COMSOL在微纳光学领域中的应用
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6GHz贴片天线
• 海洋探测 • 输电线路
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
MEMS模块
模拟微尺度器件和影响它行为的各种物理现象 多物理场耦合：结构力学、压电效应、静电场、微流动、电流体、化学 反应 • 谐振器 • 制动器 • 传感器 • 压电设备 • 加速计 • 换能器 • 体声波和面内声波设备
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
传热模块
传导、对流以及辐射的通用应用模式
• 与传热有关的各种领域 • 无限元方法模拟非限制域
温度感应器
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
结构力学
专门用来计算结构的受力及变形情况
自然对流 （流热耦合）
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
我们习惯把自然界的各种现象用最基 本的物理、化学、数学等理论来描述。
然而客观上，自然界本身是以极其复 杂的形态而存在的。
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
工程问题物理问题
力学
航空 燃烧
航天
材料
流体力学 传热学
冶金
汽车
电磁学 声学 化学
。。。
等等
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
工程问题
解析解
很难解得出
没有解析解
数学问题
多物理场问题分析
物理场1 物理场2 偏微分方程 1 偏微分方程组 的解
偏微分方程 2 ...... 偏微分方程 N
物理场N
求解偏微分方程组
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics
Modules
Livelinks for CAD CAD Import Livelinks for Matlab Java Script
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
• 选择物理场 -告诉软件分析问题中包含哪些物理现象 • CAD绘图
-软件自带CAD绘图、导入CAD模型
建 模 流 程
• 指定分析条件 -指定材料、输入、输出选项 -指定边界条件 • 网格 -结构化或非结构化网格 • 求解
五、COMSOL 学习方法和资料
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
一、COMSOL介绍
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
Who are we
• COMSOL集团
- 成立于1986 年 - 总公司在瑞典斯德哥尔摩 - 研发中心：美国 瑞典 芬兰
动画: 管子的压扁(模式 动画展示).
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
岩土力学模块
结构力学模块的一个特殊附加模块 − 研究岩土工程中的塑性、变形、 土壤和岩石的失效问题 − 混凝土和岩石模拟专业工具 应用 − 隧道、挖掘、边坡稳定性和支护 结构
-稳态、瞬态、特征频率、参数化扫描分析
-直接、迭代求解器 • 后处理 -图像化显示关心位置的数值大小 -对数据集进行积分、通量、受力等函数计算 -生成报告
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
几何建模
• 使用 COMSOL Multiphysics 的内置建模工具. • 导入和修复CAD格式文件 (STEP, IGES, SAT, Parasolid, ...). • 从第三方软件导入图像.
常数 函数表达式 测得数据(如Excel表单) 应用COMSOL Multiphysics 的内置材料库 – 材料库里包含近2500种材料. – – – –
设定材料参数和边界条件
• 各种应用模式有它们各自的材料 和边界设定.
仿 真 智 领 创 新
Model courtesy Comet AG, Switzerland.
自动和交互式网格划分
映射
自由剖分四面 体网格
混合
边界层
扫掠
自适应
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
求解
• 求解器类型:
– – – – – – – – 直接 迭代 分离 多重格点 稳态 瞬态 参数 更多…
• 求解类型:
求解
• 处理器支持:
– 多核 – 集群
基于材料破坏临界面理论，对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳分 析 • 线性和非线性的应力应变分析
• 热应力和热应变 • 弹塑性和超弹性 • 接触分析和摩擦 • 屈服 • 粘弹性，粘塑性和蠕变
球形轴承及密封圈应力分布
• 压电效应
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Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics
基于偏微分方程或常微分方程通过 有限元算法实现多场耦合
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
• 实时连接 SolidWorks , AutoDesk Inventor, 和Pro/ENGINEER
支持模型几何的双向调用
• 每种对于CAD的 LiveLink 都包含CAD 导 入模块
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
材料&参数设定
• 定义材料参数:
钢筋混凝土应力失效时的应力分布
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
声学模块
全面处理流体和固体中的声波问题 支持时谐、瞬态、本征频率、以及模态等分析 • 扬声器 • 麦克风 • 消声器 • 隔音板 • 建筑声学
音箱声压级分布
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
网格剖分
• 应用 COMSOL Multiphysics 的工具创建网格.
