COMSOL Multiphysics БАЗОВАЯ ПЛАТФОРМА

Оптимизация и анализ поведения реальных устройств и процессов с помощью моделирования

С помощью программного пакета COMSOL Multiphysics^® инженеры и ученые моделируют конструкции, устройства и процессы во всех областях инженерных, производственных и научных исследований.

COMSOL Multiphysics^® — это интегрированная платформа для моделирования, включающая в себя все его этапы: от создания геометрии, определения свойств материалов и описания физических явлений, до настройки решения и процесса постобработки, что позволяет получать точные и надежные результаты.

Чтобы создавать модели для специализированных прикладных и инженерных задач, вы можете дополнять возможности программного пакета COMSOL Multiphysics^® модулями расширения в любом их сочетании. Модули интеграции позволяют применять при моделировании другие инженерные и математические программные средства, используемые при разработке устройств и процессов. Разработав модель, вы можете превратить ее в приложение для моделирования со специализированным пользовательским интерфейсом, которое можно будет использовать пользователями вне отдела разработчиков.

Одна программная среда для любых инженерных задач

Мультифизическое моделирование позволяет получать высокоточные результаты

Успешные инженерные расчеты обычно основаны на экспериментально подтвержденных моделях, которые могут заменить в известной степени и физические эксперименты, и прототипирование, и позволяют лучше понять разрабатываемую конструкцию или изучаемый процесс. По сравнению с проведением физических экспериментов и испытанием прототипов моделирование позволяет быстрее, эффективнее и точнее оптимизировать процессы и устройства.

Пользователи COMSOL Multiphysics^® свободны от жестких ограничений, которые обычно свойственны пакетам для моделирования, и могут управлять всеми аспектами модели. Вы можете творчески подходить к моделированию и решать задачи, сложные или невозможные при обычном подходе, сочетая произвольное число физических явлений и задавая пользовательские описания физических явлений, уравнений и выражений через графический пользовательских интерфейс (GUI).

Точные мультифизические модели учитывают широкий диапазон рабочих условий и большой набор физических явлений. Таким образом, моделирование помогает понимать, проектировать и оптимизировать процессы и устройства с учетом реальных условий их работы.

Последовательный рабочий процесс моделирования

Моделирование в COMSOL Multiphysics^® позволяет исследовать в одной программной среде явления электромагнетизма, механики конструкций, акустики, гидродинамики, теплопередачи и химические реакции, а также любые другие физические явления, которые можно описать системами дифференциальных уравнений в частных производных. Вы можете сочетать в одной модели все эти физические явления. Графический пользовательский интерфейс COMSOL Desktop^® предоставляет доступ к полноценной интегрированной программной среде для моделирования. Какие бы устройства и процессы вы ни изучали, процесс моделирования будет логичным и последовательным.

Геометрическое моделирование и взаимодействие со сторонними CAD-пакетами

Операции, последовательности и выборки

Базовый пакет COMSOL Multiphysics^® содержит инструменты геометрического моделирования для создания элементов геометрии на основе твердых тел, поверхностей, кривых и булевых операций. Итоговая геометрия определяется последовательностью операций, каждая из которых может получать входные параметры, что облегчает редактирование и параметрические исследования мультифизических моделей. Связь между определением геометрии и настройками физики двусторонняя — любое изменение геометрии автоматически приводит к соответствующим изменениям в связанных настройках модели.

Любые геометрические объекты можно объединять в выборки (selections) для дальнейшего использования в определении физики и граничных условий, построении сеток и графиков. Кроме того, последовательность операций можно использовать, чтобы создать параметризованную геометрическую заготовку (geometry part), которую потом можно сохранить в Библиотеке частей и повторно использовать во многих моделях.

Импорт, обработка, дефичеринг и виртуальные операции

Импорт всех стандартных CAD и ECAD файлов в COMSOL Multiphysics^® поддерживается при наличии модулей Импорт данных из CAD и Импорт данных из ECAD соответственно. Модуль Проектирование расширяет набор геометрических операций, доступных в COMSOL Multiphysics^®. Модули Импорт данных из CAD и Проектирование предоставляют возможность исправлять геометрии и удалять некоторые лишние детали (операции Defeaturing и Repair). Модели на основе поверхностных сеток, например, формат STL, можно импортировать и преобразовывать в геометрические объекты с помощью базовой платформы COMSOL Multiphysics^®. Операции импорта работают так же, как и все остальные геометрические операции - в них можно использовать выборки и также ассоциативность при параметрических и оптимизационных исследованиях.

