COMSOL Multiphysics

基本介紹

COMSOL Multiphysics®是多物理場仿真平臺的基本模塊，內置“模型開發器”、“App開發器”和“模型管理器”三個組件：“模型開發器”主要用于創建、求解仿真模型，分析結果數據等；“App開發器”用于定制開發仿真App；“模型管理器”主要用于管理包括仿真模型、輔助數據和仿真App的仿真數據。

作為業界領先的多物理場仿真平臺，COMSOL Multiphysics®提供了仿真單一物理場以及靈活耦合多個物理場的功能，供工程師和科研人員來精確分析各個工程領域的設備、工藝和流程。軟件內置的模型開發器包含完整的建模工作流程，可實現從幾何建模、材料參數和物理場設置，求解到結果處理的所有仿真步驟。

App開發器支持在已有仿真模型的基礎上，進一步定制開發用戶界面，將其轉換成直觀易用的仿真App，分享給合作者使用。模型管理器可對仿真模型進行版本管理，節省仿真數據的存儲空間，實現更便捷、高效的數據管理。

COMSOL產品庫中豐富的附加模塊均可與COMSOL Multiphysics®靈活地組合使用，正因為此，軟件可以在同一個用戶界面內，提供適用于不同工程領域的專業解決方案。

特色功能

幾何建模和CAD接口

操作、序列和選擇

COMSOL Multiphysics®基本模塊提供了豐富的幾何建模工具，支持通過生成實體對象、表面、曲線，以及布爾操作來創建復雜的幾何實體。幾何建模通過操作序列來定義，每個操作都包含輸入參數，方便在后續建模過程中執行編輯和參數掃描。幾何建模與后續物理場設置緊密相連，當模型幾何發生變化時，軟件會自動將相關變化傳遞到整個模型設置中，以確保模型的一致性。

用戶可以對域和表面等幾何實體進行分組，并在后續的物理場定義、網格劃分以及結果處理等操作中調用，以簡化操作。不僅如此，用戶還可以創建參數化幾何零件，并將其存儲到“零件庫”中，以便在多個模型中重復使用，進一步簡化模型開發過程。

導入、修復、特征去除和虛擬操作

借助于CAD導入模塊和ECAD導入模塊，用戶可以將各種標準的CAD和ECAD文件導入到COMSOL Multiphysics®軟件中。對于表面網格模型（如STL格式），COMSOL基本模塊不僅支持其導入，還可將其轉換為幾何實體對象。導入操作與幾何序列中的其他操作類似，您可以將其與選擇和關聯操作結合使用，以執行參數化和優化研究。

設計模塊進一步擴展了COMSOL Multiphysics®的幾何操作功能，提供幾何修復、特征去除等工具。COMSOL®還提供虛擬操作，可用于消除對提升仿真精度沒有幫助的幾何缺陷（如長條面、狹小面等）對網格的影響。與幾何修復相比，虛擬操作能夠在保持原幾何不變的情況下生成更優質的網格。

幾何建模功能

體素長方體、球體、圓錐環面、橢球、圓柱體、螺旋、金字塔、六面體參數化曲線、參數化曲面、多邊形、貝塞爾多邊形、插值曲線、點

拉伸、回轉、掃掠、放樣1

布爾操作：并集、交集、差集和分割

轉變：陣列、復制、鏡像、移動、旋轉和縮放

轉換：轉換為實體、曲面和曲線

抽取中面1、加厚1、拆分

倒斜角和倒圓角2

虛擬操作移除細節

忽略：頂點、邊和面

形成復合結構：邊、面、域

塌陷：邊、面

合并：頂點、邊

網格控制：頂點、邊、面、域

使用實體、曲面、曲線和點的混合建模

使用二維幾何建模的工作平面

通過附加的“CAD導入模塊”、“設計模塊”和CAD LiveLink?產品實現CAD導入和互操作

通過附加的“CAD導入模塊”、“設計模塊”和CAD LiveLink?產品實現CAD修復和特征去除端蓋面、刪除

圓角、短邊、長條面、小面、面、尖峰

分離面、接合至實體、修復

注意：

需要“設計模塊”

相應的三維操作需要“設計模塊”

豐富的預定義接口，支持基于物理場建模

COMSOL®軟件提供了一系列預定義的物理場接口，并且預置了一些常見的多物理場耦合，用于模擬各種物理現象。針對相關的科學或工程領域，每個物理場接口都提供了專門的設置選項。軟件還會根據選定的接口提供研究類型建議，如瞬態或穩態求解等。一旦選定研究類型，軟件會自動配置相應的數值離散方法、求解器序列、可視化和結果設置，這些設置也支持用戶修改。

