Среда разработки моделей

В состав COMSOL Multiphysics® входит Среда разработки моделей (в англ. Model Builder), которая позволяет пройти все этапы от построения геометрической модели до визуализации результатов моделирования, следуя простой процедуре. Независимо от того, какую инженерную задачу вы решаете или какой физический процесс моделируете, пользовательский интерфейс будет одинаков, а Среда разработки моделей будет вас направлять.

Связаться с COMSOL
$this->cmtrans('alt-hero', 'application/product/pages/comsol-multiphysics/model-builder-2021')

Геометрическое моделирование и интеграция с CAD-пакетами

Операции, последовательности и выборки

Базовая платформа COMSOL Multiphysics® содержит инструменты геометрического моделирования для создания элементов геометрии на основе твердых тел, поверхностей, кривых и булевых операций. Итоговая геометрия определяется последовательностью операций, каждая из которых может получать входные параметры, что облегчает редактирование и параметрические исследования мультифизических моделей. Связь между определением геометрии и настройками физики двусторонняя — любое изменение геометрии автоматически приводит к соответствующим изменениям в связанных настройках модели.

Любые геометрические объекты можно объединять в выборки (в англ. selection) для дальнейшего использования в определении физики и граничных условий, построении сеток и графиков. Кроме того, последовательность операций можно использовать, чтобы создать параметризованную геометрическую заготовку (в англ. geometry part), которую потом можно сохранить в Библиотеке CAD-заготовок (Part Library) и повторно использовать во многих моделях.

Импорт, обработка, устранение ошибок, упрощение геометрических моделей и виртуальные операции

Импорт всех стандартных CAD и ECAD файлов в COMSOL Multiphysics® поддерживается при наличии модулей «CAD-импорт» и «ECAD-импорт» соответственно. Модуль «CAD-импорт и CAD-операции» расширяет набор геометрических операций, доступных в COMSOL Multiphysics®. Модули «CAD-импорт» и «CAD-импорт и CAD-операции» предоставляют возможность исправлять ошибки в импортированной геометрии и удалять некоторые лишние детали (операции группы Repair & Defeaturing) для эффективного численного моделирования. Модели на основе поверхностных сеток, например, в формате STL, можно импортировать и преобразовывать в геометрические объекты с помощью базовой платформы COMSOL Multiphysics®. Операции импорта работают так же, как и все остальные геометрические операции - в них можно использовать выборки и ассоциативность при параметрических и оптимизационных исследованиях.

В качестве альтернативы операциям Repair и Defeaturing в пакете COMSOL® также реализованы так называемые виртуальные операции, которые позволяют исключить влияние ряда геометрических артефактов на конечно-элементную сетку, в частности, вытянутых и узких границ, которые могут понижать точность моделирования. В отличие от удаления деталей при дефичеринге, виртуальные операции не изменяют кривизну или точность геометрии, но позволяют получить более чистую сетку.

Список функций геометрического моделирования

  • Примитивы
    • Блок, сфера, конус, тор, эллипсоид, цилиндр, спираль, пирамида, шестигранник
    • Параметрическая кривая, параметрическая поверхность, многоугольник, полигоны Безье, интерполяционная кривая, точка
  • Операции Extrude (Вытяжка), Revolve (Разворот), Sweep и Loft (создать тело по траектории или по сечениям1
  • Булевы операции: объединение, пересечение, разность и разделение
  • Трансформации: создание массива, копирование, отражение, перемещение, вращение и масштабирование
  • Преобразования:
    • Преобразовать в замкнутое объемное тело, поверхность, кривую
    • Midsurface (Средняя поверхность)1, Thicken (Утолщение)1, Split (разделение на составляющие)
  • Chamfer (Фаска) и Fillet (Cкругление)2
  • Виртуальные операции
    • Remove details (Автоматическое применение виртуальных геометрических операций)
    • Игнорирование: вершин, ребер и границ
    • Формирование композитного объекта: из ребер, границ или областей
    • Схлопывание ребра или границы
    • Объединение вершин или рёбер
    • Контроль сетки: вершины, ребра, границы, области
  • Гибридное моделирование: твердые тела, поверхности, кривые и точки
  • Рабочие плоскости (Work Planes) с двухмерным геометрическим моделированием
  • Импорт из CAD и двусторонняя интеграция с помощью модулей «CAD-импорт», «CAD-импорт и CAD-операции» и продуктов группы LiveLink™
  • Исправление и удаление деталей из CAD-моделей с помощью модулей расширения «CAD-импорт», «CAD-импорт и CAD-операции» и продуктов группы LiveLink™
    • Cap faces (Закрыть грань), Delete (Удаление)
    • Скругление, Избавление от коротких ребер, узких граней, границ и выступов
    • Detach faces (Выделение домена из границ), Knit to solid (Избавление от зазоров), Repair (Обработка и исправление геометрии)
  1. Данная операция требует наличия модуля «CAD-импорт и CAD-операции»
  2. Данные операции в 3D требуют наличия модуля «CAD-импорт и CAD-операции»

