借助仿真分析来优化、验证真实世界的产品和过程

工程师和科研人员可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件来模拟各个工程、制造和科研领域所涉及的产品和过程。

COMSOL Multiphysics® 是一个仿真平台,可以实现建模工作流程中涉及的所有步骤:从几何建模、定义材料属性、设置物理场来描述物理现象,到求解模型,以及为提供准确可信的结果对模型的后处理。

COMSOL Multiphysics® 产品库中的附加模块可以任意组合使用,以进一步增强软件的功能,创建适用于各个工程和应用领域的专业模型。借助于接口产品,工程师在产品开发和设计过程中使用到的其他工程和数学工具也可以与 COMSOL 建模集成,共同使用。完成模型开发后,用户还可以将模型转换成一个带有定制化用户界面的仿真 App,供研发部门内外的人员使用。

多物理场仿真带来精确的分析结果

工程仿真成功的关键往往取决于是否能够开发出通过实验验证的模型,以取代传统单纯依靠实验和原型的方式,同时能够从更深层面上理解产品的设计和流程,为之后的设计改进积累,打下基础。与实验或原型测试相比,建模仿真可以帮助开发人员更快、更有效、更精确地优化产品和过程。

对于 COMSOL Multiphysics® 用户来说,建模不再受制于其他仿真软件常常存在的各种限制,用户可以自由控制模型的各个方面。软件支持将任意数量的物理场现象耦合在一起,不仅如此,您还可以直接在图形用户界面(GUI)使用方程和表达式来输入用户自定义参数,以传统方法难以实现,甚至是完全无法实现的创造性方式来进行仿真。

精确的多物理场模型能够考虑各种可能的工况和相关的物理效应,能够帮助您理解、设计和优化真实工作条件下的产品和过程。

统一的建模工作流程

使用 COMSOL Multiphysics® 建模意味着,您可以在一个软件环境中,任意地切换电磁学、结构力学、声学、流体流动、传热和化学反应现象,或通过偏微分方程组建模的任何其他物理场等多个仿真。您还可以在单个模型中将这些领域的物理现象进行组合。COMSOL Desktop® 用户界面为您提供了完整的仿真环境和始终一致的建模工作流程,无论您想要分析和开发哪种类型的设计或过程,都可以遵循同样的建模流程。

几何建模和 CAD 软件接口

操作、序列和选择

COMSOL Multiphysics® 的核心功能提供了丰富的几何建模工具,支持通过实体对象、表面、曲线和布尔操作等来创建零件。您可以通过操作序列来创建几何实体,序列中的每个操作都可以输入控制参数,方便您在多物理场模型中轻松地进行编辑和参数化求解。几何模型中的定义与其相应的物理场设置之间相互关联,这意味着只要几何模型发生变化,软件便会自动将此变化反应到所有与其关联的模型设置中。

您可以将几何模型中的材料域或表面等几何实体进行分组,创建不同的选择,并在定义物理场、划分网格以及后处理等后续操作中使用这些选择。不仅如此,您还可以通过一系列操作来创建参数化几何零件(包括相关选择),然后将它们存储到“零件库”中,以便在多个模型中重复使用。

导入、修复、特征修复和虚拟操作

CAD 导入模块ECAD 导入模块 支持将所有标准 CAD 和 ECAD 文件导入到 COMSOL Multiphysics® 中。设计模块进一步扩展了 COMSOL Multiphysics® 的几何操作功能。“CAD 导入模块”和“设计模块”均支持对几何模型执行修复和特征去除操作。软件也支持对表面网格模型(如 STL 格式)的导入,用户还可以通过 COMSOL Multiphysics® 中的后续操作将其转换为几何对象。与几何序列中的其他操作类似,导入操作也可以与选择和其它相关操作结合使用,以执行参数化和优化分析。

作为特征去除和修复功能的备选方案,COMSOL® 软件还支持一些“虚拟操作”。对于如长条面和小面等这些几何特征,建模时包含它们通常并不提高仿真精度,虚拟操作可以用于去除这些几何特征对网格的影响。与特征去除功能不同的是,虚拟操作可以在不改变几何的曲率或保真度的情况下,生成更优质的网格。

