COMSOL Multiphysics

基本介绍

COMSOL Multiphysics®是多物理场仿真平台的基本模块，内置“模型开发器”、“App开发器”和“模型管理器”三个组件：“模型开发器”主要用于创建、求解仿真模型，分析结果数据等；“App开发器”用于定制开发仿真App；“模型管理器”主要用于管理包括仿真模型、辅助数据和仿真App的仿真数据。

作为业界领先的多物理场仿真平台，COMSOL Multiphysics®提供了仿真单一物理场以及灵活耦合多个物理场的功能，供工程师和科研人员来精确分析各个工程领域的设备、工艺和流程。软件内置的模型开发器包含完整的建模工作流程，可实现从几何建模、材料参数和物理场设置，求解到结果处理的所有仿真步骤。

App开发器支持在已有仿真模型的基础上，进一步定制开发用户界面，将其转换成直观易用的仿真App，分享给合作者使用。模型管理器可对仿真模型进行版本管理，节省仿真数据的存储空间，实现更便捷、高效的数据管理。

COMSOL产品库中丰富的附加模块均可与COMSOL Multiphysics®灵活地组合使用，正因为此，软件可以在同一个用户界面内，提供适用于不同工程领域的专业解决方案。

特色功能

几何建模和CAD接口

操作、序列和选择

COMSOL Multiphysics®基本模块提供了丰富的几何建模工具，支持通过生成实体对象、表面、曲线，以及布尔操作来创建复杂的几何实体。几何建模通过操作序列来定义，每个操作都包含输入参数，方便在后续建模过程中执行编辑和参数扫描。几何建模与后续物理场设置紧密相连，当模型几何发生变化时，软件会自动将相关变化传递到整个模型设置中，以确保模型的一致性。

用户可以对域和表面等几何实体进行分组，并在后续的物理场定义、网格划分以及结果处理等操作中调用，以简化操作。不仅如此，用户还可以创建参数化几何零件，并将其存储到“零件库”中，以便在多个模型中重复使用，进一步简化模型开发过程。

导入、修复、特征去除和虚拟操作

借助于CAD导入模块和ECAD导入模块，用户可以将各种标准的CAD和ECAD文件导入到COMSOL Multiphysics®软件中。对于表面网格模型（如STL格式），COMSOL基本模块不仅支持其导入，还可将其转换为几何实体对象。导入操作与几何序列中的其他操作类似，您可以将其与选择和关联操作结合使用，以执行参数化和优化研究。

设计模块进一步扩展了COMSOL Multiphysics®的几何操作功能，提供几何修复、特征去除等工具。COMSOL®还提供虚拟操作，可用于消除对提升仿真精度没有帮助的几何缺陷（如长条面、狭小面等）对网格的影响。与几何修复相比，虚拟操作能够在保持原几何不变的情况下生成更优质的网格。

几何建模功能

体素长方体、球体、圆锥环面、椭球、圆柱体、螺旋、金字塔、六面体参数化曲线、参数化曲面、多边形、贝塞尔多边形、插值曲线、点

拉伸、回转、扫掠、放样1

布尔操作：并集、交集、差集和分割

转变：阵列、复制、镜像、移动、旋转和缩放

转换：转换为实体、曲面和曲线

抽取中面1、加厚1、拆分

倒斜角和倒圆角2

虚拟操作移除细节

忽略：顶点、边和面

形成复合结构：边、面、域

塌陷：边、面

合并：顶点、边

网格控制：顶点、边、面、域

使用实体、曲面、曲线和点的混合建模

使用二维几何建模的工作平面

通过附加的“CAD导入模块”、“设计模块”和CAD LiveLink™产品实现CAD导入和互操作

通过附加的“CAD导入模块”、“设计模块”和CAD LiveLink™产品实现CAD修复和特征去除端盖面、删除

圆角、短边、长条面、小面、面、尖峰

分离面、接合至实体、修复

注意：

需要“设计模块”

相应的三维操作需要“设计模块”

丰富的预定义接口，支持基于物理场建模

COMSOL®软件提供了一系列预定义的物理场接口，并且预置了一些常见的多物理场耦合，用于模拟各种物理现象。针对相关的科学或工程领域，每个物理场接口都提供了专门的设置选项。软件还会根据选定的接口提供研究类型建议，如瞬态或稳态求解等。一旦选定研究类型，软件会自动配置相应的数值离散方法、求解器序列、可视化和结果设置，这些设置也支持用户修改。

