COMSOL Multiphysics®

基于物理场的模拟和仿真平台

COMSOL Multiphysics®

燃烧气体加热喷气发动机涡轮中的定子叶片时,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,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、流体和化工等应用的跨学科产品开发。

电气、力学、流体流动和化工等应用的仿真工具

COMSOL Multiphysics® 是一个基于高级数值方法的、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,来进一步扩展该仿真平台。附加的接口模块可以将 COMSOL Multiphysics 仿真与技术计算、CAD 和 ECAD 等软件相连接。

用于跨学科模块开发的 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支持任何领域的跨学科产品开发。附加模块可与 COMSOL Multiphysics 无缝耦合,无论您在使用哪些附加产品,软件的操作方式均保持一致。您可以在模型开发器的模型树中纵览整个模型,并能访问所有功能 —— 几何、网格、物理场设置、边界条件、研究、求解器、后处理和可视化。借助 COMSOL Multiphysics,您可将传统的单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

COMSOL Multiphysics® FEA 软件拥有极大的灵活性、直观且易于使用的 COMSOL Desktop® 界面,使您几乎可以模拟您希望模拟的所有事物。

例如,在 COMSOL Multiphysics® 中,您可以任意加入用于描述材料属性、边界、源或汇项,甚至一组独特的偏微分方程(PDE)组的自定义方程。然后,您将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,您可以基于您的模型设计自己的用户界面。该用户界面可以是模型的简化版,或仅包含您希望 App 用户访问的输入和输出框。COMSOL Multiphysics® 中还包含了 COMSOL® API for use with Java®,这进一步增加了将您的 COMSOL Multiphysics® 模型与其他应用相关联的灵活性。

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 为您提供了大量的物理场模拟功能,包括多物理场功能。通过添加针对特定应用的模块,您将能通过电气、机械、流体流动和化工等应用领域的专业工具来增强模拟能力。COMSOL Multiphysics 包含一系列的核心物理场接口,可用于常见的应用领域,例如结构分析、层流、声压、稀物质传递、静电、电流、传热和焦耳热等。它们是附加模块中一系列精选物理场接口的简化版本。

对于任意数学或物理仿真,如果没有预定义的物理场选项可用,则可通过定义方程来根据第一性原理进行仿真。通过软件自带的偏微分方程(PDE)模板,用户可以轻松模拟二阶线性或非线性方程组。通过将若干方程叠加在一起,您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,支持进行全耦合和定制化分析。这可以显著减少为自定义方程、材料属性、边界条件或源项而编写用户子例程的需求。此外,还提供了一组经典 PDE 模板:Laplace 方程、Poisson 方程、波动方程、Helmholtz 方程、热方程和对流-扩散方程。

坐标系

用户可以定义任意多个局部坐标系。软件内置了常用坐标系,例如圆柱形、球形和基于欧拉角的坐标系,并提供了自动创建坐标系的方法,便于用户定义跟随曲线几何形状的各向异性材料属性。这种 COMSOL Multiphysics 内置的曲线坐标工具可以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

COMSOL Desktop® 使您可以同时在三维、二维、一维和零维下建模。所谓的模型耦合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,还可以将代数方程组、常微分方程(ODE)组或微分代数方程(DAE)组(称为零维模型)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 具有基于任意拉格朗日欧拉法(ALE)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。您可以根据具体的物理场来选择材料框架或空间框架。一些附加模块中也包含了这一技巧,可将移动网格与其它物理场耦合: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)。当内置选项不可用时,COMSOL Multiphysics 的 ALE 功能也使用户能够执行自定义仿真。

网格剖分和有限元类型

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COMSOL Multiphysics 中提供了自动和半自动网格剖分工具,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,缺省算法是自由四面体网格;对于流体,缺省算法是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。NASTRAN 格式的网格导入到软件之后可以通过基于坐标的附加操作,继续在域、边界和边层级上进行分割。

COMSOL 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。这可以提供最大程度的灵活性,并且每个几何形状都支持一阶、二阶、三阶,有时甚至支持更高阶的形状函数,它们分别对应于传统的一次、二次和三次有限元。多类物理场中采用了 Lagrange 有限元,也称基于等参节点的有限元,包括传热、结构力学、静电场等。对于 CFD,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,也称边或矢量单元。

  • 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。包括大量的基本对象,以及将二维几何对象拉伸成三维的功能。此外,二维对象还可以沿参数化曲线旋转或扫掠。并集、差集和交集等布尔运算用于构造包含实体、表面、曲线和点等多元素组合的复杂结构。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。所有几何操作都包含在模型树中的参数化操作序列中。CAD 导入模块和 CAD 的 LiveLink 产品提供了更高级的 CAD 功能,通过加入 Parasolid® 几何内核提升了软件的几何建模能力,并提供了一系列的 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。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、边界单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,并且会在求解时自动生成全耦合的单元。这种动态生成有限元的专利方法正是支持组合任意多物理场的原因所在,这也是 COMSOL Multiphysics 的特有功能。