查看几何建模功能列表

  • 体素
    • 长方体、球体、圆锥体、圆环、椭球、圆柱体、螺旋、金字塔、六面体
    • 参数化曲线、参数化曲面、多边形、贝塞尔多边形、插值曲线、点
  • 拉伸、回转、扫掠、放样1
  • 布尔操作:并集、交集、差集和分割
  • 变换:阵列、复制、镜像、移动、旋转和缩放
  • 转换:
    • 转换为实体、表面和曲线
    • 中面1、加厚1、拆分
  • 倒斜角和倒圆角2
  • 虚拟操作
    • 移除细节
    • 忽略:顶点、边和面
    • 形成复合:边、面、域
    • 塌陷:边、面
    • 合并:顶点、边
    • 网格控制:顶点、边、面、域
  • 使用实体、表面、曲线和点的混合建模
  • 使用二维几何建模的工作平面
  • 通过附加的“CAD 导入模块”、“设计模块”和 CAD LiveLink™ 产品实现 CAD 导入和互操作
  • 通过附加的“CAD 导入模块”、“设计模块”和 CAD LiveLink™ 产品实现 CAD 修复和特征去除
    • 端盖面、删除
    • 圆角、短边、长条面、小面、面、尖峰
    • 分离面、粘合至实体、修复

1 需要“设计模块”

2 相应的三维操作需要“设计模块”

SOLIDWORKS 软件中的车架 CAD 设计。 图中的车架模型已通过 SOLIDWORKS® 软件完成设计,现在可以导入 COMSOL Multiphysics® 中。您也可以从其他 CAD 软件导入几何,或使用 COMSOL Multiphysics® 几何工具进行创建。
从 CAD 软件导入 COMSOL Multiphysics 的车架几何结构。 车架几何已通过 COMSOL Multiphysics® 中的内置工具进行修复和操控。您也可以在 COMSOL Multiphysics® 中从头开始创建几何结构。
COMSOL Multiphysics 中生成的车架模型的网格。 车架几何已在 COMSOL Multiphysics® 中完成网格剖分,现在可用于仿真分析。
使用 COMSOL Multiphysics 模拟的车架 CAD 设计。 车架模型已在 COMSOL Multiphysics® 中完成求解,生成的结果可用于仿真分析,其中提示了 CAD 软件中的设计更改,以供进一步分析。

众多预置接口和功能,支持基于物理场建模

COMSOL® 软件提供了一系列预定义的物理场接口,用于模拟各种物理现象,其中包括了很多常见的由多个物理场共同作用引起的现象。物理场接口是专门针对特定科学或工程领域问题建模的用户界面,用户在其中可以自由设定模型的各个方面 - 从参数定义、离散化,到分析和求解结果。

当选定某个特定的物理场接口后,软件会给出相应的研究类型供用户选择,例如瞬态或稳态求解。除此之外,软件还会自动推荐合适的数值离散化方法、求解器设置,以及对应于该物理现象的可视化和后处理图表。用户还可以对物理场接口进行自由组合,用来描述涉及多种物理现象的复杂过程。

COMSOL Multiphysics® 平台软件预置了大量的核心物理场接口,涉及固体力学、声学、流体流动、传热、化学物质传递和电磁学等诸多领域。COMSOL® 产品库中包含的附加模块提供了丰富的专业用户界面,扩展了软件在相应领域的建模功能,是对软件核心建模功能的有力补充。

查看基于物理场建模特征列表

物理场接口

  • 电流
  • 静电
  • 固体传热和流体传热
  • 焦耳热
  • 层流
  • 压力声学
  • 固体力学
  • 稀物质传递
  • 二维磁场
  • 特定于 App 的模块包含其他物理场接口

材料

  • 各向同性和各向异性材料
  • 不连续材料
  • 空间变化材料
  • 时变材料
  • 随任意物理量变化的非线性材料属性
显示热执行器模型的 COMSOL 软件 GUI 中的物理场接口屏幕截图。 通过 COMSOL Multiphysics® 建模的热执行器。“传热”分支已展开,显示所有关联的物理场接口。本例显示的是安装了所有附加产品的界面,因此包含许多可用的物理场接口。

