comsol43中文使用手册.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 COMSOL Multiphysics 产品理念产品理念 捕捉灵感捕捉灵感 在当今快节奏的研发文化当中 强大的仿真技术已经被公认为是提高竞争力的关键因素之一 工程师需要仿真 技术帮助他们精确的分析产品设计中多方面的关键因素 并且给出优化的设计建议 COMSOL Multiphysics 正是他们 的理想选择 在仿真中可以综合考虑现实世界中存在的多方面的影响因素 这是 COMSOL Multiphysics 最突出的本 领 而且几乎没有其他产品能与它比肩 这种分析功能 现在已经得到了广泛的关注 人们喜欢称呼它为 多物理 场仿真分析 多物理场仿真分析提供的数值结果贴近实际 大大节省了研发时间 也有助于激发工程创新 COMSOL Multiphysics 现在把多物理仿真分析技术 以非常友好 简单 直观的方式 呈现在各位面前 让工程师 设计师 分析师 科研人员都能从中受益 仿真引导设计仿真引导设计 现代企业越来越接受 用仿真引导设计 的理念 仿真的价值不仅仅是验证设计的有效性 现在更多的是把仿 真技术用来探索开发那些新颖的 极富创新性的设计思路 这些创新思路可能包含多样化的概念和理念 工程师们 喜欢问自己 如果使用这种材料会怎么样 如果使用那种生产技术会不会更好 要想鼓励这些创新思路 并让这些 如果 会怎样 的问题都找到答案 企业所考虑的就是提供合适的工具 让工程师能够快速产生并测试他们的新点子 这就是 COMSOL Multiphysics 所提供的 简单的 高度集成的数值解 决方案 涵盖广阔的应用领域和行业 COMSOL Multiphysics提供了一个非常棒的平台 我们在一个使用很有好的建模环境中可以检查系统中的所有物理 效应的影响 并且在样机试验阶段之前 就获得了经过优化的系统操作建议 直接指导样机的生产和测试 Karl Anders Weiss Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems Freiburg Germany 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 精确描述真实世界精确描述真实世界 COMSOL 成立之初 一切的源动力就在于强调多物理仿真的重要性 只有从多物理的角度看待问题 仿真技术 才能保证数值结果的准确性 也就是与真实世界的一致性 工程师根据自己的经验 认为一些物理过程或许可以忽 略 或许另外的一些物理过程必须同时考虑 他们可以用多物理仿真的思想验证它 并且获得准确的结果 这就是 对真实世界的精确描述 COMSOL Mutliphysics 基于第一性原理而构建 以诸如物质运移 电磁场理论 结构力学原理等基本方程为基石 精心设计了方便灵活的用户界面 用户可以在实用而且简单的图形化界面 GUI 中 将这些基石任意组合 搭建 起自己的 大厦 满足自己的仿真需求 最终 用户获得了一个可以信赖的模型 因为这里面所有的物理过程的 考虑都是用户控制的 没有黑盒子 没有莫名其妙的数据 COMSOL 采用业界标准的求解器 并且会自动探测模型的数学特征 选取适合的求解器来求解方程矩阵 精心 设计的网格剖分算法使网格剖分也是一个自动完成的过程 COMSOL 还提供了大量的实用工具 比如多参数扫略 交互式网格剖分界面 自定义求解器工作序列等等 关于模型和材料属性也可以方便的调整和定义 所有这一切 构建了一个从建模到求解的完整平台 每个环节都向用户开放 几乎所有细节都可以控制 帮助 用户获得精确描述真实世界的数值模型 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 目录目录 COMSOL Multiphysics 产品理念产品理念 1 捕捉灵感 1 仿真引导设计 1 精确描述真实世界 2 COMSOL Multiphysics 5 特征亮点 5 高度集成 6 结构化布局 6 一切尽在掌握 7 电分析电分析 8 AC DC 模块 8 应用领域 9 RF 模块 10 应用领域 11 MEMS 模块 12 应用领域 13 等离子体模块 14 应用领域 15 力学与传热分析力学与传热分析 16 传热模块 16 应用领域 18 结构力学模块 19 应用领域 20 非线性力学模块 21 超弹性材料模型 21 使用不同强化模型的小变形和大变形的可塑性材料模型 21 蠕变和粘弹性材料模型 21 岩土力学模块 22 土体材料本构模型 22 岩体和混凝土材料本构模型 22 应用领域 23 声学模块 24 应用领域 26 流动分析流动分析 27 CFD 模块 27 应用领域 28 微流模块 29 应用领域 30 多孔介质流模块 31 应用领域 32 管道流模块 33 应用领域 33 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 化学分析化学分析 34 化学反应工程模块 34 应用领域 35 电池与燃料电池模块 36 应用领域 36 电镀模块 37 应用领域 