COMSOL Multiphysics®平臺預置了大量的核心物理場接口，涉及電磁、力學、聲學、流體、傳熱、化學工程等諸多領域。COMSOL基本模塊可與產品庫中的附加模塊結合使用，提供一系列更專業、適用于特定工程領域的建模功能。

基于物理場建模功能

物理場接口

電流

靜電

固體和流體傳熱

焦耳熱

層流

壓力聲學

固體力學

稀物質傳遞

磁場，二維

特定于App的模塊包含許多附加的物理場接口

材料

各向同性和各向異性材料

不連續材料

空間變化的材料

時變材料

隨任意物理量變化的非線性材料屬性

基于方程建模，更加靈活的仿真工具

想要真正推動科研與工程創新，軟件僅提供一成不變的工作環境是遠遠不夠的。理想的仿真軟件應允許用戶在軟件界面中靈活地根據數學方程開發仿真模型。正是基于這一理念，COMSOL Multiphysics®支持用戶在軟件界面內，通過添加和定制表達式、方程等來描述各種物理現象。在生成數值模型之前，軟件自帶的方程編譯器可以實時編譯這些數學表達式，方便用戶設置和檢查。

基于“物理場開發器”，用戶還可以通過自定義方程來創建新的物理場接口，并在后續其他模型中輕松調用這些接口。

基于方程建模功能列表

偏微分方程（PDE）

弱形式偏微分方程

任意拉格朗日-歐拉（ALE）方法，可以用公式表示變形幾何和動網格問題

代數方程

常微分方程（ODE）

微分代數方程（DAE）

靈敏度分析（附加的優化模塊提供的優化功能）

曲線坐標計算

自動和手動網格劃分

基于不同的物理場和研究類型，COMSOL Multiphysics®軟件提供了多種數值技術，來進行網格劃分和數值離散化。主要的離散化方法基于有限元技術（有關方法的完整列表，請參見本頁的求解器一節）。軟件提供的通用網格算法可以為相應數值方法提供與之相匹配的網格模型。例如，對于某些問題，默認生成自由四面體網格，或使用四面體與邊界層網格相結合，以提供更快速、更準確的結果。

網格劃分功能列表

自由四面體網格劃分

含棱柱和六面體單元的掃掠網格

邊界層網格劃分

四面體、棱柱、金字塔和六面體體積單元

三維表面和二維模型的自由三角形網格劃分

三維表面和二維模型的映射和自由四邊形網格劃分

復制網格操作

虛擬幾何操作

域、邊界和邊的網格分割

用于外部生成網格的導入和編輯功能

研究步驟、參數研究和優化

研究或分析類型

在選擇物理場接口后，COMSOL Multiphysics®會提供多種研究（分析類型）建議。例如，對于固體力學分析，軟件會建議瞬態、穩態或特征頻率研究；對于CFD問題，軟件則提供瞬態或穩態研究選項。當然，用戶也可以根據需要選擇其他研究類型。研究步驟序列能夠有效地組織求解過程，并讓您可以選擇每個研究步驟中求解的模型變量。從之前的任何研究步驟中得到的解都可以用作后續研究步驟的輸入。

掃描、優化和估計

任何研究步驟都可以對模型中一個或多個參數進行參數化掃描計算，掃描的參數可以為幾何參數、物理場定義中的設置參數，也可以是不同的材料及其屬性，或者是預定義的函數。

結合優化模塊，用戶可以針對多物理場模型進行拓撲優化、形狀優化或參數估計的優化研究。COMSOL Multiphysics® 提供了無梯度和基于梯度的優化方法，支持用戶使用最小二乘法公式和一般優化問題公式進行參數估計。此外，軟件還提供內置的靈敏度研究，用于計算目標函數相對于模型中任意參數的靈敏度。

研究列表

穩態

瞬態

特征頻率

特征值

頻域

參數化掃描

函數掃描

材料掃描

靈敏度

模型降階

先進的數值方法，實現精確求解

COMSOL Multiphysics®軟件的方程編譯器為數值引擎提供了最佳動力，以實現穩態、瞬態、頻域和特征頻率研究的全耦合偏微分方程組的精確求解。軟件使用有限元法（FEM）對偏微分方程組在(x,y,z)空間變量上進行離散化處理；部分問題也可以基于邊界元法（BEM）進行空間離散化。對于同時與空間和時間相關的問題，則采用直線法，其中使用FEM（或BEM）對空間進行離散化，從而形成常微分方程組（ODE），然后使用包括時間步進的隱式和顯式方法在內的高級方法來求解這些常微分方程。

