现等所有步骤进行记录。因此,只需更改模型树中的某个节点并重新运行操作序列,就可以便捷地对模型的任意部分进行参数化处理。程序会记住并重新在模型中应用其他所有的信息和数据。此外,几何结构和模型设置之间是完全关联的,即当几何结构发生更改时,整个模型都会自动随之更新。如果您更习惯于命令驱动式环境,也可以在批处理模式下运行 COMSOL Multiphysics。

参数化模型:利用参数之间的代数关系对模型进行参数化处理。参数可以表示几何尺寸和物理属性。

  • 参数化模型:利用参数之间的代数关系对模型进行参数化处理。参数可以表示几何尺寸和物理属性。 参数化模型:利用参数之间的代数关系对模型进行参数化处理。参数可以表示几何尺寸和物理属性。

变量、表达式和查找表

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COMSOL Multiphysics 内置了数学表达式编译器。用户可以使用表达式来定义变量,以供之后在材料属性、边界条件或源项中使用。这意味着在大多数情况下当需要定制表达式时,您都无需再通过编写代码来修改软件。坐标变量 x、y 和 z 可用于定义随空间变化的量,例如分布式载荷。与此类似,软件保留了小写字母 t 来表示时间,可用于在表达式中构造瞬态模型的时变脉冲。

软件提供了平滑、线性化、微分等多种算子。除了软件提供的一组内置函数模板(例如 Gaussian 和矩形脉冲)外,您还可以直接在 COMSOL Desktop® 中定义或从文件中读取查找表函数。非均质材料的属性可以通过将材料属性设置为空间坐标的函数,并在体积查找表中获取。除数值表外,您还可以使用一些通用图片格式的图片数据作为内插函数的基础。例如,可以使用这种方法将图像像素值映射到材料属性值。您也可以在包含数学表达式与函数调用的复合表达式中将这二者结合。对于地形几何结构的表示问题,您还可以导入数字高程图(DEM)数据并将其与参数化表面结合使用。

  • 变量和表达式:COMSOL Desktop® 允许您定义和使用含未知场分量及其导数、空间坐标及时间的表达式来定义和使用变量。 变量和表达式:COMSOL Desktop® 允许您定义和使用含未知场分量及其导数、空间坐标及时间的表达式来定义和使用变量。

变量和表达式:COMSOL Desktop® 允许您定义和使用含未知场分量及其导数、空间坐标及时间的表达式来定义和使用变量。

App 开发器

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借助 App 开发器,您可以基于自己的 COMSOL Multiphysics 模型快速创建易于使用的专业化仿真 App 应用程序,以供您的同事和客户使用。App 开发器的桌面环境提供了用于创建 App 的两项重要工具:表单编辑器和方法编辑器。 表单编辑器提供了便于用户访问的拖放功能,并包含了输入框、图形窗口和按钮等用户界面组件。方法编辑器是一个编程环境,支持对代表 COMSOL Multiphysics 模型的数据结构进行修改。在编辑器中,您可以编写 Java® 代码来扩展和增强仿真 App 的用户体验。

在 Windows® 版的 COMSOL Multiphysics® 中,您可以使用仿真平台及附加模块中的所有特征与功能来创建 App。App 可通过用于创建原始 App 的插件产品的 COMSOL Multiphysics 许可证或 COMSOL Server™ 许可证运行。

仿真 App 可以在 Windows®、Mac OS X 和 Linux® 环境的 COMSOL Desktop® 中运行。另外,通过 %sCOMSOL Server™%s 许可证,您也可以利用 Windows®、Mac OS X、iOS®、Linux® 和 Android™ 系统的标准网络浏览器来运行 App 。同时,在 Windows® 环境下,您还可以通过易于安装的 COMSOL® 客户端在连接 %sCOMSOL Server™%s 后运行 COMSOL® App,客户端可在 %sCOMSOL 官网%s中下载。%sCOMSOL Server%s 不包含 COMSOL Desktop 环境中的 App 开发器、物理场开发器和模型开发器。

观看视频:了解如何通过 App 开发器和 COMSOL Server™ 来优化建模仿真的工作流程。

 
进一步了解 App 开发器

API 和物理场开发器

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借助 COMSOL Desktop 环境和 App 开发器,您可以轻松地定制模型和 App,此外,软件还提供了多种用于拓展模型的应用编程接口(API),以便进行更加高级的定制。COMSOL Multiphysics 中预置的 COMSOL® API for use with Java® 提供了一种通过编译对象代码来管理和驱动软件的程序化方法。同时,借助 LiveLink™ for MATLAB®,您可以将 COMSOL Multiphysics® 与 MATLAB® 技术计算语言联合使用。因在 COMSOL Desktop® 中设置的模型可分别被保存为 Java® 或 MATLAB® 文件格式,所以 COMSOL® API for use with Java®LiveLink™ for MATLAB® 可以无缝衔接使用。