38 化学腐蚀模块 39 应用领域 39 多功能辅助分析多功能辅助分析 40 优化模块 40 材料库 40 材料库提供的材料类型 41 粒子追踪模块 42 应用领域 43 CAD 接口与同步接口与同步链链接接 44 CAD 导入模块 44 CAD导入模块支持的文件格式 44 SolidWorks 同步链接模块 45 SpaceClaim 同步链接模块 45 Pro ENGINEER 同步链接模块 46 Creo Parametric 同步链接模块 47 Inventor 同步链接模块 47 AutoCAD 同步链接模块 48 二次开发接口二次开发接口 49 MATLAB 实时链接 49 典型的应用 49 使用使用 COMSOL COMSOL 得到更多提升得到更多提升 50 软件升级服务 50 快速响应的技术支持服务 50 连续的培训服务 50 在线技术社区 50 用户技术大会 50 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 COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics 是一款高度集成的大型工程模拟软件 提供几何结构创建 网格剖分 物理过程定义 计算求解 数据可视化及后处理等功能 工程师可以利用 COMSOL Multiphysics 软件完成仿真模拟工作的整个流 程 COMSOL Multiphysics 提供大量的预定义物理接口 称为 模块 这些模块涵盖了流动分析 力学分析和热 分析 电分析 化学工程分析等各种工程领域 方便工程师快速建立仿真模型 材料属性 源项 各种边界的设定 都可以使用任意类型的函数 这些函数可以时变 也可以空间分布不均匀 可以使用独立变量作为自变量 也可以 直接使用求解变量本身作为自变量 用户可以把这些模当作 积木 任意组合成实用的多物理场仿真应用模式 热应力分析 喷气式引擎的涡轮级中的定子叶片 被燃烧的气体所加热 温度梯度分布会造成明显 的应力分布 为了防止定子融化 定子叶片中埋 设有冷却管道 使用空气流动散热 图示是上述 过程中叶片和管道内空气的温度分布 COMSOL Multiphysics 还为很多典型的工程多物理应用提供了预定义的应用模式 工程师可以选择这些预定义 的应用模式快速建模 工程师也可以选择使用各个物理接口自主完成多物理场的耦合模型分析 这种方式更加灵活 方便 尤其在处理复杂多物理场耦合分析问题时优势明显 COMSOL Multiphysics 还支持用户自定义偏微分方程组 PDEs 求解 这些自定义的偏微分方程组可以与其它模块自由耦合 工程用户经常会选择使用 CAD 导入模块以及各种同步链接模块 这时 COMSOL Multiphyscis 可以直接对复杂 CAD 模型展开工程仿真模拟 直接为工业设计提供支持 摩擦焊接工艺是利用摩擦产生的热量将焊料融化 摩擦区域外温度降低焊料凝固 从而将两种金属焊接在一起 图示为摩擦焊接过程中工件的温度场分析 特征亮点 WE LDIN G Friction stir welding is a solid phase welding process which was developed and patented by The W elding Institute in the 1990s Since its invention the pr ocess has receiv ed worldwide attention and toda y many companies are using the technology in production particularly f or joining aluminum allo ys This model sho ws temperatur e distribution in a model that couples uid with friction and heat transport The gra ph sho ws the har dness factors in the weld as calculated from the model ELECTR O N ICS Model pr edicting a copper line intercon nect failure Model r esults show vacancy concentrations and the resulting von Mises str esses these produce The gra ph sho ws the e volution of the vacancy accumulation over time wher e peaks occur near the via and at the grain boundaries M odel court esy of F Cacho and V Fi ori STM i cr oel ect r oni cs Cr ol l es Fr ance M odel court esy of Dr Paul Col egr