功能强大的多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics.pdf

中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co Ltd 全国统一客户服务热线 400 888 5100 网址 www CnT 邮箱 info 1 全球第一款真正的多物理场耦合分析软件全球第一款真正的多物理场耦合分析软件 COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件 它是以有限元法为基础 通过求解偏微分方 程 单场 或偏微分方程组 多场 来实现真实物理现象的仿真 被当今世界科学家称为 第一款真正的任 意多物理场直接耦合分析软件 用数学方法求解真实世界的物理现象 COMSOL Multiphysics 以高效的计 算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真 目前已经在声学 生物科学 化 学反应 弥散 电磁学 流体动力学 燃料电池 地球科学 热传导 微系统 微波工程 光学 光子学 多孔介质 量子力学 射频 半导体 结构力学 传动现象 波的传播等领域得到了广泛的应用 COMSOL Multiphysics 起源于 MATLAB 的 Toolbox 最初命名为 Toolbox 1 0 后来改名为 Femlab 1 0 FEM 为有限元 LAB 是取自于 Matlab 这个名字也一直沿用到 Femlab 3 1 从 2003 年 3 2a 版本开始 正式命名为 COMSOL Multiphysics 目前最新版本为 2008 年发布的 3 5a 到现在 COMSOL Multiphysics 已经成为一套很完善的通用数值分析软件 下图是软件的整体构架 COMSOL Multiphysics 软件设计理念独特 她抛弃了传统意义上的单元 库 的概念 抛弃了网格划 分时单个单元刚度矩阵的概念 将多个偏微分方程 组 直接组装成一个总的刚度矩阵 这样出现的结果 即是 不管求解多少个物理场 我们只需选择对应的偏微分方程进行任意组合 软件自动联立求解 实现 任意多物理场 直接 双向实时耦合 在全球各著名高校 COMSOL Multiphysics 已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工 具 在全球 500 强企业中 COMSOL Multiphysics 被视作提升核心竞争力 增强创新能力 加速研发的重 要工具 2006 年 COMSOL Multiphysics 再次被 NASA 技术杂志选为 本年度最佳上榜产品 NASA 技术杂 志主编点评到 当选为 NASA 科学家所选出的年度最佳 CAE 产品的优胜者 表明 COMSOL Multiphysics 是 对工程领域最有价值和意义的产品 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co Ltd 全国统一客户服务热线 400 888 5100 网址 www CnT 邮箱 info 2 COMSOL MULTIPHYSICS 软件体系软件体系 COMSOL Multiphysics 的界面操作环境内建前处理 求解和后处理功能 建模分析过程中的各个步骤 几何模型绘制 指定材料特性和边界条件 剖分网格 求解以及结果后处理 都变得非常的容易实现 基 于大量的预定义的应用模式 涵盖流体 传热 结构力学 电磁场 化学反应 地球科学及多场耦合模型 以及自定义偏微分方程 帮助用户十分迅速的建立分析模型 材料属性 载荷 边界条件可以定义为基于 独立变量的任意函数 专业模块 专业模块 COMSOL Multiphysics 是多场耦合计算领域的伟大创举 它基于完善的理论基础 整合丰富的算法 兼具功能性 灵活性和实用性于一体 并且可以通过附加专业的求解模块进行极为方便的应用拓展 低频电磁场模块 AC DC Module 声学模块 Acoustics Module 化学工程模块 Chemical Engineering Module 地球科学模块 Earth Science Module 热传导模块 Heat Transfer Module 微系统模块 MEMS Module 高频电磁场模块 RF Module 反应工程实验室 Reaction Engineering LAB 结构力学模块 Structural Mechanics Module 优化实验室 Optimization LAB CAD导入模块 CAD Import Module 材料库 Material Library 外部接口 外部接口 MATLAB和SIMULINK联合编程 EACD电子电路版图导入 MatWeb 材料库导入 Simpleware Mimics接口 SolidWorks Autodesk Inventor实时交互 SPICE PSPICE电路语言接口 系统平台 平台 操作系统 处理器 系统平台 平台 操作系统 处理器 Windows 2000 with Service Pack 4 或更新 Windows XP with Service Pack 2 或更新 32 bit windows Windows Vista Pentium 或更新 Windows XP Professional x64 Edition with Service Pack 2 或更新 64 bit windows Windows Vista AMD64 的 AMD 或 EM64T 的 Intel 32 bit Linux Linux 2 4 x kernel glibc 2 2 5 或更新 Pentium III 或更新 64 bit Linux Linux 2 4 x kernel glibc 2 3 2 或更新 AMD64 的 AMD 或 EM64T 的 Intel Itanium Linux 2 4 x kernel glibc 2 3 2 或更新 Itanium 2 Sun Solaris 8 9 10 UltraSPARC II 或更新 Mac Power PC Mac OS X 10 3 1 10 4 10 5 Power PC Mac Intel Mac OS X 10 4 8 10 5 Intel 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co