В качестве альтернативы операциям Defeaturing и Repair программный пакет COMSOL^® включает также так называемые виртуальные операции, которые позволяют исключить влияние ряда геометрических артефактов на конечно-элементную сетку, в частности, вытянутых и узких границ, которые понижают точность моделирования. В отличие от удаления деталей при дефичеринге, виртуальные операции не изменяют кривизну или точность геометрии, но позволяют получить более чистую сетку.

Эта рама велосипеда была спроектирована в программном пакете SOLIDWORKS^®, и может быть в несколько кликов импортирована в COMSOL Multiphysics^®. Можно также импортировать геометрические модели из других сторонних CAD-пакетов или создавать их с помощью встроенных геометрических инструментов COMSOL Multiphysics^®.

Инструменты COMSOL Multiphysics^® позволяют изменять и исправлять сторонние CAD-геометрии (для соответствия КЭ-расчету), как в данном случае в моделе рамы велосипеда. При желании вы могли бы создать эту геометрию с нуля в COMSOL Multiphysics^®.

Конечно-элементная сетка для проекта рамы велосипеда. Теперь она готова к расчету в пакете COMSOL Multiphysics^®.

В COMSOL Multiphysics^® был выполнен механический расчет модели рамы велосипеда. Анализ результатов может подсказать, какие изменения внести в конструкцию рамы в стороннем CAD-пакете для дальнейшей работы.

Готовые предустановленные интерфейсы и функции для физического моделирования

Программный пакет COMSOL^® содержит готовые физические интерфейсы для моделирования самых разных физических явлений, в том числе распространенных междисциплинарных мультифизических взаимодействий. Физические интерфейсы — это специализированные пользовательские интерфейсы для отдельной инженерной или исследовательской области, которые позволяют досконально управлять моделированием исследуемого физического явления или явлений — от задания исходных параметров модели и дискретизации до анализа результатов.

После выбора физического интерфейса программный пакет предлагает выбрать один из типов исследований, например, с использованием нестационарного или стационарного решателя. Программа также автоматически подбирает для математической модели подходящую численную дискретизацию, конфигурацию решателя и настройки визуализации и постобработки, подходящие для исследуемого физического явления. Физические интерфейсы можно свободно сочетать, чтобы описывать процессы, включающие несколько явлений.

Платформа COMSOL Multiphysics^® включает в себя большой набор базовых физических интерфейсов, например, интерфейсы для описания механики твердых тел, акустики, гидродинамики, теплопередачи, переноса химических веществ и электромагнетизма. Расширяя базовый пакет дополнительными модулями COMSOL^®, вы получаете набор специализированных интерфейсов для моделирования частных инженерных задач.

Модель термопривода в COMSOL Multiphysics^®. Ветвь Heat Transfer (Теплопередача) раскрыта и показывает все соответствующие физические интерфейсы. Для этого примера активированы все модули расширения, поэтому доступно для выбора множество физических интерфейсов.

Прозрачное и гибкое моделирование на основе пользовательских уравнений

Программный пакет для научных и инженерных исследований и инноваций должен быть не просто средой для моделирования с предопределенным и ограниченным набором возможностей. Он должен предоставлять пользователям интерфейсы для создания и настройки описаний собственных моделей на основе математических уравнений. Пакет COMSOL Multiphysics^® обладает такой гибкостью - он содержит интерпретатор уравнений, обрабатывающий выражения, уравнения и другие математические описания перед созданием численной модели. Вы можете добавлять и настраивать выражения в физических интерфейсах, легко связывая их друг с другом для моделирования мультифизических явлений.

Доступна и более продвинутая кастомизация. Возможности индивидуальной настройки с помощью Построителя физических интерфейсов (Physics Builder) позволяют использовать собственные уравнения для создания новых физических интерфейсов, которые затем можно будет легко включить в будущие модели или предоставить коллегам.

Модель волнового процесса в оптическом волокне на основе уравнения Кортевега — де Фриза. Дифференциальные уравнения в частных производных и обыкновенные дифференциальные уравнения можно задавать в программном пакете COMSOL Multiphysics^® в коэффициентной или математической матричной форме.