ove Cr an el d Uni versi t y Cr an el d Uni t ed Ki ngdom Pi ct ur es court esy of The W el di ng I nst i t ut e TW I Cam bri dge Uni t ed Ki ngdom 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 参数化几何建模 自动网格剖分 扫略网格剖分 边界层网格剖分 支持导入其他前处理软件做好的网格 支持线性 高阶有限元 使用业内最先进技术支持多核计算 强大的后处理和数据可视化 粒子追踪 流线 探针视图 动画 图片 数据导出 边界积分 体积分计算 快速傅立叶分析 FFT 1D 2D 3D 数据表单的导入和插值 自定义偏微分方程和常微分方程 涵盖各行各业应用的预定义物理接口 移动网格技术 变形网格技术 跨维度模型耦合分析 1D 2D 3D 支持用户自定义线性或者非线性材料 空间相关或者时间相关的函数自定义 可用于各种物理属性或边界设定 高高度集成度集成 我们认为一款仿真软件能够称为 实用 必然是它用起来很直接 不需要用户有什么操作经验的前提就能快 速上手 另一方面 软件功能要足够强大并且具有一定的 建设性 从而用户能够满足自己的仿真需求 从以上 两个目的出发 我们设计了高度集成的 COMSOL Desktop 在这个友好的界面中 用户可以查看并且控制仿真过程中的方方面面 而且界面的组织方式也显示了 COMSOL Multiphysics 的架构 建模流程高度集成而且非常直观 引导着用户快速完成仿真分析 对于各种物理过程的模拟 COMSOL Desktop 保持统一的风格和操作体验 用户会在不知不觉中发现已经可以从容处理各种多物理场仿真问题 结构化布局结构化布局 在 COMSOL 中建立仿真模型的流程与用户的思考过程是一致的 从概念设计到物理实现 我们使用 模型树 来控制整个建模流程 这是一个动态的 而且逻辑性很强的控制工具 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 模型的创建过程 沿着模型树的节电和分支进行即可 定义可能用到的参数 然后创建几何结构 指定材料属 性和物理实际 自动处理网格并求解 最后在后处理中完成数据的访问和可视化 在建模的过程中 用户的每个操 作就是在模型树上添加编辑一个又一个节点 模型完成的时候 你会发现模型树本身就是一个详细的应用模型描述 一切尽在掌握一切尽在掌握 模型树最大的意义在于 节点就在那里 不管用户在什么时候创建了这个操作 都可以随时回来查看它 编辑 它 任何一个节点的改变 软件都会自动更新相关的设定 用户不必为此分心 这个特性意味着用户可以在仿真分 析的过程中随时暂停 修改 优化某些设置 然后继续仿真分析 这是很有用的功能 软件还允许用户把某些节点 序列保存下来 这样就相当于记录了建模的详细过程 非常便于与其他工程人员分享 总之 模型树的本质是一个强大的图形化仿真控制界面 用户可以方便地进行参数化分析 优化 自定义仿真 步骤 路线等 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 8 电分析电分析 AC DC 模块模块 AC DC 模块主要用于仿真电容器件 电感器件 电机系统以及传感器 总的来说 这些器件的仿真分析都属于 电磁场分析类型 但是实际上这些器件的工作会受到其他各种物理场的影响 比如 热效应可能会带来很多材料的 电性参数发生变化 所以要考虑电磁场分析就必须同时考虑电热效应 这在变压器设计中很常见 在电机工程中也 很典型 再比如 发电机中常见的机电挠度和振动分析也必须同时考虑 AC DC 模块的功能包括静电场分析 静磁场分析 动态电磁场分析 可以输出各种相关的场变量 并且可以和 其他物理模块自由耦合 有时工程师需要把电器件放在一个大系统中加以考虑 AC DC 模块为此提供了对 SPICE 电 路网表的支持 工程师可以使用这个 SPICE 电路接口为仿真的电器件添加外围电路并联合仿真 这就是常说的场路 耦合分析功能 医疗技术 图示是一台 X 射线装置中的高压源的电磁场仿真分析 本模型来 自瑞典的 Comet AG 公司 感应加热 在复合材料成型工艺中 经常使用电磁感应加热的方式将材料加 温 然后在材料软化后使用冲压复合 图示了感应加热装置的磁通量分布 流 线 和温度分布 颜色 发电机电磁场仿真 发电机的转子经常含有碳钢的成份 这是一种存在磁通 饱和现象的高非线性铁磁材料 图示为电机的电磁场分析 利用 3D 旋转机械接口模拟的无刷直流发动机 图示信息包括 磁场 线圈电 流 轴向转矩和旋转角 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 9 应用领域应用领域 AC DC 电流与场分布 生物热效应 线圈和电磁铁 与 SPICE 的场路耦合仿真 接触阻抗分析 电磁兼容分析 EMC 和信号完整性分析 EMI 电磁力和转矩分析 电磁屏蔽 电动机械变形 绝缘隔离器 电容器分析 电机 发电机 各种电动机械分析 非线性材料 