COMSOL Multiphysics®平台预置了大量的核心物理场接口，涉及电磁、力学、声学、流体、传热、化学工程等诸多领域。COMSOL基本模块可与产品库中的附加模块结合使用，提供一系列更专业、适用于特定工程领域的建模功能。

基于物理场建模功能

物理场接口

电流

静电

固体和流体传热

焦耳热

层流

压力声学

固体力学

稀物质传递

磁场，二维

特定于App的模块包含许多附加的物理场接口

材料

各向同性和各向异性材料

不连续材料

空间变化的材料

时变材料

随任意物理量变化的非线性材料属性

基于方程建模，更加灵活的仿真工具

想要真正推动科研与工程创新，软件仅提供一成不变的工作环境是远远不够的。理想的仿真软件应允许用户在软件界面中灵活地根据数学方程开发仿真模型。正是基于这一理念，COMSOL Multiphysics®支持用户在软件界面内，通过添加和定制表达式、方程等来描述各种物理现象。在生成数值模型之前，软件自带的方程编译器可以实时编译这些数学表达式，方便用户设置和检查。

基于“物理场开发器”，用户还可以通过自定义方程来创建新的物理场接口，并在后续其他模型中轻松调用这些接口。

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-欧拉（ALE）方法，可以用公式表示变形几何和动网格问题

代数方程

常微分方程（ODE）

微分代数方程（DAE）

灵敏度分析（附加的优化模块提供的优化功能）

曲线坐标计算

自动和手动网格划分

基于不同的物理场和研究类型，COMSOL Multiphysics®软件提供了多种数值技术，来进行网格划分和数值离散化。主要的离散化方法基于有限元技术（有关方法的完整列表，请参见本页的求解器一节）。软件提供的通用网格算法可以为相应数值方法提供与之相匹配的网格模型。例如，对于某些问题，默认生成自由四面体网格，或使用四面体与边界层网格相结合，以提供更快速、更准确的结果。

网格划分功能列表

自由四面体网格划分

含棱柱和六面体单元的扫掠网格

边界层网格划分

四面体、棱柱、金字塔和六面体体积单元

三维表面和二维模型的自由三角形网格划分

三维表面和二维模型的映射和自由四边形网格划分

复制网格操作

虚拟几何操作

域、边界和边的网格分割

用于外部生成网格的导入和编辑功能

研究步骤、参数研究和优化

研究或分析类型

在选择物理场接口后，COMSOL Multiphysics®会提供多种研究（分析类型）建议。例如，对于固体力学分析，软件会建议瞬态、稳态或特征频率研究；对于CFD问题，软件则提供瞬态或稳态研究选项。当然，用户也可以根据需要选择其他研究类型。研究步骤序列能够有效地组织求解过程，并让您可以选择每个研究步骤中求解的模型变量。从之前的任何研究步骤中得到的解都可以用作后续研究步骤的输入。

扫描、优化和估计

任何研究步骤都可以对模型中一个或多个参数进行参数化扫描计算，扫描的参数可以为几何参数、物理场定义中的设置参数，也可以是不同的材料及其属性，或者是预定义的函数。

结合优化模块，用户可以针对多物理场模型进行拓扑优化、形状优化或参数估计的优化研究。COMSOL Multiphysics® 提供了无梯度和基于梯度的优化方法，支持用户使用最小二乘法公式和一般优化问题公式进行参数估计。此外，软件还提供内置的灵敏度研究，用于计算目标函数相对于模型中任意参数的灵敏度。

研究列表

稳态

瞬态

特征频率

特征值

频域

参数化扫描

函数扫描

材料扫描

灵敏度

模型降阶

先进的数值方法，实现精确求解

COMSOL Multiphysics®软件的方程编译器为数值引擎提供了最佳动力，以实现稳态、瞬态、频域和特征频率研究的全耦合偏微分方程组的精确求解。软件使用有限元法（FEM）对偏微分方程组在(x,y,z)空间变量上进行离散化处理；部分问题也可以基于边界元法（BEM）进行空间离散化。对于同时与空间和时间相关的问题，则采用直线法，其中使用FEM（或BEM）对空间进行离散化，从而形成常微分方程组（ODE），然后使用包括时间步进的隐式和显式方法在内的高级方法来求解这些常微分方程。

