Как комбинировать и сравнивать несколько решений в COMSOL Multiphysics®

10/05/2017

В версии 5.3 программного обеспечения COMSOL Multiphysics® расширился функционал для совместного управления несколькими решениями. В частности доступны следующие возможности: комбинация двух решений в одно; сохранение решений в разных наборах данных для независимой постобработки и анализа; а также сопряжение решений, к примеру, для их сравнения. В этой заметке мы покажем, как использовать эти полезные инструменты.

Комбинирование решений с помощью операций Concatenation (Объединение) и Summation (Суммирование)

Предположим, что у нам нужно провести расчет во временной области в два шага:

  1. С начального момента времени до некоторой промежуточной отсечки
  2. От промежуточного момента времени до конца

Допустим, на втором шаге нам необходимо внести изменения в физический интерфейс, отражающие определенные изменение свойств моделируемого устройства на промежуточной отсечке времени. Однако, при постобработке результатов мы хотим рассматривать оба шага расчёта, как единое непрерывное нестационарное решение.

Для этого можно воспользоваться новым шагом исследования Combine Solutions (Комбинация решений), который доступен в COMSOL Multiphysics®, начиная с версии 5.3. С его помощью него можно объединять два решения (т.е. полученных в процессе решения наборов данных) из разных шагов исследования в модели. Помимо объединения решений (например, расчетов во временной области или параметрических исследований) возможно проведение суммирования (опция Summation) решений (например, для создания решения, которое является суммой различных собственных мод).

Пример: Комбинация результатов расчётов во временной области

В качестве примера комбинирования решений давайте рассмотрим учебную модель Axisymmetric Transient Heat Transfer (Пример расчета теплопередачи в осесимметричной постановке) . В этой модели показано, как нагревается цилиндрический объект при изменении температуры на внешних границах от 0°C до 1000°C за 190 секунд.

Давайте посмотрим, что произойдёт, если мы добавим ещё один шаг нестационарного исследования, который стартует в момент времени 190 секунд, при этом границы станут термоизолироваными. Для комбинации двух расчётов во временной области используем шаг Combine Solutions, который позволит объединить первый и второй шаги. В настройках второй шаг исследования называется Current (текущее решение), так как оно рассчитывается на предыдущем относительно Combine Solutions шаге.

Для сравнения добавим третий шаг исследования, который демонстрирует продолжение непрерывного нагрева границ в течении всего рассмотренного диапазона времени. На данном этапе исследование целиком состоит из следующих шагов:

Шаги исследования для скомбинированного и референсного решений в COMSOL Multiphysics®.
Первые два шага мы затем комбинируем, а третий шаг используется в качестве референсного.

В настройках шага Combine Solutions необходимо выбрать шаги исследования, которые мы хотим объединить.

Окно настроек узла Combine Solutions.
В настройках шага Combine Solutions необходимо выбрать тип выполняемой операции (поле Solution operation) и шаги исследования, которые мы хотим объединить.

После запуска расчёта, для каждого шага исследования автоматически создаются соответствующие решатели и подузлы Solution Store (Хранилище решения) в узле Solver configuration (Конфигурация решателя), а также наборы данных (data sets) для каждого решения в узле Results для постобработки. Итоговые наборы данных и соответствующая конфигурации решателя показаны ниже.

Скриншот с наборами данных для комбинации двух нестационарных исследований.
Конфигурация решателя для исследований во временной области и комбинации двух из них.

Наборы данных (слева) и конфигурация решателя (справа). Самый верхний набор данных относится к третьему (т.е. финальному) нестационарному шагу исследования.

Кроме того, мы добавили дополнительные наборы данных:

  • Набор данных Revolution 2D для визуализации двумерного осесимметричного решения в виде 3D цилиндрической геометрии
  • Два набора данных Cut Point 2D (секущая точка в 2D) для расчёта и построения графика температуры в референсной точке
    • Один из этих наборов данных относится к объединению решений (через операцию Concatenation)
    • Второй относится к непрерывному референсному решению
  • Набор данных Join (Сопряжение) для расчёта разницы между объединённым и непрерывным решениями и построения соответствующего графика

Ниже показан график зависимости температуры от времени для объединённого решения, для которого после 190-ой секунды нагрев заменяется термоизоляцией, а также аналогичный график для непрерывного решения, в котором нагрев продолжается в течении всего расчета.

Одномерный график объединённого и непрерывного решений.
Объединённое решение (розовая сплошная линия) и непрерывное решение (чёрная пунктирная линия). Как и ожидалось, рост температуры замедляется при добавлении изоляции.

С помощью набора данных Join (Сопряжение) можно построить график разности температур между двуми решениями. До момента добавления изоляции расчетные температуры идентичны, что абсолютно ожидаемо.

На графике изображена разница температур между двуми решениями.
Разница температур между двумя решениями.

С помощью набора данных Revolve 2D можно визуализировать распределение температуры в 3D.

Распределение температуры в модели по окончанию непрерывного расчёта.
Распределение температуры в сегменте трёхмерной геометрии по окончанию непрерывного расчёта.