Готовые предустановленные интерфейсы и функционал для физического моделирования

Программный пакет COMSOL® содержит готовые физические интерфейсы для моделирования самых разных физических явлений, в том числе распространенных междисциплинарных мультифизических взаимодействий. Физические интерфейсы — это специализированные пользовательские интерфейсы для отдельной инженерной или исследовательской области, которые позволяют досконально управлять моделированием исследуемого физического явления или явлений — от задания исходных параметров модели и дискретизации до анализа результатов. После выбора физического интерфейса программный пакет предлагает выбрать один из типов исследований, например, стационарное или во временной области. Программа также автоматически подбирает для математической модели подходящую численную дискретизацию, конфигурацию решателя и настройки визуализации и постобработки, подходящие для исследуемого физического явления. Все указанные настройки могут быть изменены при необходимости.

Платформа COMSOL Multiphysics® включает в себя большой набор базовых физических интерфейсов, например, интерфейсы для описания механики твердых тел, акустики, гидродинамики, теплопередачи, переноса химических веществ и электродинамики. Расширяя базовую платформу дополнительными продуктами COMSOL®, вы получаете набор специализированных интерфейсов для моделирования специализированных инженерных или научных задач.

Список доступных физических интерфейсов и представлений свойств материалов

Физические интерфейсы

  • Electric currents
  • Electrostatics
  • Heat transfer in solids and fluids
  • Joule heating
  • Laminar flow
  • Pressure acoustics
  • Solid mechanics
  • Transport of diluted species
  • Magnetic Fields, 2D
  • В состав модулей расширения включено множество дополнительных физических интерфейсов

Материалы

  • Изотропные и анизотропные материалы
  • Неоднородные материалы
  • Материалы с пространственно-неоднородными свойствами
  • Материалы со свойствами, изменяющимися во времени
  • Материалы с нелинейными свойствами, зависящими от какой-либо физической величины

Прозрачное и гибкое моделирование на основе пользовательских уравнений

Программный пакет для научных и инженерных исследований и инноваций должен быть не просто средой для моделирования с предопределенным и ограниченным набором возможностей. Он должен предоставлять пользователям интерфейсы для создания и настройки описаний собственных моделей на основе математических уравнений (в англ. equation-based modeling). Пакет COMSOL Multiphysics® обладает такой гибкостью — он содержит интерпретатор уравнений, обрабатывающий выражения, уравнения и другие математические описания перед созданием численной модели. Вы можете добавлять и настраивать выражения в физических интерфейсах, легко связывая их друг с другом для моделирования мультифизических явлений.

Доступна и более продвинутая кастомизация. Возможности индивидуальной настройки с помощью «Построителя физических интерфейсов» (в англ. Physics Builder) позволяют использовать собственные уравнения для создания новых физических интерфейсов, которые затем можно будет легко включить в будущие модели или предоставить коллегам.