COMSOL Multiphysics®支持对非线性的瞬态和稳态问题的求解，离散化后也会形成非线性方程组。COMSOL Multiphysics®中的引擎提供全耦合的雅可比矩阵，用于指定非线性求解器进行求解。阻尼牛顿法用于求解稳态问题的非线性系统，或在时间步进过程中求解瞬态问题。牛顿法使用雅可比矩阵求解一系列线性方程组，得到非线性系统的解。

对于线性问题（也在非线性求解器步骤中求解，请参见上文），COMSOL®软件提供直接求解器和迭代求解器。直接求解器适用于求解中小型问题，而迭代求解器适用于较大的线性系统。软件提供了多种迭代求解器供选择，并内置了先进的预条件器（如多重网格预条件器），以确保迭代求解过程稳定、快速地执行。

此外，不同的物理场接口针对求解的相应问题，为求解器提供了最佳默认设置。这些设置并不是固定不变的，您可以根据具体求解的问题，直接在用户界面的每个求解器节点下更改和手动配置求解器的设置来调整求解性能。在满足条件的情况下，求解器和其他计算密集型算法可以并行计算，实现多核和集群计算。共享内存和分布式内存方法都可用于直接和迭代求解器，并且适用于大型参数化扫描。求解过程中的所有步骤都可以使用并行计算来提高计算效率。

求解器列表

空间离散化：有限元法基于节点的拉格朗日单元和不同阶次的巧凑边点单元

旋度单元（也称为矢量或边单元）

用于对流占优问题和流体流动的Petrov-Galerkin和Galerkin最小二乘法

求解过程中的自适应网格和自动网格细化

边界元法

间断伽辽金法

时空离散化：直线法（空间 FEM 和 BEM）

常微分方程和微分代数方程时间步进求解器：用于刚性问题的隐式方法（BDF）

用于非刚性问题的显式方法

非线性代数系统：阻尼牛顿法

双折线法

线性代数系统：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、共轭梯度、TFQMR预条件器：SOR、雅可比、Vanka、SCGS、SOR Line/Gauge/Vector、几何多重网格（GMG）、代数多重网格（AMG）、麦克斯韦辅助空间（AMS）、不完全 LU 分解、Krylov、域分解

所有预条件器都可以用作迭代求解器

附加产品中提供附加的离散化方法，包括粒子和射线追踪方法

强大的可视化工具，直观地展示仿真结果

COMSOL Multiphysics®提供了功能强大的可视化和结果处理工具，帮助用户简洁有效地呈现仿真结果。无论是使用软件内置的工具还是通过输入数学表达式，您都可以通过派生物理量来增强可视化效果。

丰富的可视化功能

软件提供了全方位的可视化功能，包括表面图、切面图、等值面图、截面图、箭头图和流线图等众多绘图类型，还提供了一系列数值后处理工具，用于计算各种表达式，例如积分和导数。用户可以计算整个模型在体、表面、沿曲边以及点上的任意物理量或派生物理量的最大值、最小值、平均值和积分值。许多附加模块还额外提供了针对特定工程和科学领域的专用后处理工具。

导出结果和生成其他格式的报告

仿真数据支持导出，以通过第三方工具进行处理。数值计算结果可以导出为.txt、.dat和.csv格式的文本文件，也可以导出为非结构化的VTK格式，还可以通过LiveLink™ for Excel®导出为 Microsoft Excel®电子表格文件格式（.xlsx）。图像不仅可以导出为多种常见的图像格式，还支持glTF™文件格式，用于导出3D场景。动画可以导出为WebM格式、动画GIF、Adobe Flash®技术或AVI文件。整个仿真项目的汇总报告可以导出为（.htm、.html）、Microsoft®Word®文件格式（.doc）或 Microsoft®PowerPoint®文件格式（.pptx）。

结果可视化功能列表

可视化表面图

等值面图

箭头图

切面图

流线图

云图

后处理体、表面、边和点上任意物理量的积分、平均值、最大值和最小值

定制数学表达式，包括场变量及其导数、空间坐标、时间和复值物理量

基于物理场的许多模块都包含专用的后处理和计算技术

支持3Dconnexion SpaceMouse®设备

导入和导出文本

Microsoft Excel® .xlsx 格式

图像

动画

网格

CAD格式

等等