COMSOL Multiphysics 中还包含了物理场开发器,借助这一工具,您可以利用 COMSOL 软件中基于方程的模拟功能来自行开发物理场接口。通过在 COMSOL Desktop 中开发出与预置的物理场接口具有相同外观和使用体验的接口,您便可以拓展物理场模拟功能。要实现这一点,您可以直接在 COMSOL Desktop 中的物理场开发器树中定义新的用户接口组件,而无需任何编程操作。

导出结果和生成报告

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结果可以导出为 .txt、.dat 和 .csv 格式的文本文件。通过 LiveLink™ for Excel®,还可以导出 Microsoft® Excel® .xlsx 格式的结果。图像可以导出为几种常用的图像格式,而动画可以导出为动画 GIF、Adobe® Flash 或 AVI。请了解关于导出文件格式的更多详细信息

整个仿真项目的总结报告可以导出为 HTML(.htm、.html)或 Microsoft® Word® (.doc)格式。软件提供了三种缺省的报告选项:简要、中级或完整。不过,您也可以针对模型树的不同部分来生成定制的报告。

生成报告:仿真总结报告可以输出为 HTML 或 Word® 格式。

  • 生成报告:仿真总结报告可以输出为 HTML 或 Word® 格式。 生成报告:仿真总结报告可以输出为 HTML 或 Word® 格式。

结果可视化和后处理

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可视化功能包括表面、切片、等值面、截面、箭头、流线图,以及其他绘图类型。数据可视化并不仅限于内置的物理量,也可以通过输入未知场变量及其导数的数学表达式来扩展到复合物理量。因此,您可以对仿真结果中感兴趣的任意相关量进行可视化处理。软件中提供了一系列的后处理工具用于进行计算和积分。您可以在整体、表面、曲线和点上计算任意量或复合量的最大值、最小值、平均值和积分值。

可视化:内置的可视化工具包括表面、切片、等值面、截面、箭头、流线图,以及图形。图片通过表面颜色图(上部)和传播损耗-频率曲线(下部)显示了汽车消声器中的声压级。

  • 可视化:内置的可视化工具包括表面、切片、等值面、截面、箭头、流线图,以及图形。图片通过表面颜色图(上部)和传播损耗-频率曲线(下部)显示了汽车消声器中的声压级。 可视化:内置的可视化工具包括表面、切片、等值面、截面、箭头、流线图,以及图形。图片通过表面颜色图(上部)和传播损耗-频率曲线(下部)显示了汽车消声器中的声压级。

验证并优化您的仿真

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借助 COMSOL Multiphysics 这一灵活的平台,用户可对设计的所有相关物理因素进行模拟。而专家可进行更深层次的探索,并利用他们的知识来开发适用于特定情况的定制解决方案。通过这种全包容的模拟环境,COMSOL 让您可以充满信心地建立起具有比拟真实世界精度的模型。

随着您对 COMSOL 软件的使用更加深入,它的某些特点会变得愈发明显,其中兼容性就是一项颇为突出的功能。COMSOL 要求软件包中的每类仿真都能与任何其他物理场相耦合。这一严格的要求反应了真实世界中的情况。例如,在自然界,电总会伴随着一定的热效应,两者是完全兼容的。对兼容性的强制要求保证了多物理场模型的一致性,也使您无需再去费心创建一个未关联的模型。

COMSOL Desktop® 的另一个显著特性是适应性。当您需要对模拟进行改变时,可通过软件轻松完成。例如当您发现需要添加其他物理效应,便可直接添加进去;当模型需要输入数学公式,也可直接输入。通过参数化几何、交互式网格剖分和定制求解器序列这一类的工具,您可以快速适应不断变化的需求。COMSOL Desktop 环境的灵活性本质使您更易于设置和实现各种假设,进而帮助您开展进一步分析。您可以通过优化仿真的任意方面,使其达到真实产品的水平。您还在可以直接在用户界面中执行参数扫描和目标函数优化。自始至终,COMSOL Multiphysics 都是一套完整的问题解决工具。

商标

COMSOL、COMSOL Multiphysics、COMSOL Desktop、COMSOL Server 和 LiveLink 是 COMSOL AB 的注册商标或商标。 MATLAB 是 The MathWorks, Inc. 的注册商标。 Microsoft、Excel 和 Windows 是微软公司或其子公司在美国和/或其他国家的注册商标或商标。 Java 是 Oracle 和/或其分公司的注册商标。 Parasolid 是 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. 或其子公司在美国和其他国家的注册商标。 Mac、Macintosh 和 OS X 是 Apple Inc., 在美国和其他国家的商标。 Linux 是 Linus Torvalds 的注册商标。 Android 是 Google Inc 的商标。iOS 是 Cisco 在美国和其他国家的注册商标。 NASTRAN 是 NASA 的注册商标。 所有其他商标均属其各自所有者所有,并且 COMSOL AB 及其子公司和产品并不从属于上述非 COMSOL 商标所有者,或受其认可,或接受其赞助,或获得其支持。 有关此类商标所有者的列表,请参见:www.cn.comsol.com/trademarks

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