Автоматизированное и ручное построение сетки

Для дискретизации модели и построения сетки программный пакет COMSOL Multiphysics^® использует различные численные методики и техники, зависящие от исследуемого в модели типа физики или сочетания физических явлений. Наиболее часто используемые методы дискретизации основаны на методе конечных элементов (полный список методов приведен в разделе «Решатели» на этой странице). Соответственно, алгоритм построения сетки общего назначения создает сетку с элементами того типа, который подходит для этого численного метода. Например, применяемый по умолчанию алгоритм может использовать произвольную тетраэдрическую сетку или сочетать ее с методом построения погранслойных сеток, комбинируя элементы различных типов и обеспечивая более быстрые и точные расчеты.

Операции измельчения сетки (mesh refinement), повторного построения или адаптивного построения сетки могут быть выполнены в процессе решения или специального этапа исследования для сетки любого типа.

Построенная в автоматическом режиме неструктурированная тетраэдральная сетка для геометрии обода колеса.

Построенная в полуавтоматическом режиме неструктурированная сетка с погранслоями для геометрии микросмесителя.

Сетка, созданная в ручном режиме, для модели электронного компонента на печатной плате. Конечно-элементное разбиение сочетает в себе тетраэдрическую сетку, треугольную сетку на поверхности и сетку, построенную протяжкой в объём.

Поверхностная сетка модели позвонка была сохранена в формате STL, импортирована в COMSOL Multiphysics^® и преобразована в геометрический объект. На нее была наложена автоматизированная неструктурированная сетка. Геометрия в формате STL предоставлена Марком Йоменом (Mark Yeoman) из компании Continuum Blue, Великобритания.

Исследования и их последовательности, параметрические расчеты и оптимизация

Типы исследований

После выбора физического интерфейса COMSOL Multiphysics^® предлагает несколько различных типов исследований (или анализа). Например, при исследовании механики твердого тела программный пакет предлагает нестационарные исследования, стационарные исследования и исследования на собственные частоты. Для задач вычислительной гидродинамики будут предложены только нестационарные и стационарные исследования. Вы можете свободно выбирать и другие типы исследований для проводимого вами расчёта. Последовательности этапов исследования определяют процесс решения и позволяют выбирать переменные модели, которые необходимо рассчитать на каждом этапе. Решения с любых предыдущих этапов исследования можно использовать как входные данные для следующих этапов.

Параметрический анализ, оптимизация и оценка

Для любого этапа исследования можно запустить параметрический расчет (sweep), который может включать один или несколько параметров модели, включая геометрические размеры или настройки в граничных условиях. Можно выполнять параметричекие свипы по различным материалам и их свойств,ам а также по перечню заданных функций.

С использованием модуля Оптимизация, можно решать оптимизационные и обратные задачи, в частности проводить топологическую оптимизацию, оптимизацию формы или оценку параметров (parameter estimation) в мультифизической модели. Программный пакет COMSOL Multiphysics^® содержит градиентные и безградиентные алгоритмы оптимизации. Для исследования по оценке параметров доступен метод наименьших квадратов и общие методы оптимизации. Имеются также встроенные исследования чувствительности (sensitivity study) для расчета чувствительности целевой функции к любому из параметров модели.

Параметризованная модель. В модели, собранной в интерфейсе COMSOL Multiphysics^®, могут быть заданы управляющие параметры, а также указаны алгебраические отношения между параметрами и переменными. Параметры могут представлять как геометрические размеры, так и физические свойства.

Современные численные методы для получения точных решений

Интерпретатор уравнений программного пакета COMSOL Multiphysics^® предоставляет наилучшие входные данные для численного моделирования - полностью связанные системы дифференциальных уравнений в частных производных для стационарных и нестационарных исследований, исследований в частотной области и исследований на собственные значения. Системы дифференциальных уравнений в частных производных дискретизируются по пространственным координатам (x, y, z) методом конечных элементов (FEM). В некоторых типах задач для дискретизации пространства используется метод граничных элементов (BEM). Для пространственно-временных задач используется метод прямых, в котором пространство дискретизируется методом конечных элементов (или методом граничных элементов) с получением системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения затем решаются различными сложными методами, включая явные и неявные схемы дискретизации по времени.

Стационарные и нестационарные задачи могут быть нелинейными, что приводит, после дисркетизации, к получению систем нелинейных уравнений. Численные методы, реализованные в COMSOL Multiphysics^®, позволяют получить полностью связанный якобиан для решения нелинейной системы. Для решения нелинейных стационарных задач и при дискретизации нелинейных задач с зависимостью от времени используется метод Ньютона с затуханием. Метод Ньютона позволяет решить набор систем линейных уравнений, пользуясь якобианом, и найти решение для нелинейной системы.