基于方程建模带来灵活、透明的建模功能

要想真正推动科学与工程研究及创新,软件工具仅提供一成不变的工作环境是远远不够的。理想的软件应该直接在用户界面中提供模型定义,并支持用户根据数学方程进行定制。COMSOL Multiphysics® 的功能应运而生,完全具备这种级别的灵活性,在生成数值模型之前,其内置的方程编译器可以先快速地编译表达式、方程及其他数学描述。软件支持在物理场接口中添加和定制表达式,用户可以将这些表达式自由耦合,从而模拟多物理场现象。

丰富的定制功能不仅限于此。借助“物理场开发器”,您还可以根据自己的方程来创建新的物理场接口,并在之后的建模工作中调用和修改这些接口,也可以将其分享给其他同事。

查看基于方程建模特征列表

  • 弱形式偏微分方程
  • 任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,表示变形几何以及动网格问题
  • 代数方程
  • 常微分方程
  • 微分代数方程(DAE)
  • 灵敏度分析(附加的“优化模块”提供的优化功能)
  • 曲线坐标计算
显示 COMSOL Multiphysics GUI 中偏微分方程输入位置的屏幕截图。 光纤中的波通过 KdV 方程进行建模。您可以使用系数匹配和数学表达式在 COMSOL Multiphysics® 中输入偏微分方程(PDE)和常微分方程(ODE)。

自动和手动网格剖分

根据物理场的类型或多物理场组合,COMSOL Multiphysics® 提供了多种模型离散化和网格剖分方面的方法供您选择。离散化方法主要是基于有限元方法(相关方法的完整列表,请参见本页的求解器一节),而通用的网格剖分算法可以使用相应的单元类型来创建与所用数值方法相匹配的网格。例如,默认算法可以采用自由四面体网格,或采用四面体与边界层网格的组合,来实现更迅速、更精确的求解。

对于所有网格类型,都可以在求解过程中或研究步骤序列中执行网格细化、重新剖分网格或自适应网格剖分操作。

查看网格剖分功能列表

  • 自由四面体网格剖分
  • 含棱柱和六面体单元的扫掠网格
  • 边界层网格剖分
  • 四面体、棱柱、金字塔和六面体体积单元
  • 三维表面和二维模型的自由三角形网格剖分
  • 三维表面和二维模型的映射和自由四边形网格剖分
  • 复制网格操作
  • 虚拟几何操作
  • 域、边界和边的网格分割
  • 导入外部生成的网格
使用 COMSOL Multiphysics 创建的自动非结构化网格模型示例。 使用自动非结构化网格完成网格剖分的轮辋模型几何。
使用 COMSOL Multiphysics 创建的包含边界层的半自动化网格模型示例。 使用含有边界层的半自动化网格完成网格剖分的微混合器模型几何。
在 COMSOL Multiphysics 中使用手动网格序列结合四面体、三角形和扫掠网格完成网格剖分的模型示例。 图为一个通过焊锡球接头安装有芯片的部分电路板模型几何,已使用手动网格序列结合四面体、三角形和扫掠网格完成网格剖分。
作为 STL 文件导入的表面网格示例,其中的网格已转换为几何,并通过自动非结构化网格完成网格剖分。 脊椎模型的表面网格在保存为 STL 文件格式后导入至 COMSOL Multiphysics®,其中的网格已转换为几何,并通过自动非结构化网格完成网格剖分。STL 几何由英国 Continuum Blue 公司的 Mark Yeoman 友情提供。

研究步骤序列、参数研究和优化

研究或分析类型

当您选中某个物理场接口后,COMSOL Multiphysics® 会给出相应的研究(分析类型)。例如,对于固体力学分析,软件会建议您执行瞬态、稳态或特征频率研究;对于 CFD 问题,软件则只建议您使用瞬态和稳态研究。当然,您也可以自由地选择其他研究类型。 用户可以通过设定一系列研究步骤来构建求解过程,其中,用户可以选择每个研究步骤中所求解的模型变量。在求解序列中,任何研究步骤所得到的解都可以用作后续研究步骤的输入。

扫描、优化和估计

任何研究步骤都可以通过参数化扫描来运行,参数化扫描可以基于模型中的一个或多个参数,包括几何参数、物理场定义中的设置等。您可以使用不同的材料及其定义的属性来执行扫描,也可以对一组定义的函数执行扫描。

