基本介紹

COMSOL Multiphysics®是多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)的基本模塊,，內(nèi)置“模型開(kāi)發(fā)器”、“App開(kāi)發(fā)器”和“模型管理器”三個(gè)組件：“模型開(kāi)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(kāi)發(fā)器”用于定制開(kāi)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(chǎng)仿真平臺(tái)，COMSOL Multiphysics®提供了仿真單一物理場(chǎng)以及靈活耦合多個(gè)物理場(chǎng)的功能,，供工程師和科研人員來(lái)精確分析各個(gè)工程領(lǐng)域的設(shè)備,、工藝和流程。軟件內(nèi)置的模型開(kāi)發(fā)器包含完整的建模工作流程,，可實(shí)現(xiàn)從幾何建模,、材料參數(shù)和物理場(chǎng)設(shè)置，求解到結(jié)果處理的所有仿真步驟,。

App開(kāi)發(fā)器支持在已有仿真模型的基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步定制開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面，將其轉(zhuǎn)換成直觀(guān)易用的仿真App,，分享給合作者使用,。模型管理器可對(duì)仿真模型進(jìn)行版本管理，節(jié)省仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間,，實(shí)現(xiàn)更便捷,、高效的數(shù)據(jù)管理。

COMSOL產(chǎn)品庫(kù)中豐富的附加模塊均可與COMSOL Multiphysics®靈活地組合使用,，正因?yàn)榇耍浖梢栽谕粋€(gè)用戶(hù)界面內(nèi),，提供適用于不同工程領(lǐng)域的專(zhuān)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(guò)生成實(shí)體對(duì)象,、表面、曲線(xiàn),，以及布爾操作來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的幾何實(shí)體,。幾何建模通過(guò)操作序列來(lái)定義，每個(gè)操作都包含輸入?yún)?shù),，方便在后續(xù)建模過(guò)程中執(zhí)行編輯和參數(shù)掃描,。幾何建模與后續(xù)物理場(chǎng)設(shè)置緊密相連，當(dāng)模型幾何發(fā)生變化時(shí),，軟件會(huì)自動(dòng)將相關(guān)變化傳遞到整個(gè)模型設(shè)置中,，以確保模型的一致性。

用戶(hù)可以對(duì)域和表面等幾何實(shí)體進(jìn)行分組,，并在后續(xù)的物理場(chǎng)定義,、網(wǎng)格劃分以及結(jié)果處理等操作中調(diào)用，以簡(jiǎn)化操作,。不僅如此,，用戶(hù)還可以創(chuàng)建參數(shù)化幾何零件，并將其存儲(chǔ)到“零件庫(kù)”中，以便在多個(gè)模型中重復(fù)使用,，進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型開(kāi)發(fā)過(guò)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(hù)可以將各種標(biāo)準(zhǔn)的CAD和ECAD文件導(dǎo)入到COMSOL Multiphysics®軟件中。對(duì)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(shí)體對(duì)象。導(dǎo)入操作與幾何序列中的其他操作類(lèi)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(jì)模塊進(jìn)一步擴(kuò)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(duì)提升仿真精度沒(méi)有幫助的幾何缺陷（如長(zhǎng)條面,、狹小面等）對(duì)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(zhǎng)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(xiàn),、參數(shù)化曲面,、多邊形、貝塞爾多邊形,、插值曲線(xiàn),、點(diǎn)

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(dòng),、旋轉(zhuǎn)和縮放

轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換為實(shí)體,、曲面和曲線(xiàn)

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(xì)節(jié)

忽略：頂點(diǎn),、邊和面

形成復(fù)合結(jié)構(gòu)：邊、面,、域

塌陷：邊,、面

合并：頂點(diǎn)、邊

網(wǎng)格控制：頂點(diǎn),、邊,、面、域

使用實(shí)體,、曲面,、曲線(xiàn)和點(diǎn)的混合建模

使用二維幾何建模的工作平面

通過(guò)附加的“CAD導(dǎo)入模塊”、“設(shè)計(jì)模塊”和CAD LiveLink?產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)CAD導(dǎo)入和互操作

通過(guò)附加的“CAD導(dǎo)入模塊”,、“設(shè)計(jì)模塊”和CAD LiveLink?產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)CAD修復(fù)和特征去除端蓋面,、刪除

圓角、短邊,、長(zhǎng)條面,、小面、面,、尖峰

分離面、接合至實(shí)體,、修復(fù)

