COMSOL多物理场模拟软件-简单入门教程

Simpleware ®
ECAD (ODB++)
准静态电磁
AC/DC Module
微机电系统
MEMS Module
射频
RF Module
声学
Acoustics Module
传热
Heat Transfer Module
结构力学
Structural Mechanics Module
化工
Chemical Engineering Module
• 注意：系数可能会变成更高阶算子
• COMSOL中的应用
– 系数形式
• 系数对应于常见的物理参数 (例如，扩散、对流等)
– 通式
• 很灵活和紧凑
– 弱形式
• 作为PDE的基础的PDE形式 • 积分形式提供更强大的灵活性
– 非标准化边界条件，边界方程耦合等
• Lagrange算子显式求解 • 需要推导方程，制约其应用
• 基本功能 –使用工作平面 –拉伸和旋转 –嵌入
CAD 文件导入
•导入CAD 文件 •导入零件和装配 •修复
•修复和损毁 •和SolidWorks 实时连接
支持的文件格式
产品 CAD Import Module
CATIA V5 Import Module CATIA V4 Import Module Inventor Import Module Pro/E Import Module VDA-FS Import Module COMSOL Multiphysics
自然对流 （流热耦合）
• 有限差分 • 有限元 • 有限体积法
•…
COMSOL Multiphysics 全球第一款真正的多物理场耦合分析软件
➢ 一个功能强大的平台
✓ 有限元仿真平台
➢ 类似于公式解释器形式的图形化操作界面 ➢ 填空式的操作方法
✓ 任意耦合的多物理场分析平台
➢ 多物理场耦合 ➢ 多维度/尺度耦合 ➢ 与实验结果进行耦合
有限元方法
• 定义
– 将连续的求解域离散成一组有限个，按一定方式相互联 结在一起的单元的组合体
– 将PDE转换成离散的线性代数方程系统
(cu) f
• 特点
Ku F
• K：刚度矩阵 • u：解变量，或解向量 • F：载荷向量 • u的数量：自由度数目（DOF）
– 各种复杂单元可以用来模型化几何形状复杂的求解域
COMSOL培训
内容和安排
• 1、有限元理论介绍 • 2、COMSOL简介及前后处理功能介绍 • 3、COMSOL高级技巧——网格、求解器 • 4、COMSOL典型算例分析
1、有限元理论介绍
线性求解和非线性求解
PDE的简介
• 定义：一个包含两个或多个变量的未知函数及其 偏微分的方程
• 分类
– 线性 vs. 非线性源自文库– 标量方程 vs. 系统
– 无限的物理量耦合 – 不同维度/尺度耦合 – 与实验结果耦合
模式树
• 完备地前处理器功能
– 简单实用的几何建模 – 导入主流CAD文件格式 – 强大的网格剖分功能
• 多种功能强大的求解器
• 强大的后处理能力 模式细节
• 特定的应用模型和扩展 • 支持Matlab®和Simulink®的双向调用
消息窗
线性PDE系统 线性标量 PDE
非线性PDE系统 非线性标量 PDE
困难程度
PDE分类矩阵
初期要点
• “求解” PDE 意味着什么?
– 适定的问题；存在，唯一，以及平滑
• COMSOL使用 FEM 来数值逼近解
u • 一些约定 ux x
u [ux uy uz ]
u uxx uyy uzz
主工作区
COMSOL脚本
•COMSOL 脚本
– 采用M文件进行存储，命令格式完全兼容于MATLAB – Windows化的编辑与调试界面 – 内建600多条命令 – 用户自定义GUI – Excel文件导入/导出 – 可选专用附加软件
• 反应工程实验室
几何建模
• 内建功能强大的基本几何建模工具 • 支持多种文件格式的CAD导入模块
线性问题
• 对流输送方程 ut bux 0
• Laplace方程 u 0
• 传热方程 • 波动方程
ut (ku) 0 utt (u) 0
对非均匀问题，将0用一个自变量的函数来代替
• Helmholtz方程 (u) u
COMSOL PDE模式
• 应用
– 可用于标量方程或系统
➢ 突出的特点
✓ 易用性
➢ 可自由切换的多种语言操作界面 ➢ 简单鼠标操作和填空，自动建立耦合物理场
✓ 开放性
➢ 对用户透明，支持用户建立自己的模型
✓ 灵活性
➢ 与MATLAB无缝连接，强大的二次开发功能
MATLAB ® & Simulink
COMSOL 产品
COMSOL Multiphysics
格式 Parasolid ACIS (SAT) STEP IGES CATIA V5 CATIA V4 Inventor Pro/Engineer VDA-FS STL VRML DXF (2D) GDS NASTRAN
版本 up to R18 up to R17 AP203, AP214 up to 5.3 R2 through R17 4.1.9 through 4.2.4 6 through 11 16 through Wildfire 3 up to 2.0
反应工程实验室
Reactoin Engineering Lab
地球科学
Earth Science Module
CAPE-OPEN,
• CHEMKIN ® • JANAF • NASA
优化实验室
Optimization Lab
CAD导入
CAD Import Module
材料库
Material Library
SolidWorks ® AutoDesk® INVENTOR ®
Pro/E ®
Catia®, Pro/E®, NX ® SolidEdge ® …
COMSOL Multiphysics的主要特性
• 交互式建模和模拟环境 － GUI
– 大量的预置物理应用模式 – 自定义PDE应用模式
菜单 工具条
• 无穷的耦合能力
– 各节点上的解的近似函数可以用来求解整个求解域上任 意点的结果
2、COMSOL简介及前后处 理
简介、几何建模、 CAD导入、后处理
什么是多物理场?
• 在描述一个对象时涉及多种物理现象的组合
• 这些现象都基于某种物理规律
• 这种物理规律可以借助于偏微分方程得到精确描述
自然对流 焦耳热 （电热耦合）