• 支持导入Nastran 格式的网格 文件.
生成网格
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Model courtesy Comet AG, Switzerland.
Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics
模块简介
喷气发动机涡轮叶片温度场和应力分布
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
AC/DC模块
AC/DC模块的功能涵盖了静电场、静磁场、 直流交流电磁，以及与其它物理场的无限制耦合。 • 电容器 • 电感器
Matlab PDE Toolbox 1.0 Femlab 1.0 ~ Femlab 3.1（2003年，v3.0具备独立求解器） COMSOL Multiphysics 3.2a (2005年) COMSOL Multiphysics 3.5a COMSOL Multiphysics v4.2a COMSOL Multiphysics 4.3a(现在)
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
可视化结果输出
• 图像
– – – – – – – – 面图 箭头标示 流线 粒子追踪 线图 体积图 切面 等值面
结果可视化
• • • •
动画 图表 数据 (例如Excel) 综合报告
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Simulating inspires innovation
Model courtesy Comet AG, Switzerland.
4.3a最新界面
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics v4.3a
Multiphysics is the name of the game, while PDEs set the rules. ---Dr. Svante Littmarck, CEO of COMSOL Inc.
COMSOL Multiphysics 在微纳光学领域中的应用
中仿科技 卢善文（Even Lu） December 5, 2012
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
目录
一、COMSOL 发展历程介绍
二、COMSOL 建模思想介绍
三、COMSOL 功能应用介绍 四、COMSOL 在微纳光学领域的案例分析
• 电动机&发电机
• 电阻、感应加热 • SPICE电路与场模拟 • 电磁兼容（EMC）
X射线高压电机电磁场分布
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
RF模块
用于模拟射频、微波和光学工程中电磁波在结构内部和周围的传播，该 结构可以是金属、电介质、旋磁，甚至是具有工程特性的超材料 • 天线、波导（热力效应） • 微波、射频加热 • 生物加热 • 等离子激光 • 超材料
Simulating inspires innovation
计算流体力学
层流、湍流、多相流、非等温流、可压缩与不可压缩流、非牛顿流、薄膜流、 多孔介质流、搅拌、流固耦合等 与能量传递和质量传递相耦合模拟“三传”现象 • 共轭传热
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
CnTech in China：中仿科技
总部： 上海
分公司： 北京，武汉，深圳 项目咨询 技术支持 售后服务团队和培训中心
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Simulating inspires innovation
二、背景概述
绘制或导入几何模型
• 从文本文档导入数据.
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Simulating inspires innovation
CAD导入模块
• 支持的CAD格式
-
Parasolid (.x_t, .x_b) SAT (.sat, .sab) STEP (.step, .stp) IGES (.igs, .iges) Autodesk Inventor part (.ipt) Autodesk Inventor assembly (.iam) Pro/ENGINEER (.prt, .asm) SolidWorks (.sldprt, .sldasm)
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Simulating inspires innovation
等离子体
涵盖流体力学、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
研究等离子体的产生机理和过程 • • • • • • 照明 等离子体显示板 有害气体破坏 等离子源 蚀刻技术 半导体工艺
感应耦合等离子体模型
非线性结构材料（新）
介绍:
- 应用于结构力学和微机电的非线性 材料模型 - 附加于结构力学模块或微机电模块
应用:
– 任何结构变形，变形区足够大或高 温条件下的非线性变形 – 弹塑性、粘塑性、蠕变、超弹性等
管子被压扁发生的大应 变弹塑性变形
金属棒的颈缩变形. 此案例 为大应变塑性变形的经典 基准案例.