您可以使用优化模块执行优化研究,对多物理场模型进行拓扑优化、形状优化或参数估计。COMSOL Multiphysics® 提供无梯度和基于梯度两种优化方法。最小二乘法公式和一般优化问题公式可用于参数估计。软件还提供内置的灵敏度研究,用于计算目标函数相对于模型中任何参数的灵敏度。

查看研究列表

  • 稳态
  • 瞬态
  • 特征频率
  • 特征值
  • 频域
  • 参数化扫描
  • 函数扫描
  • 材料扫描
  • 灵敏度
  • 模型降阶
  • 优化和参数估计
    • 坐标搜索
    • 蒙特卡洛
    • Nelder-Mead
    • BOBYQA
    • COBYLA
    • SNOPT
    • MMA
    • Levenberg-Marquardt
在 COMSOL Multiphysics 中完成参数化处理的模型的屏幕截图。 模型已实现参数化。在 COMSOL Multiphysics® 中,您可以使用参数与变量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。

先进的数值方法实现精确求解

COMSOL Multiphysics® 的方程编译器为数值引擎提供了最佳动力:用于稳态(稳定)、瞬态、频域和特征频率研究的全耦合偏微分方程组。软件使用有限元法(FEM),对偏微分方程组的空间变量 (x, y, z) 进行离散化处理。对于某些特定问题,也可以使用边界元法(BEM)将空间离散化。对于空间和时间相关的问题,则使用直线法,其中使用 FEM(或 BEM)将空间离散化,从而形成常微分方程组(ODE)。然后使用包括时间步进的隐式和显式方法在内的高级方法来求解这些常微分方程。

瞬态和稳态(稳定)问题可以是非线性的,在离散化之后也会形成非线性方程组。COMSOL Multiphysics® 中的引擎提供全耦合的雅可比矩阵,用于指定非线性求解器进行求解。阻尼牛顿法用于求解稳态问题的非线性系统,或在时间步进过程中求解瞬态问题。然后,牛顿法使用雅可比矩阵求解一系列线性方程组,得到非线性系统的解。

对于线性问题(也在非线性求解器步骤中求解,请参见上文),COMSOL® 软件提供直接求解器和迭代求解器。直接求解器可用于求解中小型问题,而迭代求解器则用于较大的线性系统。COMSOL® 软件提供多种迭代求解器,其中内置了先进的预条件器(如多重网格预条件器)。这些预条件器可以确保迭代求解过程稳定、快速地执行。

不同的物理场接口还可以针对一系列问题提供了相应的求解器默认设置。这些设置并不是固定不变的;您可以直接在用户界面的每个求解器节点下更改和手动配置求解器的设置,针对您的具体问题调整其求解性能。只要满足条件,求解器和其他计算密集型算法便会完全并行,实现多核和集群计算。共享内存和分布式内存方法都可用于直接和迭代求解器,并能用于大型参数化扫描。求解过程中的所有步骤都可以使用并行计算。

查看求解器列表

  • 空间离散化:
    • FEM
      • 基于节点的拉格朗日单元和不同阶次的巧凑边点单元
      • 旋度单元(也称为矢量或边单元)
      • 用于对流占优问题和流体流动的 Petrov-Galerkin 和 Galerkin 最小二乘法
      • 求解过程中的自适应网格和自动网格细化
    • BEM
    • 间断 Galerkin 方法
  • 时空离散化:
    • 直线法(空间 FEM 和 BEM)
  • 常微分方程和微分代数方程时间步进求解器:
    • 用于刚性问题的隐式方法(BDF)
    • 用于非刚性问题的显式方法
  • 非线性代数系统:
    • 阻尼牛顿法
    • 双折线法
  • 线性代数系统:
    • 直接密集求解器:LAPACK
    • 直接稀疏求解器:MUMPS、PARDISO、SPOOLES
    • 迭代稀疏求解器:GMRES、FGMRES、BiCGStab、共轭梯度
      • 预条件器:SOR、雅可比、Vanka、SCGS、SOR Line/Gauge/Vector、几何多重网格(GMG)、代数多重网格(AMG)、麦克斯韦辅助空间(AMS)、不完全 LU 分解、Krylov、域分解
      • 所有预条件器都可以用作迭代求解器
  • 附加产品中提供附加的离散化方法,包括粒子和射线追踪方法

