基本介紹

COMSOL Multiphysics®是多物理場仿真平臺的基本模塊，內(nèi)置“模型開發(fā)器”、“App開發(fā)器”和“模型管理器”三個組件：“模型開發(fā)器”主要用于創(chuàng)建、求解仿真模型，分析結(jié)果數(shù)據(jù)等；“App開發(fā)器”用于定制開發(fā)仿真App；“模型管理器”主要用于管理包括仿真模型、輔助數(shù)據(jù)和仿真App的仿真數(shù)據(jù)。

作為業(yè)界領(lǐng)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(lǐng)域的設(shè)備、工藝和流程。軟件內(nèi)置的模型開發(fā)器包含完整的建模工作流程，可實現(xiàn)從幾何建模、材料參數(shù)和物理場設(shè)置，求解到結(jié)果處理的所有仿真步驟。

App開發(fā)器支持在已有仿真模型的基礎(chǔ)上，進一步定制開發(fā)用戶界面，將其轉(zhuǎn)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(jié)省仿真數(shù)據(jù)的存儲空間，實現(xiàn)更便捷、高效的數(shù)據(jù)管理。

COMSOL產(chǎn)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(nèi)，提供適用于不同工程領(lǐng)域的專業(yè)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(chuàng)建復(fù)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?yún)?shù)，方便在后續(xù)建模過程中執(zhí)行編輯和參數(shù)掃描。幾何建模與后續(xù)物理場設(shè)置緊密相連，當(dāng)模型幾何發(fā)生變化時，軟件會自動將相關(guān)變化傳遞到整個模型設(shè)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(xù)的物理場定義、網(wǎng)格劃分以及結(jié)果處理等操作中調(diào)用，以簡化操作。不僅如此，用戶還可以創(chuàng)建參數(shù)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(fù)使用，進一步簡化模型開發(fā)過程。

導(dǎo)入、修復(fù)、特征去除和虛擬操作

借助于CAD導(dǎo)入模塊和ECAD導(dǎo)入模塊，用戶可以將各種標準的CAD和ECAD文件導(dǎo)入到COMSOL Multiphysics®軟件中。對于表面網(wǎng)格模型（如STL格式），COMSOL基本模塊不僅支持其導(dǎo)入，還可將其轉(zhuǎn)換為幾何實體對象。導(dǎo)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(guān)聯(lián)操作結(jié)合使用，以執(zhí)行參數(shù)化和優(yōu)化研究。

設(shè)計模塊進一步擴展了COMSOL Multiphysics®的幾何操作功能，提供幾何修復(fù)、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(wǎng)格的影響。與幾何修復(fù)相比，虛擬操作能夠在保持原幾何不變的情況下生成更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格。

幾何建模功能

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

拉伸、回轉(zhuǎn)、掃掠、放樣1

布爾操作：并集、交集、差集和分割

轉(zhuǎn)變：陣列、復(fù)制、鏡像、移動、旋轉(zhuǎn)和縮放

轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)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(jié)

忽略：頂點、邊和面

形成復(fù)合結(jié)構(gòu)：邊、面、域

塌陷：邊、面

合并：頂點、邊

網(wǎng)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(dǎo)入模塊”、“設(shè)計模塊”和CAD LiveLink?產(chǎn)品實現(xiàn)CAD導(dǎo)入和互操作

通過附加的“CAD導(dǎo)入模塊”、“設(shè)計模塊”和CAD LiveLink?產(chǎn)品實現(xiàn)CAD修復(fù)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(fù)

注意：

需要“設(shè)計模塊”

相應(yīng)的三維操作需要“設(shè)計模塊”

豐富的預(yù)定義接口，支持基于物理場建模

COMSOL®軟件提供了一系列預(yù)定義的物理場接口，并且預(yù)置了一些常見的多物理場耦合，用于模擬各種物理現(xiàn)象。針對相關(guān)的科學(xué)或工程領(lǐng)域，每個物理場接口都提供了專門的設(shè)置選項。軟件還會根據(jù)選定的接口提供研究類型建議，如瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)求解等。一旦選定研究類型，軟件會自動配置相應(yīng)的數(shù)值離散方法、求解器序列、可視化和結(jié)果設(shè)置，這些設(shè)置也支持用戶修改。

COMSOL Multiphysics®平臺預(yù)置了大量的核心物理場接口，涉及電磁、力學(xué)、聲學(xué)、流體、傳熱、化學(xué)工程等諸多領(lǐng)域。COMSOL基本模塊可與產(chǎn)品庫中的附加模塊結(jié)合使用，提供一系列更專業(yè)、適用于特定工程領(lǐng)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(xué)

固體力學(xué)