Для линейных задач (также решаемых на каждом шаге решения нелинейной задачи, см. выше) программный пакет COMSOL^® содержит прямые и итерационные решатели. Прямые решатели подходят для задач малого и среднего размера, а итеративные — для больших систем линейных уравнений. Программный пакет COMSOL^® содержит набор итерационных решателей и современных методов задания предварительных условий - предобусловливателей, в частности многосеточные. Они обеспечивают высокую надежность и скорость итеративных расчетов.

Различные физические интерфейсы могут также предлагать наилучшие настройки решателей по умолчанию для разных задач. Эти настройки не заданы жестко - их можно вручную изменять в узле решателя, подстраивая его работу под свои задачи. Решатели и другие вычислительно сложные расчеты полностью распараллеливаются на многоядерных и кластерных системах при наличии такой возможности. Методы общей памяти и распределенной памяти доступны при работе с прямыми и итерационными решателями, а также с большими параметрическими анализами. Параллельные вычисления могут применяться на всех этапах процесса решения.

Широкий выбор инструментов визуализации и постобработки для получения готовых к публикации результатов моделирования

Продемонстрируйте свои результаты всему миру. COMSOL Multiphysics^® включает мощные инструменты визуализации и постобработки, которые помогут вам представить свои результаты наглядно и ясно. Вы можете пользоваться встроенными и преднастроеными инструментами, а также отображать на графиках производные физические величины, вводя необходимые математические выражения в программный пакет. Таким образом вы можете визуализировать практически любую требуемую величину, полученную в результате расчета вашей модели в COMSOL Multiphysics^®.

Инструменты визуализации позволяют построить, например, графики на поверхностях, на срезах, изоповерхностей, на секущих плоскостях, векторные графики и графики линий тока. Большой набор инструментов постобработки и работы с расчитанными данными позволяет вычислять различные выражения, включая интегралы и производные. Вы можете получать максимальные, минимальные, средние и интегрированные значения любой величины и производных величин по объему, по поверхности, по кривой и в конкретной точке. Ряд специализированных приемов постобработки для разных инженерных и научных задач и направлений физики включен во соотвествующие модули расширения.

Экспорт результатов и генерация отчетов

Вы можете экспортировать данные и обрабатывать их, используя инструменты других разработчиков. Численные результаты можно экспортировать в текстовые файлы формата .txt, .dat или .csv, а также в неструктурированный формат VTK. Используя модуль LiveLink™ for Excel^®, вы можете экспортировать результаты в электронные таблицы Microsoft^® Excel^® формата .xlsx. Изображения можно экспортировать в один из распространенных форматов, а анимации — в файлы формата WebM или в виде GIF-анимаций, Adobe^® Flash^® или файлы AVI. Отчеты о проектах по моделированию можно экспортировать в формат HTML (.htm, .html) или в формат Microsoft^® Word^® .doc.

На графике показан уровень звукового давления в глушителе автомобиля (вверху), а на одномерном графике показана зависимость затухания от частоты (внизу).

Сокращение дистанции и разрыва между численным анализом, проектированием и производством с помощью приложений для моделирования

Во многих организациях небольшая группа специалистов по численному моделированию обслуживает гораздо большее число коллег, занимающихся разработкой и изготовлением устройств или изучающих физические явления и процессы. Чтобы небольшая группа специалистов справлялась с запросами всех своих коллег, программный пакет COMSOL Multiphysics^® включает возможность разработки приложений для моделирования. Среда разработки приложений позволяет специалистам по моделированию создавать интуитивно понятные и специализированные пользовательские интерфейсы на основе комплексных расчётных моделей общего назначения. Мы называем их пользовательскими приложениями.

Классическая расчетная модель может лежать в основе нескольких разных приложений, в каждом из которых входные и выходные данные будут ограничены конкретной прикладной задачей. Приложения можно запускать в специально разработанном клиенте или веб-браузере. В них можно включить документацию для пользователей, проверку и ограничения входных данных, а также готовые формы отчетов. Вы можете предоставить доступ к готовым приложениям по корпоративной сети или через Интернет проектным группам, производственным отделам, операторам технологического процесса, испытательным лабораториям и клиентам по всему миру с помощью инструмента управления приложениями COMSOL Server™.

Модель спирального статического смесителя была создана с помощью Построителя моделей COMSOL Multiphysics^®.

На основе модели спирального статического смесителя разработано приложение для моделирования в Среде разработки приложений COMSOL Multiphysics^®.