丰富的可视化和后处理工具帮助展示建模结果

尽情展示您的仿真结果吧!COMSOL Multiphysics® 提供了强大的可视化和后处理工具,可以帮助您以简洁有效的方式展示您的仿真结果。您可以使用软件的内置工具,也可以在软件中输入数学表达式,通过派生物理量来增强可视化效果。因此,您可以在 COMSOL Multiphysics® 中生成与仿真结果有关的任何物理量的可视化效果。

可视化功能包括表面图、切面图、等值面图、截面图、箭头图和流线图等众多绘图类型。软件提供一系列数值后处理工具用于计算表达式,例如积分和导数。您可以计算实体、表面、曲边以及点上的任意物理量或派生物理量的最大值、最小值、平均值和积分值。许多基于物理场的模块还包含了特定工程和应用领域的专用后处理工具。

导出结果和生成报告

您可以导出数据,并通过第三方工具对数据进行处理。数值结果可以导出为 .txt、.dat 和 .csv 格式的文本文件,也可以导出为非结构化的 VTK 格式。您可以使用 LiveLink™ for Excel® 将结果导出为 Microsoft® Excel® 电子表格软件文件格式(.xlsx)。图像可以导出为多种常见的图像格式,而动画可以导出为 WebM 格式和动画 GIF、Adobe® Flash® 或 AVI 文件。汇总了整个仿真项目的报告可以导出为 HTML(.htm、.html)或 Microsoft® Word® 软件格式(.doc)。

查看结果和后处理特征列表

  • 可视化
    • 表面图
    • 等值面图
    • 箭头图
    • 切面图
    • 流线图
    • 云图
  • 后处理
    • 体、表面、边和点上任意物理量的积分、平均值、最大值和最小值
    • 定制数学表达式,包括场变量及其导数、空间坐标、时间和复值物理量
    • 基于物理场的许多模块都包含专用的后处理和计算技术
  • 支持 3Dconnexion® SpaceMouse® 设备
  • 导入和导出
  • 文本
  • Microsoft® Excel® .xlsx 格式
  • 图像
  • 动画
  • 网格
  • CAD 格式
  • 等等

表面图呈现了汽车消声器中的声压级的可视化效果(上),一维图中绘制了传输损耗随频率的变化情况(下)。

仿真 App 在分析、设计和生产之间架起沟通的桥梁

在许多组织中,往往都是少数的数值仿真专业人员需要为一个庞大的群体服务,后者通常是从事产品开发、生产人员,或者研究物理现象和过程的学生。为了顺应这一市场需求,COMSOL Multiphysics® 提供了开发仿真 App 的强大功能,借助“App 开发器”,仿真专业人员可以为原本通用的计算机模型创建直观且极具特色的用户界面 - 开发随时可用的定制 App。

您可以从通用模型着手,开发多个不同的 App,每个 App 都可以针对特定的任务而内置有限的输入和输出选项。App 既可以在客户端运行,也可以通过网页浏览器运行,其中可以包含用户文档,还可供您检查“允许范围内的输入”,并通过单击按钮生成预定义的报告。您可以使用 COMSOL Server™ 的 App 管理和分发工具,通过网络或 Web 访问方式将开发完善的 App 分享给设计团队、制造部门、工艺操作员、测试实验室、用户以及客户使用。

使用 COMSOL Multiphysics 中的“模型开发器”构建的模型示例。 使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的“模型开发器”创建的螺旋型静态混合器模型。
使用 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”转换为仿真 App 的模型示例。 螺旋型静态混合器模型通过 COMSOL Multiphysics® 中的“App 开发器”转换为仿真 App。
使用 COMSOL 软件构建的仿真 App 示例。 随时可用的螺旋型静态混合器 App。即便是不具备仿真专业知识的用户,也能够通过改变叶片的数量和尺寸,以及单体的液体属性和入口速度,轻松地通过仿真来分析系统的混合效率。

下一步:
申请软件演示

每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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