寄生电容分析 寄生电感分析 永磁铁和电磁场计算 阻抗加热和感应加热 传感器 变压器和电感器设计 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 10 RF 模块模块 射频 微波与光频波段的电磁仿真通常要考虑电磁波的传播问题 涉及到的结构可能含有金属介质 绝缘介质 旋磁材料 或者是超材料 metamaterial RF 模块正是为了满足此类需求而设计 RF 模块提供了一系列实用的边 界条件 比如端口 散射边界 完美匹配层 PML 周期性边界 阻抗边界 过渡性边界等 另外也支持复数定 义 空间不均匀 各向异性的材料模型 并且匹配有优选的求解器 得益于这些实用的功能 用户可以方便的模拟 各种天线 波导以及其他微波 光波器件 RF 模块提供了 S 参数计算功能和远场分析功能 并且支持与其他任何物理场的耦合分析 比如微波热效应 应 力分布与变形分析等 矿物处理 矿石中的矿物质颗粒 在微波辐照下会被加热 热量使矿物颗粒膨胀 然后从附着的岩石上脱落下来 这种提纯矿物质的方法与传统的碾碎岩石 然 后区分矿物的方法相比 可以大大节省能源 图示的模型来自英国的 e2v 公司 电磁波在立方米量级的腔体内传播 同时又求解几十个微米量级上的颗粒的热效 应 这是跨尺度模拟的典型案例 天线罩设计 天线设计中天线罩是很重要的部件 可以用来降低天线的损耗和并改善辐射特性 图示为贴片天线罩表面的电流密度分布 贴片天线衬底的电势分 布 天线罩内部的电场分布 图中左下角是天线的远场辐射图样 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 11 圆柱型倏逝波模式谐振腔滤波器 通过在谐振腔内设法引起不连续 倏逝波模式谐振滤波器的共振频率可以基模的频率还要低 本例计算了电场分布以及 S 参数 清楚地显示了这种不连续 而且证明腔内的绝缘柱不会造成信号质量的下降 表面等离子激元 SPP 波导分析 SPP 光波导是近年来学术界关注的热点之 一 光场在以金属为代表的损耗介质表面以倏逝波的模式传播 光场可以局 限在很小的空间内 在光子集成领域很有吸引力 不过 SPP 波导的损耗很大 上图就是一种在金层上方使用硅波导 从而降低传输损耗的典型应用 天线设计 在天线设计中 微波发射装置辐射的电磁波可能含有很多频率 尤其是功放的输出 通常会产生谐波 微波滤波器用来过滤掉不需要的频率 保证天线辐射出的频率满足要求 当功率载荷较大而且环境条件不利于散热 的时候 滤波器热膨胀而造成的频谱通带漂移估计就很关键了 图示是一个 演示模型 热膨胀造成中心圆柱的位置变动 从而影响整个结构的微波响应 应用领域应用领域 天线 波导 谐振腔设计 Bloch Floquet 周期性阵列 结构的仿真 电磁波循环器 定向耦合器 高速互联装置 超材料 Metamaterials 微波与射频加热 生物热 微波器件 微波烧结 微波测井 等离子激元 谐振线圈设计 散射场分析 RCS 计算 天线的 S 参数分析 天线和波导的热 结构耦合分析 手机辐射对组织的影响 SAR 传输线分析 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 12 MEMS 模块模块 微机电系统的设计与仿真是一个很独特的领域 在微小尺度下 谐振腔 陀螺仪 执行器等等器件的设计都需 要考虑多种物理影响 而且 MEMS 器件也会利用一些多物理现象来实现某些功能或者提高灵敏度 这在传感器设计 中很常见 从以上实际出发 MEMS 模块主要提供电磁 结构耦合分析 热 结构耦合分析 流固耦合分析这些用 户接口 用户在模型中考虑各种阻尼现象 比如薄膜气体阻尼 弹性材料和压电材料的各向异性损耗因子 锚定阻 尼等 对于弹性振动和弹性波 我们在频域分析模式提供完美匹配层 PML 边界 在时域分析模式提供静音边界 来实现弹性波的完全吸收 模拟无限大区域 我们提供业内最好的压电器件仿真分析工具 在 MEMS 模块中压电材料 一般电性绝缘材料 一般弹性材料 可以任意复合成所需要的结构 软件都可以处理 并且可以方便的进行稳态响应分析 瞬态响应分析 频域响应分 析 特征频率分析 模态分析 参数扫略分析等等 软件还可以直接计算器件的集总电容 阻抗 并且可以通过 SPICE 电路接口与外围电路联合仿真 MEMS 模块可以与 COMSOL Multiphysics 其他模块自由耦合 从而可以解决所有微尺 度下的机械力学问题 压电谐振器 图示是压电装置驱动的单晶硅片的本征模态分析 模型来自芬兰 VTT Microtechnologies and Sensors 公司 加速度计 挤压膜气体阻尼效应对于所有 MEMS 换能器 执行器或者加速度 计的设计都很重要 这些器件都要探测惯性引起的运动 而这种运动会造成 气隙的减小 气体压力增大会抵消一部分运动 这就给传感带来了误差 仿 真分析主要用来评估这项影响 电梯按钮 在很多需要把应力与电信号相互转换的应用中 压电或压阻材料 是首选的解决方案 电梯按钮就是常见的例子 压阻材料在机械力的作用下 会改变自身的电阻率 压电材料则会在机械力的作用下产生电荷分布 