数值解
差分法 有限元方法 边界元法 。。。
（解偏微分方程）
猜想
验证
再猜想
再验证
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
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） 电+热+结构+流体 受热变形
COMSOL Multiphysics
• 真正的多物理场
– 解决前沿的单物理场问题
– 任意多物理场耦合
——完源自文库的仿真平台
• 简便易用
– 内置多种应用模式便于快速建模 – 图形化操作界面
• 开放灵活
– 自定义材料参数和函数
– 任意参数化
– 可以修改和添加方程
• 高性能运算
– 支持多核与多重处理器运算 – 支持集群并行运算
• 海洋探测 • 输电线路
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MEMS模块
模拟微尺度器件和影响它行为的各种物理现象 多物理场耦合：结构力学、压电效应、静电场、微流动、电流体、化学 反应 • 谐振器 • 制动器 • 传感器 • 压电设备 • 加速计 • 换能器 • 体声波和面内声波设备
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传热模块
传导、对流以及辐射的通用应用模式
• 与传热有关的各种领域 • 无限元方法模拟非限制域
温度感应器
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结构力学
专门用来计算结构的受力及变形情况
自然对流 （流热耦合）
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Simulating inspires innovation
我们习惯把自然界的各种现象用最基 本的物理、化学、数学等理论来描述。
然而客观上，自然界本身是以极其复 杂的形态而存在的。
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工程问题物理问题
力学
航空 燃烧
航天
材料
流体力学 传热学
冶金
汽车
电磁学 声学 化学
。。。
等等
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工程问题
解析解
很难解得出
没有解析解
数学问题
多物理场问题分析
物理场1 物理场2 偏微分方程 1 偏微分方程组 的解
偏微分方程 2 ...... 偏微分方程 N
物理场N
求解偏微分方程组
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COMSOL Multiphysics
Modules
Livelinks for CAD CAD Import Livelinks for Matlab Java Script
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• 选择物理场 -告诉软件分析问题中包含哪些物理现象 • CAD绘图
-软件自带CAD绘图、导入CAD模型
建 模 流 程
• 指定分析条件 -指定材料、输入、输出选项 -指定边界条件 • 网格 -结构化或非结构化网格 • 求解
五、COMSOL 学习方法和资料
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一、COMSOL介绍
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Who are we
• COMSOL集团
- 成立于1986 年 - 总公司在瑞典斯德哥尔摩 - 研发中心：美国 瑞典 芬兰
动画: 管子的压扁(模式 动画展示).
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岩土力学模块
结构力学模块的一个特殊附加模块 − 研究岩土工程中的塑性、变形、 土壤和岩石的失效问题 − 混凝土和岩石模拟专业工具 应用 − 隧道、挖掘、边坡稳定性和支护 结构
-稳态、瞬态、特征频率、参数化扫描分析
-直接、迭代求解器 • 后处理 -图像化显示关心位置的数值大小 -对数据集进行积分、通量、受力等函数计算 -生成报告
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几何建模
• 使用 COMSOL Multiphysics 的内置建模工具. • 导入和修复CAD格式文件 (STEP, IGES, SAT, Parasolid, ...). • 从第三方软件导入图像.
常数 函数表达式 测得数据(如Excel表单) 应用COMSOL Multiphysics 的内置材料库 – 材料库里包含近2500种材料. – – – –
设定材料参数和边界条件
• 各种应用模式有它们各自的材料 和边界设定.
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Model courtesy Comet AG, Switzerland.
自动和交互式网格划分
映射
自由剖分四面 体网格
混合
边界层
扫掠
自适应
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求解
• 求解器类型:
– – – – – – – – 直接 迭代 分离 多重格点 稳态 瞬态 参数 更多…
• 求解类型:
求解
• 处理器支持:
– 多核 – 集群
基于材料破坏临界面理论，对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳分 析 • 线性和非线性的应力应变分析
• 热应力和热应变 • 弹塑性和超弹性 • 接触分析和摩擦 • 屈服 • 粘弹性，粘塑性和蠕变
球形轴承及密封圈应力分布
• 压电效应
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COMSOL Multiphysics
基于偏微分方程或常微分方程通过 有限元算法实现多场耦合
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• 实时连接 SolidWorks , AutoDesk Inventor, 和Pro/ENGINEER
支持模型几何的双向调用
• 每种对于CAD的 LiveLink 都包含CAD 导 入模块
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材料&参数设定
• 定义材料参数:
钢筋混凝土应力失效时的应力分布
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声学模块
全面处理流体和固体中的声波问题 支持时谐、瞬态、本征频率、以及模态等分析 • 扬声器 • 麦克风 • 消声器 • 隔音板 • 建筑声学
音箱声压级分布
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网格剖分
• 应用 COMSOL Multiphysics 的工具创建网格.