Запуск расчёта несколько раз и сохранение решений в разных наборах данных

Теперь рассмотрим другой пример управления несколькими решениями. Допустим, вы хотите выполнить расчёт несколько раз (с некоторыми изменениями в модели и в настройках) и при этом в постобработке и анализе использовать отдельные наборы данных для каждого расчёта.

После окончания первого расчёта в узле Study (Исследование) нажмите правой кнопкой мыши на подузел Solver Configurations (Конфигурация решателя) и выберете опцию Create Solution Copy (Создать копию решения), чтобы создать Solution – Copy (Копия решения) и соответствующий набор данных для текущего решения (т.е. относящийся к решению Solution – Copy узла Solver Configurations).

Далее можно внести изменения в модель или в настройки решателя и выполнить второй расчёт. После его окончания автоматически будет доступно новое решение. Таким образом, мы сможем выполнять постобработку индивидуально для каждого решения (этот метод можно расширить и создать дополнительные решения). Также можно использовать набор данных Join (Сопряжение) для преобразования на основе двух разных наборов данных (например для получения разницы решений).

В качестве альтернативы можно просто создать дубликат определенного набора данных. Для этого нужно нажать правой кнопкой мыши по набору данных Solution и выбрать опцию Duplicate (Дубликат) или просто использовать комбинацию клавиш Ctrl+Shift+D. Разница между этими вариантами заключается в том, что дублирование не создаёт новое решение и, по умолчанию, относится к тому же решению, что и исходный набор данных. Например, можно продублировать набор данных и добавить подузел Selection (Выборка), если необходимо произвести постобработку результатов только в определённой части геометрии. Начиная с последней версии COMSOL Multiphysics, добавление подузла Selection также доступно для большинства типов графиков. Это позволяет, к примеру, напрямую скрывать ненужные границы, не создавая новые наборы данных.

Пример: Несколько решений для модели гаечного ключа

Для демонстрации давайте рассмотрим учебную модель Stresses and Strains in a Wrench (Напряжения и деформации в гаечном ключе).

Одним из вариантов расчёта напряжений и деформаций в ключе при различных силах, приложенных (как граничная нагрузка) к краю, является использование параметрического исследования. Однако давайте посмотрим, что произойдёт, если мы изменим направление нагрузки на противоположное, т.е. вверх (в отличие от учебной модели из Галереи приложений, в которой нагрузка приложена вниз). Скопируем и сохраним исходное решение, чтобы оба случая можно было проанализировать отдельно.

Чтобы убедиться, что разность напряжений для двух случаев близка к нулю, добавим набор данных Join (Сопряжение), с помощью которого будем вычислять разницу между решениями. Дважды дублируя набор данных исходного решения, создаём два дополнительных набора данных. Используя узел Selection (выборка), в одном из них выбираем только ключ, в другом — только болт. Итоговый список наборов данных для такой модели показан ниже.

Наборы данных для модели ключа, которые используются для обработки нескольких решений в COMSOL Multiphysics®.
Последовательность наборов данных для сравнения двух случаев расчета, а также для дополнительной постобработки — оригинальный расчет только с ключом и только с болтом.

Верхний набор данных Solution относится к последнему решению. В данном случае — это расчёт с изменённой нагрузкой. Остальные наборы данных Solution являются копиями исходного решения с приложенной вниз нагрузкой.

Результаты расчёта с нагрузкой, приложенной вверх.
На рисунке изображены результаты расчёта исходной модели ключа.

Результаты расчёта с нагрузкой, приложенной вверх (слева) и вниз (справа).

Набор данных Join позволяет в т.ч. провести расчёт разницы между двумя решениями, изображёнными выше.

На графике показана разница напряжений для двух наборов данных.
Разница между действующими значениями напряжений, полученная с помощью набора данных Join (Сопряжение), практически нулевая.

В двух последних наборах данных сохранено первое решение, но только для болта или только для ключа. Для этого в узле Selections были выбраны соответствующие границы двух деталей.

Визуализация результатов только для области ключа.
Визуализация результатов только для области болта, получена с использование выборок.

Расчетные результаты (для нагрузки вниз) только для ключа (слева) и только для болта (справа). В этих графиках используются наборы данных с выборками.

Таким образом возможно эффективнее анализировать и более гибко отображать результаты для обоих случаев приложенной нагрузки: для разницы между решениями и для каждой из частей модели.

Заключительные замечания по работе с несколькими решениями в COMSOL Multiphysics®

Рассмотренные примеры демонстрируют некоторые гибкие и мощные инструменты, которые стали доступны в версии 5.3 программного обеспечения COMSOL Multiphysics®. Инструменты объединения, суммирования и копирования решений помогают комбинировать решения для удобной и эффективной постобработки, а также сохранять отдельные решения для разных вариантов модели. Функционал дублирования и сопряжения наборов данных позволяет сравнивать решения и визуализировать разные аспекты одного решения. Эти инструменты достаточно универсальны и будут полезны в самых различных приложениях.

Дополнительные материалы


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