Список доступных инструментов моделирования на основе пользовательских уравнений

  • Дифференциальные уравнения в частных производных (в англ. PDE)
  • Слабая форма уравнений (в англ. Weak form)
  • Произвольный лагранжево-эйлеров (в англ. ALE) метод для решения задач с изменяемой геометрией и подвижной сеткой
  • Алгебраические уравнения
  • Обыкновенные дифференциальные уравнения (в англ. ODE)
  • Дифференциальные алгебраические уравнения (в англ. DAE)
  • Анализ чувствительности (методы оптимизации доступны при использовании модуля «Оптимизация»)
  • Расчет криволинейных систем координат

Автоматизированное и ручное построение сетки

Для дискретизации и построения расчетной сетки в пакете COMSOL Multiphysics® используются различные численные методы в зависимости от того, какой физический интерфейс или комбинацию физических интерфейсов вы выбрали для анализа. Основные методы дискретизации основаны на методе конечных элементов (полный список методов приведен на этой странице в разделе о солверах). Таким образом, выбор типов элементов в базовом алгоритме построения расчетной сетки осуществляется с учетом используемых численных методов. Например, базовый алгоритм может построить сетку, состоящую только из тетраэдров, а может использовать комбинацию тетраэдров и призматических элементов для более быстрого и точного решения задачи.

Список доступных опций при построении сетки

  • Произвольная сетка на основе тетраэдров
  • Сетка протяжкой (в англ. Swept) на основе призматических и гексаэдрических элементов
  • Погранслойная сетка
  • Тетраэдрические, призматические, пирамидальные и гексаэдрические объемные элементы
  • Произвольная треугольная сетка для трехмерных поверхностей и двухмерных моделей
  • Структурные и четырехугольные сетки на 3D поверхностях и в 2D моделях
  • Копирование сеток
  • Виртуальные геометрические операции
  • Сеточное разделение доменов, граней и ребер
  • Импорт и изменение сеток, построенных в сторонних программах

Исследования и их последовательности, параметрические расчеты и оптимизация

Типы исследований

После выбора физического интерфейса программа COMSOL Multiphysics® предлагает несколько различных типов исследований (или анализа). Например, при исследовании задач механики твердого тела программный пакет предлагает нестационарные исследования (во временной области), стационарные исследования и исследования на собственные частоты. Для задач вычислительной гидродинамики будут предложены только нестационарные и стационарные исследования. Вы можете свободно выбирать и другие типы исследований для проводимого вами расчёта. Последовательности этапов исследования определяют процесс решения и позволяют выбирать переменные модели, которые необходимо рассчитать на каждом этапе. Решения с любых предыдущих этапов исследования можно использовать как входные данные для следующих этапов.

Параметрические исследования, оптимизация и оценка

Для любого этапа исследования можно запустить параметрический расчет (в англ. parametric sweep), который может включать один или несколько параметров модели, включая геометрические размеры или настройки в граничных условиях. Можно выполнять параметричекие свипы по различным материалам и их свойствам а также по перечню заданных функций.

С использованием модуля «Оптимизация», можно решать оптимизационные и обратные задачи, в частности проводить топологическую оптимизацию, оптимизацию формы или оценку параметров (parameter estimation) в мультифизической модели. Программный пакет COMSOL Multiphysics® содержит градиентные и безградиентные алгоритмы оптимизации. Для исследования по оценке параметров доступен метод наименьших квадратов и общие методы оптимизации. Имеются также встроенные исследования чувствительности (в англ. sensitivity study) для расчета чувствительности целевой функции к любому из параметров модели.

Список доступных типов исследований

  • Стационарное исследование (Stationary)
  • Нестационарное исследование во временной области (Time Dependent)
  • Исследование на собственные частоты (Eigenfrequency)
  • Исследование на собственные значения (Eigenvalue)
  • Исследование в частотной области (Frequency Domain)
  • Параметрические исследования/свипы (Parametric Sweep)
  • Параметрические исследования/свипы по функциям (Function Sweep)
  • Параметрические исследования/свипы по материалам (Material Sweep)
  • Исследование чувствительности (Sensitivity)
  • Методики понижения размерности (Model Reduction)

Современные численные методы для получения точных решений

Интерпретатор уравнений программного пакета COMSOL Multiphysics® предоставляет наилучшие входные данные для численного моделирования — полностью связанные системы дифференциальных уравнений в частных производных для стационарных и нестационарных исследований, исследований в частотной области и исследований на собственные значения. Системы дифференциальных уравнений в частных производных дискретизируются по пространственным координатам (x, y, z) методом конечных элементов (FEM). В некоторых типах задач для дискретизации пространства используется метод граничных элементов (BEM). Для пространственно-временных задач используется метод прямых, в котором пространство дискретизируется методом конечных элементов (или методом граничных элементов) с получением системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения затем решаются различными сложными методами, включая явные и неявные схемы дискретизации по времени.