稀物質(zhì)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(xù)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(chuàng)新，軟件僅提供一成不變的工作環(huán)境是遠遠不夠的。理想的仿真軟件應(yīng)允許用戶在軟件界面中靈活地根據(jù)數(shù)學(xué)方程開發(fā)仿真模型。正是基于這一理念，COMSOL Multiphysics®支持用戶在軟件界面內(nèi)，通過添加和定制表達式、方程等來描述各種物理現(xiàn)象。在生成數(shù)值模型之前，軟件自帶的方程編譯器可以實時編譯這些數(shù)學(xué)表達式，方便用戶設(shè)置和檢查。

基于“物理場開發(fā)器”，用戶還可以通過自定義方程來創(chuàng)建新的物理場接口，并在后續(xù)其他模型中輕松調(diào)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(wǎng)格問題

代數(shù)方程

常微分方程（ODE）

微分代數(shù)方程（DAE）

靈敏度分析（附加的優(yōu)化模塊提供的優(yōu)化功能）

曲線坐標計算

自動和手動網(wǎng)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(shù)值技術(shù)，來進行網(wǎng)格劃分和數(shù)值離散化。主要的離散化方法基于有限元技術(shù)（有關(guān)方法的完整列表，請參見本頁的求解器一節(jié)）。軟件提供的通用網(wǎng)格算法可以為相應(yīng)數(shù)值方法提供與之相匹配的網(wǎng)格模型。例如，對于某些問題，默認生成自由四面體網(wǎng)格，或使用四面體與邊界層網(wǎng)格相結(jié)合，以提供更快速、更準確的結(jié)果。

網(wǎng)格劃分功能列表

自由四面體網(wǎng)格劃分

含棱柱和六面體單元的掃掠網(wǎng)格

邊界層網(wǎng)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(wǎng)格劃分

三維表面和二維模型的映射和自由四邊形網(wǎng)格劃分

復(fù)制網(wǎng)格操作

虛擬幾何操作

域、邊界和邊的網(wǎng)格分割

用于外部生成網(wǎng)格的導(dǎo)入和編輯功能

研究步驟、參數(shù)研究和優(yōu)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(xué)分析，軟件會建議瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)或特征頻率研究；對于CFD問題，軟件則提供瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)研究選項。當(dāng)然，用戶也可以根據(jù)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(xù)研究步驟的輸入。

掃描、優(yōu)化和估計

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

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

研究列表

穩(wěn)態(tài)

瞬態(tài)

特征頻率

特征值

頻域

參數(shù)化掃描

函數(shù)掃描

材料掃描

靈敏度

模型降階

先進的數(shù)值方法，實現(xiàn)精確求解

COMSOL Multiphysics®軟件的方程編譯器為數(shù)值引擎提供了最佳動力，以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、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(guān)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(nèi)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(tài)和穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)問題的非線性系統(tǒng)，或在時間步進過程中求解瞬態(tài)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(tǒng)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(tǒng)。軟件提供了多種迭代求解器供選擇，并內(nèi)置了先進的預(yù)條件器（如多重網(wǎng)格預(yù)條件器），以確保迭代求解過程穩(wěn)定、快速地執(zhí)行。

此外，不同的物理場接口針對求解的相應(yīng)問題，為求解器提供了最佳默認設(shè)置。這些設(shè)置并不是固定不變的，您可以根據(jù)具體求解的問題，直接在用戶界面的每個求解器節(jié)點下更改和手動配置求解器的設(shè)置來調(diào)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(xiàn)多核和集群計算。共享內(nèi)存和分布式內(nèi)存方法都可用于直接和迭代求解器，并且適用于大型參數(shù)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(jié)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(yōu)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(yīng)網(wǎng)格和自動網(wǎng)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(shù)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(shù)系統(tǒng)：阻尼牛頓法

雙折線法

線性代數(shù)系統(tǒng)：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(yù)條件器：SOR、雅可比、Vanka、SCGS、SOR Line/Gauge/Vector、幾何多重網(wǎng)格（GMG）、代數(shù)多重網(wǎng)格（AMG）、麥克斯韋輔助空間（AMS）、不完全 LU 分解、Krylov、域分解

所有預(yù)條件器都可以用作迭代求解器

附加產(chǎn)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(jié)果

COMSOL Multiphysics®提供了功能強大的可視化和結(jié)果處理工具，幫助用戶簡潔有效地呈現(xiàn)仿真結(jié)果。無論是使用軟件內(nèi)置的工具還是通過輸入數(shù)學(xué)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(shù)值后處理工具，用于計算各種表達式，例如積分和導(dǎo)數(shù)。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(xué)領(lǐng)域的專用后處理工具。

導(dǎo)出結(jié)果和生成其他格式的報告

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

結(jié)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(shù)學(xué)表達式，包括場變量及其導(dǎo)數(shù)、空間坐標、時間和復(fù)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(shù)

支持3Dconnexion SpaceMouse®設(shè)備

導(dǎo)入和導(dǎo)出文本

Microsoft Excel® .xlsx 格式

圖像

動畫

網(wǎng)格

CAD格式

等等