COMSOL Multiphysics®支持對非線性的瞬態和穩態問題的求解，離散化后也會形成非線性方程組。COMSOL Multiphysics®中的引擎提供全耦合的雅可比矩陣，用于指定非線性求解器進行求解。阻尼牛頓法用于求解穩態問題的非線性系統，或在時間步進過程中求解瞬態問題。牛頓法使用雅可比矩陣求解一系列線性方程組，得到非線性系統的解。

對于線性問題（也在非線性求解器步驟中求解，請參見上文），COMSOL®軟件提供直接求解器和迭代求解器。直接求解器適用于求解中小型問題，而迭代求解器適用于較大的線性系統。軟件提供了多種迭代求解器供選擇，并內置了先進的預條件器（如多重網格預條件器），以確保迭代求解過程穩定、快速地執行。

此外，不同的物理場接口針對求解的相應問題，為求解器提供了最佳默認設置。這些設置并不是固定不變的，您可以根據具體求解的問題，直接在用戶界面的每個求解器節點下更改和手動配置求解器的設置來調整求解性能。在滿足條件的情況下，求解器和其他計算密集型算法可以并行計算，實現多核和集群計算。共享內存和分布式內存方法都可用于直接和迭代求解器，并且適用于大型參數化掃描。求解過程中的所有步驟都可以使用并行計算來提高計算效率。

求解器列表

空間離散化：有限元法基于節點的拉格朗日單元和不同階次的巧湊邊點單元

旋度單元（也稱為矢量或邊單元）

用于對流占優問題和流體流動的Petrov-Galerkin和Galerkin最小二乘法

求解過程中的自適應網格和自動網格細化

邊界元法

間斷伽遼金法

時空離散化：直線法（空間 FEM 和 BEM）

常微分方程和微分代數方程時間步進求解器：用于剛性問題的隱式方法（BDF）

用于非剛性問題的顯式方法

非線性代數系統：阻尼牛頓法

雙折線法

線性代數系統：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、共軛梯度、TFQMR預條件器：SOR、雅可比、Vanka、SCGS、SOR Line/Gauge/Vector、幾何多重網格（GMG）、代數多重網格（AMG）、麥克斯韋輔助空間（AMS）、不完全 LU 分解、Krylov、域分解

所有預條件器都可以用作迭代求解器

附加產品中提供附加的離散化方法，包括粒子和射線追蹤方法

強大的可視化工具，直觀地展示仿真結果

COMSOL Multiphysics®提供了功能強大的可視化和結果處理工具，幫助用戶簡潔有效地呈現仿真結果。無論是使用軟件內置的工具還是通過輸入數學表達式，您都可以通過派生物理量來增強可視化效果。

豐富的可視化功能

軟件提供了全方位的可視化功能，包括表面圖、切面圖、等值面圖、截面圖、箭頭圖和流線圖等眾多繪圖類型，還提供了一系列數值后處理工具，用于計算各種表達式，例如積分和導數。用戶可以計算整個模型在體、表面、沿曲邊以及點上的任意物理量或派生物理量的最大值、最小值、平均值和積分值。許多附加模塊還額外提供了針對特定工程和科學領域的專用后處理工具。

導出結果和生成其他格式的報告

仿真數據支持導出，以通過第三方工具進行處理。數值計算結果可以導出為.txt、.dat和.csv格式的文本文件，也可以導出為非結構化的VTK格式，還可以通過LiveLink? for Excel®導出為 Microsoft Excel®電子表格文件格式（.xlsx）。圖像不僅可以導出為多種常見的圖像格式，還支持glTF?文件格式，用于導出3D場景。動畫可以導出為WebM格式、動畫GIF、Adobe Flash®技術或AVI文件。整個仿真項目的匯總報告可以導出為（.htm、.html）、Microsoft®Word®文件格式（.doc）或 Microsoft®PowerPoint®文件格式（.pptx）。

結果可視化功能列表

可視化表面圖

等值面圖

箭頭圖

切面圖

流線圖

云圖

后處理體、表面、邊和點上任意物理量的積分、平均值、最大值和最小值

定制數學表達式，包括場變量及其導數、空間坐標、時間和復值物理量

基于物理場的許多模塊都包含專用的后處理和計算技術

支持3Dconnexion SpaceMouse®設備

導入和導出文本

Microsoft Excel® .xlsx 格式

圖像

動畫

網格

CAD格式

等等