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 13 MEMS 电梳 插齿结构是很常见的 MEMS 静电驱动器结构 器件的电容与位 移之间 通过静电力相互联系 图示是一个压阻式压力传感器的模拟 显示了当一个四终端压电电阻器中嵌 入的薄膜由于外加应力产生变形而引起的应力诱导电势差 应用领域应用领域 加速度计 执行器 固体声波器件 悬臂梁和其它开关 流固耦合 霍尔传感器 MEMS 谐振器 MEMS 陀螺仪 MEMS 电容器 MEMS 热传感器 压电器件 压阻器件 射频 MEMS 器件 传感器 结构接触与摩擦 声表面波 SAW 器件 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 14 等离子体模块等离子体模块 低温等离子体的仿真涉及的物理过程相当复杂 它融合了流体力学 化学反应工程 物理动力学 热量传递 质量运移 电磁学等众多学科 等离子体模块是专门处理非平衡放电过程模拟的工具 这种放电有很广泛的用途 等离子体模块内建了多个预定义的用户接口 可以仿真常见的等离子体反应器类型 包括感应耦合等离子体 Inductively Coupled Plasmas ICP 直流放电 DC Discharges 微波泵浦放电 Microwave Plasmas 电容耦合等离子体 Capacitively Coupled Plasmas CCP 如果能够模拟等离子体和外部电路的相互作用 那对于全面分析放电特性是非常有意义的 等离子体模块不仅 提供了相应的工具 可以直接添加电路元件到 1D 2D 或者 3D 的 COMSOL 模型中 也支持直接导入一个已经做好 的 SPICE 电气连接表 netlist 到模型中 在等离子体化学方面 用户可以从文件导入气体碰撞横截面的数据 然后模 拟化学反应 也可以直接在模型中添加化学反应式以及相应的物质种类 从而完成直接建模求解 至于等离子体物 理本身那些错综复杂的多物理场之间的耦合 不用担心 等离子体模块会自动处理并给出最终结果 总的来说 等离子体模块专为关心等离子体科学的科研人员 工程师 试验专家而设计 模块提供了大量的教 学模型和工业应用算例 用户可以在这些模型中获得宝贵的等离子体化学反应的数据并且方便的开展后续工作 感应耦合放电 3D 仿真 低压稀薄气体在反应器中流动 感应放电 微波等离子体 十字型的反应器 微波从上方边界入射 然后被等离子体所 吸收 这是很典型的微波与等离子体的相互作用 介质阻挡放电 两个绝缘介质板平行放置形成狭窄的缝隙 内充工作气体 一般采用标准大气压 介质板上施加高电压 游离电子加速 撞击气体从而引起电离 图示是 Ar 气介质阻挡放电过程中被电子激发的 Ar 原子的密度分布 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 15 等离子模块中的 PEVCD 模拟 显示了等离子体的磁场密度和硅的生长厚度 感应耦合放电分析 标准大气压下 电子与中性粒子充分碰撞交换动能 电 子温度与气体温度基本相等 这就是热等离子体 图示是标准大气压下的空 气在感应线圈作用下放电形成热等离子体的气体温度分布 应用领域应用领域 容性耦合等离子体 感应耦合等离子体 微波等离子体 直流放电 介质阻挡放电 化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积 ECR 源 Electron Cyclotron Resonance Source 等离子源 离子源 蚀刻技术 半导体工艺 有毒气体处理 材料处理 等离子体化学 等离子体显示 等离子体推进 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 16 力学与传热分析力学与传热分析 传热模块传热模块 几乎所有的生产过程和产品的设计都必须要考虑到热效应的影响 传热模块就是一个专门处理热传导 热对流 热辐射任意组合的传热问题的工具 在 COMSOL Multiphysics 中 传热模块也可以把这些热分析与其它任何物理场 分析进行耦合 传热模块内建了很多预定义的物理接口 适用于处理用户通常都会关心的传热问题模拟 比如自然对流模拟 强制对流模拟 工艺流程设计 相转变分析 辐射传热 透明介质或者半透明参与介质都可以处理 以及这些传 热方式任意组合成的复杂传热分析 对于活体生物组织的热分析 也设定了专门的物理接口 因为活体生物的传热 要比一般传热考虑更多的源项和对流 比如新陈代谢热和血流影响等等 为了方便用户处理各种工况 传热模块提 供了丰富的边界条件 包括专门用于描述对流换热或者辐射的边界 接触热阻抗边界 专门处理高导热率的薄壳 也 支持任意多层复合壳 用户可以利用这些边界实现各种的工况 既可以使用已有的工程经验来定义等效的热交换 热通量边界 也可以从材料和物理的角度 仔细的描述边界的物理细节 由于几乎所有材料的特性都与温度相关 所以用户可以方便的将传热分析与其它任意物理场模型耦合起来 COMSOL Multiphysics 也支持其它物理场产生的热源耦合到传热模型中来进行综合分析 温度传感器的 X 