Ltd 全国统一客户服务热线 400 888 5100 网址 www CnT 邮箱 info 3 COMSOL Multiphysics 特点特点 求解多场问题求解多场问题 求解方程组求解方程组 软件预先写好了对应各个领域的偏微分方程和方程组 并提供自定义偏 微分方程输入接口 用户只需选择或者自定义不同专业的偏微分方程进行任意组合便可轻松实现多物 理场的直接耦合分析 完全开放的架构完全开放的架构 用户可在图形界面 GUI 中轻松自由定义所需的专业偏微分方程 并提供 MATLAB 接口 与 MATLAB 进行混合编程 任意独立函数控制的求解参数任意独立函数控制的求解参数 材料属性 边界条件 载荷均支持参数控制 专业的计算模型库专业的计算模型库 内置各种常用的物理模型 用户可轻松选择并进行必要的修改 内嵌丰富的内嵌丰富的 CAD 建模工具建模工具 用户可直接在软件中进行二维和三维建模 全面的第三方全面的第三方 CAD 导入功能导入功能 支持当前主流 CAD 软件格式文件的导入 强大的网格剖分能力强大的网格剖分能力 支持多种网格剖份 支持移动网格功能 大规模计算能力大规模计算能力 具备 Linux Unix 和 Windows 系统下 64 位处理能力和并行计算功能 丰富的后处理功能丰富的后处理功能 可根据用户的需要进行各种数据 曲线 图片及动画的输出与分析 专业的在线帮助文档专业的在线帮助文档 用户可通过软件自带的操作手册轻松掌握软件的操作与应用 多国语言操作界面多国语言操作界面 易学易用 方便快捷的载荷条件 边界条件 求解参数设置界面 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co Ltd 全国统一客户服务热线 400 888 5100 网址 www CnT 邮箱 info 4 附 1 附 1 间接耦合与直接耦合结果对比 通过一个简单的模型来对比间接和直接耦合问题 的求解准确性 如右图中所示 一根 13 m 长 1 m 宽的金属 铜制电阻丝 其两端被固定在基座上并处于悬空状态 在电阻丝的两端施加 0 2V 电压时 电流产生热量导致 温度升高 温度升高将产生热变形 这是在微电子等 行业中经常会碰到的实际工程问题 主要关注电阻丝 的变形是不是符合装配以及安全方面的需求 本算例的特点在于 电流和温度属于强耦合问题 而应力场 应变 对电流以及温度分布几乎没有影响 它只受到热膨胀的影响 是一个单向耦合 这样可以更清晰的分析电热耦合问题 下图为此模型中用到的 物理方程和一些边界条件 图 2 铜丝的电阻率 是和温度 T 有关的函数 图 3 温度的计算公式 在电势差一定的情况下 电流和温度直接相关 在同样的网格 材料属性 边界条件下 分别对模型使用间接耦合和直接耦合的方法进行求解 除了 求解顺序之外 其他物理量均完全相同 这样可以非常清楚的了解间接耦合方法究竟有多大的精度损失 求解结果中首先来看电势分布 电势在右端面最大 为 0 2V 左端面接地 为 0 电势的分布基本不受温度和电阻变化的影响 两种 算法基本没有差别 图 4 网格划分 图 5 电势分布图 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co Ltd 全国统一客户服务热线 400 888 5100 网址 www CnT 邮箱 info 5 图 6 温度分布 间接耦合 图 7 温度分布 直接耦合 上面两图为使用两种不同算法进行计算得出的温度分布情况 其中最低 温基本相同 为 322 974K 和 322 972K 误差为 E 6 次方级 但是最高温度分 别为 1047 435K 和 815 96K 相差达到将近 30 原因何在 原因出在电场和温度场地强耦合问题上 图 2 中列出了电阻值 电导率 和温度的关系 可以看出电阻在不同的温度下的值变化非常大 但是间接耦 合却不考虑这一问题 使得计算电流比实际问题中的电流大很多 自然造成 了最终计算结果的误差 同样可知 温度计算的误差自然会导致变形计算的误差 在图 8 和图 9 中 可以看到这种结果 图 8 变形情况 间接耦合 图 9 变形情况 直接耦合 在间接耦合的结果中 最大位移 变形 达到了 8 797e 8 而直接耦合的最大位移只有 4 836e 8 相 差几乎一倍 在实际工程中的根据间接耦合结果的得出的结论为需要更换电导率更大 发热量更小 耐热 性更高的电阻丝 例如银导线 而根据直接耦合的结果 变形完全处于可以接受的范围 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co Ltd 全国统一客户服务热线 400 888 5100 网址 www CnT 邮箱 info 6 附 2 附 2 流体 热 结构耦合 在材料成型工艺中 常常使用滚轧或挤压的方式 在高温环境下将金属合金使用物理的方式加工出所 需要的形状 本案例中 金属 铝 被看成一种粘度很高的流体 使用非牛顿流体方程来描述 其中 流 体的粘度还随着流速和温度的变化而变化 流体与模具 钢 壁面之间的摩擦 作为系统的热源 使用广 义传热方程来描述热量在系统的传递 此模型的流体和传热属于强耦合关系 由于模型几何结构是轴对称 的 所以 仅需要取其中的四分之一部分进行计算即可 全模型的简化 COMSOL Multiphysics 在建立模型的过程中 首先选择研究问题所涉及到的偏微分方程 应用模式 然后分别对各个方程进行源项 初值 边界条件进行设定 本例选择的是结构分析 传热 非牛顿流三个 应用模式 如下图所示 对于结构分析 载荷主要来自热分析的热应力以及流体分析中的压力 对于传热分析 有如下设定 模具保持 450 恒温 环境温度保持 25 恒温 铝和钢之间存在热交换 传热系数为 11 N s mm K 系统与环境存在对流热交换 对流传热系数为 15 W m2 K 对于流体分析 流体以 0 5mm s 的速度流入 下图是模型的几何图形和网格质量 中仿科技公司中仿科技公司 CnTech Co Ltd 全国统一客户服务热线 400 888 5100 网址 www CnT 邮箱 info 7 四分之一的几何模型以及网格划分情况 该模型经过简化 四分之一的模型具有 124132 个单元 包括 120628 个六面体单元和 3504 个四面体单 元 三个物理场的耦合具有 651441 个自由度 在 Windows Vista 2 6 GHz AMD Athlon X2 Dual Core 500 CPU 2GB 内存的平台上运行 2