本物理场软件使用一系列数值求解器来运行分析,并结合了自适应网格剖分(如选中)和误差控制机制,这些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,所有类型的 COMSOL 许可证中的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。一系列的求解器可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,可进行稳态、特征频率、频域和瞬态分析等。针对具体应用的模块具有额外的求解器选项,例如用于预应力或小信号分析以及频域和时域组合分析等的求解器。COMSOL Multiphysics 中提供敏感性分析功能,附加的优化模块提供了一套优化求解器。

参数化和关联模型

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COMSOL 通过操作序列来记录创建几何、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。因此,只需更改模型树中的某个节点并重新运行操作序列,就可以轻松对模型的任意部分进行参数化。程序会记住并重新在模型中应用所有其他信息和数据。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。如果您习惯命令驱动式环境,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。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。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。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 内置了数学表达式解释器。可以将表达式指定为变量,之后可在材料属性、边界条件或源项中使用。这意味着,大多数情况下当您需要定制表达式时,您都无需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。与之类似,软件保留小写字母 t 来表示时间,可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。除了一组内置函数模板之外,例如 Gaussian 和矩形脉冲,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,您还可以使用通用文件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。您也可以在包含这两项的复合表达式中结合数学表达式与函数调用。您可以导入数字高程图(DEM)数据并结合参数化表面使用,来表示地形几何结构。

  • 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、空间坐标或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、空间坐标或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、空间坐标或时间的表达式来定义和使用变量。

App 开发器

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App 开发器支持您在 COMSOL Multiphysics 模型的基础上快速创建专业化和易于使用的仿真 App 应用程序,以供您的同事和客户使用。App 开发器的桌面环境中提供了用于创建 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,并包含例如输入框、图形窗口和按钮等的用户界面组件。方法编辑器是一个编程环境,支持您修改代表 COMSOL Multiphysics 模型的数据结构。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COMSOL Multiphysics® 的 Windows® 版中,您可以使用仿真平台及附加产品中的所有特征与功能来创建 App。App 可通过用于创建原始 App 的附加产品的 COMSOL Multiphysics 许可证或 COMSOL Server 许可证运行。

App 可以在 Windows®、Mac OS X® 和 Linux® 环境的 COMSOL Desktop® 中运行。另外,它们也可以通过 COMSOL Server 许可证在 Windows®、Mac OS X®、iOS®、Linux® 和 Android 系统的标准网络浏览器中运行。在 Windows® 环境下,您也可以通过易于安装的 COMSOL® 客户端来连接 COMSOL Server 以运行 COMSOL® App,您可在 COMSOL 官网下载 COMSOL 客户端。COMSOL Server 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。

  • 使用起搏器电极模型创建的 App,该 App 可用于对设备的不同操作配置进行虚拟测试。 使用起搏器电极模型创建的 App,该 App 可用于对设备的不同操作配置进行虚拟测试。

API 和物理场开发器

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COMSOL Desktop 环境和 App 开发器使您可以轻松地定制您的模型和 App,此外,软件还提供了多种应用编程接口(API),以便进行更加高级的定制。COMSOL Multiphysics 预置 COMSOL® API for use with Java®,提供了通过编译对象代码来管理和驱动软件的程序化方法。LiveLink for MATLAB® 可以将 COMSOL Multiphysics® 与 MATLAB® 技术计算语言联合使用。COMSOL® API for use with Java®LiveLink for MATLAB® 很容易上手,因为您可以将在 COMSOL Desktop® 设置的模型分别保存为 Java® 或 MATLAB® 文件格式。

COMSOL Multiphysics 中还包括了物理场开发器,使您可以通过 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 中开发和预置的物理场接口具有相同的外观和体验的接口,您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,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®,结果可以导出为 Microsoft® Excel® .xlsx 格式。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。请在导出文件格式了解更多详细信息

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:简报、中级或完整。不过,您也可以针对模型树的不同部分生成定制报告。

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、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的数学表达式来扩展到复合物理量。因此,您可以查看仿真结果中您感兴趣的任意相关量。可以使用后处理工具来进行计算和积分。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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COMSOL Multiphysics 是一个灵活的平台,用户可对设计的所有相关物理因素进行模拟。专家级用户可藉此加深自己的理解,并利用他们的知识来开发适用于具体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真实世界精度的模型。

随着您对 COMSOL 的使用,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相耦合。这一严格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。兼容的强制性可保证多物理场模型的一致性,也使您了解到您无需再去创建一个未关联的模型。

COMSOL Desktop® 的另一个显著特性是适应性。当您的模拟需改变时,软件也应如此。如您发现需添加其他物理效应,将可直接增加。如果模型需要输入数学公式,也可直接输入。通过类似参数化几何、交互式网格剖分和定制求解器序列等的工具,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,有利于开展进一步分析。您可以通过优化仿真的任意方面,来将其提升至真实生产水平。您可以直接在用户界面中执行参数扫描和目标函数优化。从始至终,COMSOL Multiphysics 都将为您提供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 和 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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