射线结构图和它的热分析模型 仿真分析用来检查包裹传感 元件的罩子的不同结构对罩内温度分布的影响 从而帮助设计最优的保护罩 结构 汽车制动盘的热产生与耗散分析 一辆自重 1800 kg 的汽车以 25 m s 90 km h 的速度行驶 司机踩下刹车强力制动 汽车的八个刹车盘使汽车以 10 m s2 的 加速度减速 制动时间持续 2 s 后司机松开刹车 汽车以 5 m s 的速度继续行 驶 8 s 本模型分析制动过程中刹车盘温度剧烈上升 以及松开刹车后的热量 消散过程 帮助工程师优化设计刹车盘 以减缓刹车盘性能的热衰退 提高 安全系数 图示是司机即将结束刹车制动时 1 8 s 的刹车盘温度分布 流体的法兰冷却 在化工应用中 经常使用玻璃法兰来冷却反应流体 高温流体从法兰中经过 而法兰表面绝大多数是采用空气作为冷却剂 从冷却法兰的设计 角度 一般关心冷却功率和法兰的表面温度 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 17 传热模块内建了关于太阳位置自动计算的功能 这是一个 3D 下的外部辐射源 设置选项 在所有热传模块的应用接口中都可用 此外部辐射源也可以考虑 表面对表面的辐射特性设置 此选项为用户提供了一个定义不同时期来自太 阳入射到地球的入射辐射方向和强度的便捷功能 图示是具有两层结构建筑 在一天中不同时间的等温线分布 采用了太阳辐照位置选项设定辐射源 集成电路板的设计中 各种贴片元器件的布局非常讲究 要考虑电磁兼容和 散热 尤其是一些功率较大的元器件 热量更是可观 散热不良可能会导致 器件自我保护 甚至会造成焊点的融化 蠕变 脱落 所以散热一直是电子 设备设计中最重要的方面 图示是电路板局部的温度分布模拟 风冷散热 铝制散热片是常用的电子器件散热装置 在强制对流的作用下 将热量从芯片带走 电气系统中 很多部件放在一起 散热也是一个重要问题 图示是一个安装 在圆柱形盒子内的功率电感 盒子上端开口进气但下端封闭 为了托住内部 的部件 为了散热 在圆柱面的偏下方位置设置了出气孔 这种设计在家 电行业非常常见 图示是这个结构在上端进气情况下的热分析 由于温度较 高 此模拟同时考虑了辐射传热 人造卫星的太阳能电池板功率分析 这是最典型的热辐射分析 卫星在轨道 上运行 其姿态和轨道参数都会影响外部辐射源的角度 同时也可能会受到 遮挡 借助与辐射传热分析和太阳位置数据 工程师就可以获得卫星表面的 温度分布 根据辐照强度和温度 太阳能电池板的输出功率就很容易估计了 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 18 生物热分析 活体组织的传热本质也是对流传热的过程 不过由于活体组织 存在新陈代谢和血液流动 所以其热源和对流分析稍微复杂一些 另外活体 组织各部分的热性能参数也有较大区别 传热模块的生物热分析功能专门解 决生物热问题而设计 图示是人体头部在接听移动电话几分钟后的SAR分析 金属加工 图示是金属棒连铸过程的模拟 这是一个典型的含有相变的传热 分析 包括了液态金属的流动与对流传热 相变过程的模拟并考虑相变对流 动和传热的影响 以及固态传热分析 应用领域应用领域 生物热处理及热疗 铸造和热处理过程 共轭传热 刹车盘 排气管 电子电器系统及电源的对流冷却 烘干和冷冻干燥 食品加工 烹饪和杀菌 搅拌摩擦焊 熔炉设计 热量与湿度运移 热交换器与冷却法兰 热辐射 多孔介质中的传热问题 激光焊接与激光加热 材料热处理 电阻热和感应热 凝固 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 19 结构力学模块结构力学模块 结构力学模块专门处理线性与非线性的力学分析问题 求解结构的应力和应变 屈服 动态响应等等 结构力 学模块支持的材料模型包括超弹性材料 弹塑性材料 粘弹性材料 压电材料等 并且可以方便的与几何非线性 大 变形 和结构接触 摩擦 同时考虑 对于热与结构的相互作用问题 提供了专门的热应力模型 焦耳热应力模型 粘弹性热蠕变模型 对于传统的结构力学问题常见的杆分析 梁分析 板分析和薄壳结构 也提供了专门的定义选 项 方便用户使用 结构力学模块还有两个选配的专业模块 非线性力学模块 岩土力学模块 非线性力学模块提供了大量的非线 性材料的本构模型 而岩土力学模块则提供了众多岩体本构和土体本构 结构力学分析模块 非线性力学模块和岩 土力学模块一起 为用户提供了最完善的非线性力学分析工具 在结构力学模块中 还支持用户通过直接定义偏微分方程来自定义各种材料本构关系或者边界条件 这是非常 实用的功能 对于用户定义各种多物理过程也很方便 比如应力应变会影响其他物理过程 或者其他物理过程会影 响应力应变分布 不论何种情况 可以自定义边界和材料的话 这都不是问题 对于常用的多物理耦合 比如流固耦合和电动机械 软件提供了专门的分析模型 这些耦合过程往往会发生大 变形造成求解域几何显著变化和网格的变化 有了专门的用户接口 此类分析工作就会变的容易许多 结构力学模块支持的分析类型很多 比如静力学分析 动力学分析 特征频率分析 模态分析 参量分析 瞬 态分析和频域响应分析 预应力分析 