注意：

需要“設(shè)計(jì)模塊”

相應(yīng)的三維操作需要“設(shè)計(jì)模塊”

豐富的預(yù)定義接口,，支持基于物理場(chǎng)建模

COMSOL®軟件提供了一系列預(yù)定義的物理場(chǎng)接口，并且預(yù)置了一些常見(jiàn)的多物理場(chǎng)耦合,，用于模擬各種物理現(xiàn)象,。針對(duì)相關(guān)的科學(xué)或工程領(lǐng)域，每個(gè)物理場(chǎng)接口都提供了專(zhuān)門(mén)的設(shè)置選項(xiàng),。軟件還會(huì)根據(jù)選定的接口提供研究類(lèi)型建議,，如瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)求解等。一旦選定研究類(lèi)型,，軟件會(huì)自動(dòng)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(hù)修改,。

COMSOL Multiphysics®平臺(tái)預(yù)置了大量的核心物理場(chǎng)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(kù)中的附加模塊結(jié)合使用，提供一系列更專(zhuān)業(yè),、適用于特定工程領(lǐng)域的建模功能,。

基于物理場(chǎng)建模功能

物理場(chǎng)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(chǎng)，二維

特定于A(yíng)pp的模塊包含許多附加的物理場(chǎng)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(shí)變材料

隨任意物理量變化的非線(xiàn)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(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。理想的仿真軟件應(yīng)允許用戶(hù)在軟件界面中靈活地根據(jù)數(shù)學(xué)方程開(kāi)發(fā)仿真模型,。正是基于這一理念,，COMSOL Multiphysics®支持用戶(hù)在軟件界面內(nèi)，通過(guò)添加和定制表達(dá)式,、方程等來(lái)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(shí)時(shí)編譯這些數(shù)學(xué)表達(dá)式,，方便用戶(hù)設(shè)置和檢查,。

基于“物理場(chǎng)開(kāi)發(fā)器”，用戶(hù)還可以通過(guò)自定義方程來(lái)創(chuàng)建新的物理場(chǎng)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(dòng)網(wǎng)格問(wèn)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(xiàn)坐標(biāo)計(jì)算

自動(dòng)和手動(dòng)網(wǎng)格劃分

基于不同的物理場(chǎng)和研究類(lèi)型,，COMSOL Multiphysics®軟件提供了多種數(shù)值技術(shù),，來(lái)進(jìn)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(qǐng)參見(jiàn)本頁(yè)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(duì)于某些問(wèn)題,，默認(rèn)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(zhǔn)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(lèi)型

在選擇物理場(chǎng)接口后,，COMSOL Multiphysics®會(huì)提供多種研究（分析類(lèi)型）建議,。例如，對(duì)于固體力學(xué)分析,，軟件會(huì)建議瞬態(tài),、穩(wěn)態(tài)或特征頻率研究；對(duì)于CFD問(wèn)題,，軟件則提供瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)研究選項(xiàng),。當(dāng)然，用戶(hù)也可以根據(jù)需要選擇其他研究類(lèi)型,。研究步驟序列能夠有效地組織求解過(guò)程,，并讓您可以選擇每個(gè)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(jì)

任何研究步驟都可以對(duì)模型中一個(gè)或多個(gè)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化掃描計(jì)算，掃描的參數(shù)可以為幾何參數(shù),、物理場(chǎng)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(hù)可以針對(duì)多物理場(chǎng)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化或參數(shù)估計(jì)的優(yōu)化研究,。COMSOL Multiphysics® 提供了無(wú)梯度和基于梯度的優(yōu)化方法,，支持用戶(hù)使用最小二乘法公式和一般優(yōu)化問(wèn)題公式進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。此外,，軟件還提供內(nèi)置的靈敏度研究,，用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)相對(duì)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(jìn)的數(shù)值方法,，實(shí)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(dòng)力，以實(shí)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(duì)偏微分方程組在(x,y,z)空間變量上進(jìn)行離散化處理,；部分問(wèn)題也可以基于邊界元法（BEM）進(jìn)行空間離散化,。對(duì)于同時(shí)與空間和時(shí)間相關(guān)的問(wèn)題，則采用直線(xiàn)法,，其中使用FEM（或BEM）對(duì)空間進(jìn)行離散化,，從而形成常微分方程組（ODE）,，然后使用包括時(shí)間步進(jìn)的隱式和顯式方法在內(nèi)的高級(jí)方法來(lái)求解這些常微分方程。

