模型开发器

COMSOL Multiphysics® 软件的“模型开发器”可以帮助您通过易于遵循的工作流程,完成从几何建模到仿真结果分析的整个过程。无论需要模拟何种工程应用或物理现象,统一的用户界面和“模型开发器”将指导您快速建模。

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几何建模和 CAD 软件接口

操作、序列和选择

COMSOL Multiphysics® 核心软件包提供了丰富的几何建模工具,支持您使用实体对象、表面、曲线和布尔操作来创建零件。您可以通过操作序列来定义几何,序列中的每个操作都可以接收输入参数,方便您在多物理场模型中轻松进行编辑和参数化研究。几何与定义的物理场设置之间是完全相互关联的 - 只要几何发生变化,系统便会自动将相关变化传递到整个关联的模型设置中。

您可以将材料域和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、网格划分以及绘图等后续操作中使用这些选择。不仅如此,您还可以使用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、特征去除和虚拟操作

CAD 导入模块ECAD 导入模块分别支持将所有标准的 CAD 和 ECAD 文件导入 COMSOL Multiphysics®设计模块进一步扩展了 COMSOL Multiphysics® 提供的几何操作功能。“CAD 导入模块”和“设计模块”均支持对几何执行修复和特征去除操作。此外,您还可以导入表面网格模型(如 STL 格式),然后通过 COMSOL Multiphysics® 核心软件包将其转换为几何对象。导入操作与几何序列中的其他任何操作类似,您可以将其与选择和关联操作结合使用,从而执行参数化和优化研究。

除了特征去除和修复功能之外,COMSOL® 软件还支持虚拟操作,用于消除几何缺陷或者细节对网格的影响,例如长条面和小面,它们不会提高仿真的精度。与特征去除功能不同,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。

查看几何建模特征列表

  • 体素
    • 长方体、球体、圆锥环面、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
  • 转变:阵列、复制、镜像、移动、旋转和缩放
  • 转换:
    • 转换为实体、曲面和曲线
    • 抽取中面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
    • 形成复合结构: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、曲面、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、接合至实体、修复
  1. 需要“设计模块”
  2. 相应的三维操作需要“设计模块”

众多预定义的接口和特征,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,包括许多常见的由多个物理场共同作用引起的现象。每个物理场接口都提供专用于相关科学或工程领域的特定设置。当您选择所需的物理场接口之后,软件会给出适用的研究类型建议,例如瞬态或稳态求解器。选定求解器后,将对数学模型、求解器序列以及可视化和后处理设置进行适当的数值离散化。当然,用户可以对所有设置进行编辑操作。

COMSOL Multiphysics® 平台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。通过使用 COMSOL 产品库中的附加模块扩展核心软件包,您可以访问一系列更专业的用户界面,其中包含适合特定工程领域的建模功能。

查看基于物理场建模特征列表

物理场接口

  • 电流
  • 静电
  • 固体和流体传热
  • 焦耳热
  • 层流
  • 压力声学
  • 固体力学
  • 稀物质传递
  • 磁场,二维
  • 特定于 App 的模块包含许多附加的物理场接口

材料

  • 各向同性和各向异性材料
  • 不连续材料
  • 空间变化的材料
  • 时变材料
  • 随任意物理量变化的非线性材料属性

基于方程建模带来灵活、透明的建模功能

想要真正推动科学与工程研究和创新,软件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® 软件功能应运而生,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。

丰富的定制功能远不止此。借助“物理场开发器”,您还可以使用自己的方程来创建新的物理场接口,并在以后的模型中轻松调用和操控这些接口,也可以将其分享给同事。

查看基于方程建模特征列表

  • 偏微分方程(PDE)
  • 弱形式偏微分方程
  • 任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,可以用公式表示变形几何和动网格问题
  • 代数方程
  • 常微分方程(ODE)
  • 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

自动和手动网格划分

根据您研究的物理场类型或多物理场组合,COMSOL Multiphysics® 软件可以提供不同的数值技术用于模型离散化和网格划分。主要的离散化方法以有限元为基础(有关方法的完整列表,请参见本页的求解器一节)。通用的网格划分算法可以使用适当的单元类型来创建与相关数值方法匹配的网格。例如,默认算法可以使用自由四面体网格划分,或使用四面体与边界层网格划分的组合形式,并结合各种单元类型,来提供更快速、更准确的结果。

查看网格划分特征列表

  • 自由四面体网格划分
  • 含棱柱和六面体单元的扫掠网格
  • 边界层网格划分
  • 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划分
  • 三维表面和二维模型的映射和自由四边形网格划分
  • 复制网格操作
  • 虚拟几何操作
  • 域、边界和边的网格分割
  • 用于外部生成网格的导入和编辑功能

研究步骤序列、参数研究和优化

研究或分析类型

当您选择某个物理场接口以后,COMSOL Multiphysics® 会给出许多不同的研究(分析类型)建议。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,您也可以为需要执行的任何分析自由选择其他研究类型。研究步骤序列可以有效地组织求解过程,从而使您可以选择要在每个研究步骤中求解的模型变量。在之前的任何研究步骤中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,其中可以包含模型中的一个或多个参数,涉及几何参数、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。

通过使用优化模块,您可以基于多物理场模型执行拓扑优化、形状优化或参数估计的优化研究。COMSOL Multiphysics® 提供无梯度和基于梯度优化算法。最小二乘法公式和一般优化问题公式可用于参数估计。此外,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

先进的数值方法实现精确求解

COMSOL Multiphysics® 软件中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。对于某些类型的问题,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,前者可用于求解中小型问题,而后者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),确保迭代求解过程稳定、快速地执行。

此外,不同的物理场接口还可以为求解器设置提供关于一系列问题的最佳默认设置的建议。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。在满足条件的情况下,求解器和其他计算密集型算法能够完全并行,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:
    • 有限元法
      • 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
    • 边界元法
    • 间断伽辽金法
  • 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、TFQMR
      • 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

最终建模结果的后处理工具

您可以向全世界展示您的仿真成果。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关注量的可视化效果。

可视化功能

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。您可以计算整个体、表面上、沿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特定工程和科学领域的专用后处理工具。

导出结果和生成其他软件格式的报告

您可以导出数据,并通过第三方工具进行处理。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)。图像不仅可以导出为多种常见的图像格式,还支持 glTF™ 文件格式,用于导出 3D 场景。动画可以导出为 WebM 格式和动画 GIF、Adobe® Flash® 技术或 AVI 文件。整个仿真项目的汇总报告可以导出为(.htm、.html)、Microsoft® Word® 文件格式(.doc)或 Microsoft® PowerPoint® 文件格式(.pptx)。

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

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