屈服分析等 连续等速万向节中的球轴承 保持架 橡胶风圈在工作状态下的 Mises 应力分布和形变情况模拟 模型由意大利 Metelli S p A 公司提供 太阳能电池板在风载荷下的力学分析 左图显示了风在电池板表面形成的载荷分布 右图是支撑电池板的结构的应力分析 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 20 桁架结构的线性屈曲分析 工程中常用结构用于桥梁 工程机械等 图示是 在载荷作用下的线性屈曲分析 使用多层壳体功能模拟橡胶球的膨胀 橡胶球的材料是四种超弹性材料复合 在一起形成的复合材料 每层薄壳分别用 eo Hookean Mooney Rivlin Ogden 以及 Varga 超弹性模型来描述 多层壳功能是非常实用的功能 用途非常广泛 流固耦合分析 弹性障碍物在流体的粘滞力和压力的作用下发行弯曲形变 由于弯曲量较大 所以流体流动也受到显著的影响 从而对弹性物体的压力发生变化 这种动态的过程表现为当流速恒定的情况下 弹性体在流体中也会来回摆动一段时间才能达到力平衡的稳定状态 应用领域应用领域 屈曲分析和过屈曲分析 转子动力学 蠕变分析 结构接触与摩擦 结构振动 压电材料分析 弹塑性材料 超弹性材料 粘弹性材料 粘塑性材料 大变形分析 模态分析 预应力结构 热应力 流固耦合 岩土力学分析 生物力学 应力光学 润滑与流体弹性动力学 需要非线性力学模块的支持 需要岩土力学模块的支持 需要 CFD 模块的支持 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 21 非线性力学模块非线性力学模块 非线性力学模块是一个附加性功能增强模块 它必须与结构力学模块或者 MEMS 模块一起使用 非线性力学模 块内含众多非线性材料本构模型 使得结构力学和 MEMS 模块的功能大大增强 可以方便的处理结构大变形或者高 温工艺条件下 材料的高非线性行为 非线性力学模块添加了很多实用的弹塑性 粘弹性 蠕变 超塑性材料模型 另外用户自定义材料本构模型的 功能也大大增强 用户可以使用应变不变 流动法则 蠕变法则 来自定义材料模型 弹塑性管子挤压扁平的大变形分析 使用弹塑性材料模型 大变形经典标准测试模型 一个圆形棒用于单向拉伸测试 在棒的中央截面 区域经历了大尺寸颈缩和塑性变形 此模拟使用了非线性结构材料力学模块 中的大变形塑性选项来进行 并且使用了强大的双折线非线性求解器 超弹性材料模型超弹性材料模型 Arruda Boyce Mooney Rivlin 二参数 五参数 九参数 Murnaghan Neo Hookean Ogden St Venant Kirchhoff 使用应变不变法则的用户自定义材料模型 使用不同强化模型的小变形和大变形的可塑性材料模型使用不同强化模型的小变形和大变形的可塑性材料模型 各向同性强化 随动强化 理想塑性强化模型 大变形塑性材料 弹性与超弹性材料 Orthotropic Hill 塑性 Tresca 和 von Mises 屈服准则 基于流动法则的用户自定义材料 蠕变和粘弹性材料模型蠕变和粘弹性材料模型 Anand Coble Deviatoric Garofalo Nabarro Herring Norton Norton Bailey Potential Volumetric Weertman 用户自定义材料 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 22 岩土力学模块岩土力学模块 岩土力学模块是一个附加性功能增强模块 它必须与结构力学模块一起使用 提供给用户处理岩土工程实际问 题的功能 比如隧道 开挖 边坡稳定性 挡土结构等 岩土力学模块提供了专门分析岩体和土体的塑形 变形 失效的应用接口 并且可以考虑岩体土体与混凝土以及其他人工建筑结构的相互作用问题 如果与多孔介质流模块配合使用 还可以解决岩土工程中常见的多孔介质流动与溶质运移分析 孔隙弹性问题和固 结问题 在粘土层结构中建立长期稳定的建筑结构是工程中常见的难题 在公路或者铁路建设中 通常使用石灰水泥柱桩基来作为支撑 图中展示了水泥柱轴向上的压力 分布以及整个土体的变形情况 用来评估支撑结构的有效性和可靠性 土体材料本构模型土体材料本构模型 Cam Clay Drucker Prager Mohr Coulomb Matsuoka Nakai Lade Duncan 用户自定义塑形材料 岩体和混凝土材料本构岩体和混凝土材料本构模型模型 Willam Warnke Bresler Pister Ottosen Hoek Brown 用户自定义材料 在拉力破坏过程中 混凝土梁将力传递到钢筋上的情况 图示是混凝土 Mises 应力分布和钢筋的轴向应力分布 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 23 地层表面浅粘土层的受力坍塌模拟 采用 Mohr Coulomb 模型 在粘土上表面 受力情况下分析其形变状况和坍塌载荷 深基坑开挖 随着开挖深度的增加 不断增加支护和挡土墙结构 这是典型 的开挖工序 本模型采用 