COMSOL Multiphysics®支持對(duì)非線(xiàn)性的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的求解,，離散化后也會(huì)形成非線(xiàn)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(xiàn)性求解器進(jìn)行求解,。阻尼牛頓法用于求解穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的非線(xiàn)性系統(tǒng),，或在時(shí)間步進(jìn)過(guò)程中求解瞬態(tài)問(wèn)題。牛頓法使用雅可比矩陣求解一系列線(xiàn)性方程組,，得到非線(xiàn)性系統(tǒng)的解,。

對(duì)于線(xiàn)性問(wèn)題（也在非線(xiàn)性求解器步驟中求解，請(qǐng)參見(jiàn)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(wèn)題，而迭代求解器適用于較大的線(xiàn)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(jìn)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(guò)程穩(wěn)定,、快速地執(zhí)行,。

此外，不同的物理場(chǎng)接口針對(duì)求解的相應(yīng)問(wèn)題,，為求解器提供了最佳默認(rèn)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(wèn)題,，直接在用戶(hù)界面的每個(gè)求解器節(jié)點(diǎn)下更改和手動(dòng)配置求解器的設(shè)置來(lái)調(diào)整求解性能,。在滿(mǎn)足條件的情況下，求解器和其他計(jì)算密集型算法可以并行計(jì)算,，實(shí)現(xiàn)多核和集群計(jì)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(guò)程中的所有步驟都可以使用并行計(jì)算來(lái)提高計(jì)算效率,。

求解器列表

空間離散化：有限元法基于節(jié)點(diǎn)的拉格朗日單元和不同階次的巧湊邊點(diǎn)單元

旋度單元（也稱(chēng)為矢量或邊單元）

用于對(duì)流占優(yōu)問(wèn)題和流體流動(dòng)的Petrov-Galerkin和Galerkin最小二乘法

求解過(guò)程中的自適應(yīng)網(wǎng)格和自動(dòng)網(wǎng)格細(xì)化

邊界元法

間斷伽遼金法

時(shí)空離散化：直線(xiàn)法（空間 FEM 和 BEM）

常微分方程和微分代數(shù)方程時(shí)間步進(jìn)求解器：用于剛性問(wèn)題的隱式方法（BDF）

用于非剛性問(wèn)題的顯式方法

非線(xiàn)性代數(shù)系統(tǒng)：阻尼牛頓法

雙折線(xiàn)法

線(xiàn)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(xiàn)追蹤方法

強(qiáng)大的可視化工具,，直觀(guān)地展示仿真結(jié)果

COMSOL Multiphysics®提供了功能強(qiáng)大的可視化和結(jié)果處理工具,，幫助用戶(hù)簡(jiǎn)潔有效地呈現(xiàn)仿真結(jié)果。無(wú)論是使用軟件內(nèi)置的工具還是通過(guò)輸入數(shù)學(xué)表達(dá)式,，您都可以通過(guò)派生物理量來(lái)增強(qiáng)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(xiàn)圖等眾多繪圖類(lèi)型,，還提供了一系列數(shù)值后處理工具，用于計(jì)算各種表達(dá)式,，例如積分和導(dǎo)數(shù),。用戶(hù)可以計(jì)算整個(gè)模型在體、表面,、沿曲邊以及點(diǎn)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(duì)特定工程和科學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)用后處理工具,。

導(dǎo)出結(jié)果和生成其他格式的報(bào)告

仿真數(shù)據(jù)支持導(dǎo)出，以通過(guò)第三方工具進(jìn)行處理,。數(shù)值計(jì)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(guò)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(jiàn)的圖像格式，還支持glTF?文件格式,，用于導(dǎo)出3D場(chǎng)景。動(dòng)畫(huà)可以導(dǎo)出為WebM格式,、動(dòng)畫(huà)GIF,、Adobe Flash®技術(shù)或AVI文件,。整個(gè)仿真項(xiàng)目的匯總報(bào)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(xiàn)圖

云圖

后處理體、表面,、邊和點(diǎn)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(dá)式,，包括場(chǎng)變量及其導(dǎo)數(shù),、空間坐標(biāo)、時(shí)間和復(fù)值物理量

基于物理場(chǎng)的許多模塊都包含專(zhuān)用的后處理和計(jì)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(dòng)畫(huà)

網(wǎng)格

CAD格式

等等