• 支持导入Nastran 格式的网格 文件.
生成网格
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Model courtesy Comet AG, Switzerland.
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COMSOL Multiphysics
模块简介
喷气发动机涡轮叶片温度场和应力分布
仿 真 智 领 创 新
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AC/DC模块
AC/DC模块的功能涵盖了静电场、静磁场、 直流交流电磁，以及与其它物理场的无限制耦合。 • 电容器 • 电感器
Matlab PDE Toolbox 1.0 Femlab 1.0 ~ Femlab 3.1（2003年，v3.0具备独立求解器） COMSOL Multiphysics 3.2a (2005年) COMSOL Multiphysics 3.5a COMSOL Multiphysics v4.2a COMSOL Multiphysics 4.3a(现在)
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可视化结果输出
• 图像
– – – – – – – – 面图 箭头标示 流线 粒子追踪 线图 体积图 切面 等值面
结果可视化
• • • •
动画 图表 数据 (例如Excel) 综合报告
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Model courtesy Comet AG, Switzerland.
4.3a最新界面
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COMSOL Multiphysics v4.3a
Multiphysics is the name of the game, while PDEs set the rules. ---Dr. Svante Littmarck, CEO of COMSOL Inc.
COMSOL Multiphysics 在微纳光学领域中的应用
中仿科技 卢善文（Even Lu） December 5, 2012
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Simulating inspires innovation
目录
一、COMSOL 发展历程介绍
二、COMSOL 建模思想介绍
三、COMSOL 功能应用介绍 四、COMSOL 在微纳光学领域的案例分析
• 电动机&发电机
• 电阻、感应加热 • SPICE电路与场模拟 • 电磁兼容（EMC）
X射线高压电机电磁场分布
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
RF模块
用于模拟射频、微波和光学工程中电磁波在结构内部和周围的传播，该 结构可以是金属、电介质、旋磁，甚至是具有工程特性的超材料 • 天线、波导（热力效应） • 微波、射频加热 • 生物加热 • 等离子激光 • 超材料
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计算流体力学
层流、湍流、多相流、非等温流、可压缩与不可压缩流、非牛顿流、薄膜流、 多孔介质流、搅拌、流固耦合等 与能量传递和质量传递相耦合模拟“三传”现象 • 共轭传热
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CnTech in China：中仿科技
总部： 上海
分公司： 北京，武汉，深圳 项目咨询 技术支持 售后服务团队和培训中心
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二、背景概述
绘制或导入几何模型
• 从文本文档导入数据.
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
CAD导入模块
• 支持的CAD格式
-
Parasolid (.x_t, .x_b) SAT (.sat, .sab) STEP (.step, .stp) IGES (.igs, .iges) Autodesk Inventor part (.ipt) Autodesk Inventor assembly (.iam) Pro/ENGINEER (.prt, .asm) SolidWorks (.sldprt, .sldasm)
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Simulating inspires innovation
等离子体
涵盖流体力学、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
研究等离子体的产生机理和过程 • • • • • • 照明 等离子体显示板 有害气体破坏 等离子源 蚀刻技术 半导体工艺
感应耦合等离子体模型
非线性结构材料（新）
介绍:
- 应用于结构力学和微机电的非线性 材料模型 - 附加于结构力学模块或微机电模块
应用:
– 任何结构变形，变形区足够大或高 温条件下的非线性变形 – 弹塑性、粘塑性、蠕变、超弹性等
管子被压扁发生的大应 变弹塑性变形
金属棒的颈缩变形. 此案例 为大应变塑性变形的经典 基准案例.
数值解
差分法 有限元方法 边界元法 。。。
（解偏微分方程）
猜想
验证
再猜想
再验证
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Simulating inspires innovation
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） 电+热+结构+流体 受热变形
COMSOL Multiphysics
• 真正的多物理场
– 解决前沿的单物理场问题
– 任意多物理场耦合
——完源自文库的仿真平台
• 简便易用
– 内置多种应用模式便于快速建模 – 图形化操作界面
• 开放灵活
– 自定义材料参数和函数
– 任意参数化
– 可以修改和添加方程
• 高性能运算
– 支持多核与多重处理器运算 – 支持集群并行运算