Drucker Prager 材料模型描述土体 分析工程施工过 程中的土体形变和工程风险 应用领域应用领域 土体和岩体模拟 韧性材料和饱和土 Drucker Prager 和 Mohr Coulomb 土体模型 Matsuoka Nakai 和 Lade Duncan 土体模型 修正的 Cam Clay 土体模型 Hoek Brown 岩体模型 混凝土和脆性材料 Bresler Pister 和 Ottosen 混凝土材料模型 Willam Warnke 混凝土材料模型 用户自定义土体 岩体 混凝土模型 堤防 开挖 地基 核废料掩埋 挡土结构和支护分析 公路建设 板坯 边坡稳定性 隧道 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 24 声学模块声学模块 声学模块是一个世界级的专业声学模拟解决方案 如果您从事的工作中与声波产生 声波测量或者声波应用的 设备或者器件设计有关 声学模块将是您最好的选择 比如扬声器设计 麦克风设计 助听器设计 声纳设备 噪 音控制等应用领域 人们关心消声结构设计 声障以及建筑声学这些方面 声学模块为声压力波在空气 水或者其他流体中的传播提供了非常友好 方便使用的用户界面 专门设计的热 声模拟工具可以精确的模拟便携设备中的小型扬声器和麦克风器件 用户也可以模拟固体结构压电材料 多孔弹性 材料中弹性波的传播 软件还内建了声固耦合分析 声壳耦合分析 压电声学耦合分析这些多物理工具 方便专业 用户的使用 电视扬声器模拟 Gel Audio 换能器安装在电视机内部 使用电视机本身作为发声表面 能够提供很好的重低音音效 图示展示了电视机表面的形变 以及产生的 声波的在空气中的声压级分布 模型由 SFX Technologies 公司提供 左图为音箱发出的声波的声压级分布和强度分布 右图为扬声器声波的远场分布 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 25 内燃机引擎常用的消声器 使用感性阻尼和抗性阻尼来消声 图示是声波在 消音腔内的传输情况 车厢内部的声学分析 使用点声源在测试车厢内部产生声波 图示为两个特 征模式在车厢内的传输分布情况 飞行器引擎的噪音分析是气动声学中重要的课题 图示是喷气式引擎噪音声 压的对数分布 汽车消音器的声学模拟 在封闭腔内建立一个穿孔的隔板 这是汽车排气管 消音使用的典型结构 不同频率的声波在结构中有不同的响应 图示用流线 绘制了声压和强度的分布 颜色显示的是声压级分布 图示为 5 个 Bessel 面板排列而生的组合声源 5 个面板共同形成完美的球面辐 射声场 图示为声压分布 声纳器件和超声分析 是两种典型的必须考虑声固耦合的应用 本例展示了 水中一个声压平面波与金属圆柱体发生相互作用 声波在金属体表面和水中 的散射分布情况 图示一并给出了金属体在声压作用下的动态形变 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 26 应用领域应用领域 声固耦合分析 弹性波 电声换能器和扬声器 助听器 音箱和麦克风 MEMS 声学传感器 MEMS 麦克风 机械噪声与振动 降噪材料与声隔离 压电声学 多孔弹性介质声传播 消声器设计 声纳 结构振动 热声 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 27 流动分析流动分析 CFD 模块模块 CFD 模块专为模拟复杂流体流动而设计 可压缩流体 不可压缩流体 层流模型 各种高级湍流模型 自然对 流 强制对流 都可以在 CFD 模块中自由组合 模拟各种复杂的流动情况 CFD 模块的重要特点在于可以精确模拟 各种多物理流动 比如共轭传热与非等温流 流固耦合 含有粘滞热源的非牛顿流 流体粘度与成分浓度相关的流 动分析 多孔介质流动用户接口可以模拟各向同性或者各向异性多孔介质 也可以将自由流动与多孔介质流动自动 耦合分析 在 2D 和 3D 分析中 内建了旋转机械搅拌模拟的用户界面 对于均质两相流分析 CFD 模块提供了两种应用接口 分别为用于细密颗粒悬浮液分析的混合物模式 和模拟 均匀分布微小气泡的宏观气泡流模式 对于关注自由相界面的两相流分析 提供了水平集和相场法两种分析模式 如果配合化学反应工程模块一起使用 CFD 模块可以提供高级的质量输运和反应流模拟功能 如果配合结构力 学模块一起使用 CFD 的流固耦合分析功能就能扩展至各种流体与各种弹性结构的相互作用分析 同时具备润滑流 动分析功能 以及弹性力学流动分析的功能 水流通过涡轮机桨叶的模拟 图示流线表示水流 颜色表示桨叶受到的压力 聚合物填充 图示为聚合物填充模具并发生聚合的过程 模拟展示了三个典 型时间点 即填充开始后 10s 40s 和 100s 三个时刻的结果 红色面表示聚合 物与空气的界面 绿色面表示聚合物的两种成分体积比例为 1 1 的地方 蓝色 面表示聚合物第二种成份比例 100 的位置 模型由英国 Continuum Blue 公司 提供 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