Стационарные и нестационарные задачи могут быть нелинейными, что приводит, после дисркетизации, к получению систем нелинейных уравнений. Численные методы, реализованные в COMSOL Multiphysics®, позволяют получить полностью связанный якобиан для решения нелинейной системы. Для решения нелинейных стационарных задач и при дискретизации нелинейных задач с зависимостью от времени используется метод Ньютона с затуханием. Метод Ньютона позволяет решить набор систем линейных уравнений, пользуясь якобианом, и найти решение для нелинейной системы.

Для линейных задач (также решаемых на каждом шаге решения нелинейной задачи, см. выше) программный пакет COMSOL® использует прямые и итерационные решатели. Прямые решатели подходят для задач малого и среднего размера, а итеративные — для больших систем линейных уравнений. Программа COMSOL® содержит набор итерационных решателей и современных методов задания предварительных условий — предобусловливателей, в т.ч. мультисеточных. Они обеспечивают высокую надежность и скорость итеративных расчетов.

Различные физические интерфейсы могут также предлагать наилучшие настройки решателей по умолчанию для разных задач. Эти настройки не заданы жестко — их можно вручную изменять в узле решателя, подстраивая его работу под свои задачи. Решатели и другие вычислительно сложные расчеты полностью распараллеливаются на многоядерных и кластерных системах при наличии такой возможности. Методы общей памяти и распределенной памяти доступны при работе с прямыми и итерационными решателями, а также с большими параметрическими анализами. Параллельные вычисления могут применяться на всех этапах процесса решения.

Список доступных решателей и техник моделирования

  • Пространственная дискретизация:
    • Метод конечных элементов (FEM)
      • Узловая методика с лагранжевыми и серендиповыми элементами различных порядков
      • Векторные элементы (curl/edge)
      • Метод Петрова — Галеркина и метод наименьших квадратов Галеркина для задач с преобладанием конвекции и c потоком текучей среды
      • Адаптивное построение сетки и автоматическое измельчение сетки в процессе решения
    • Метод граничных элементов (BEM)
    • Разрывный метод Галеркина (dG-FEM)
  • Пространственно-временная дискретизация:
    • Метод прямых (с FEM или BEM дискретизацией в пространстве)
  • Решатели с дискретизацией по времени для ODE и DAE:
    • Неявные (Implicit) методы для жестких (stiff) задач (BDF — формулы дифференцирования назад)
    • Явные (Explicit) методы для нежестких (nonstiff) задач
  • Нелинейные алгебраические системы:
    • Методы Ньютона с затуханием
    • Метод двойного излома (Double dog-leg)
  • Линейные алгебраические системы:
    • Прямые решатели для плотных матриц: LAPACK
    • Прямые решатели для разряженных матриц: MUMPS, PARDISO, SPOOLES
    • Итерационные решатели для разряженных матриц: GMRES (обобщенный метод наименьших невязок), FGMRES (гибкий обобщенный метод наименьших невязок), BiCGStab (стабилизированный метод бисопряженных градиентов), conjugate gradients (метод сопряженных градиентов), TFQMR
      • Предобусловливатели и методы задания предварительных условий (в англ. preconditioners): SOR (метод последовательной верхней релаксации), метод Якоби, метод Ванки, SCGS (симметричный метод Гаусса — Зейделя), SOR Line/Gauge/Vector (последовательная верхняя релаксация по линии, шаблону, вектору), GMG (геометрический многосеточный метод), AMG (алгебраический многосеточный метод), Auxiliary Maxwell Space (метод вспомогательного пространства Максвелла), Incomplete LU (неполное LU-разложение), Krylov (разложение по методу Крылова), Domain Decomposition (разложение по областям)
      • Все указанные предобусловливатели потенциально можно использовать в качестве итеративных решателей
  • Дополнительные методы дискретизации, например, методы трассировки лучей и частиц, доступные в модулях расширения

Инструменты визуализации и постобработки результатов моделирования

Продемонстрируйте свои результаты всему миру. COMSOL Multiphysics® включает мощные инструменты визуализации и постобработки, которые помогут вам представить свои результаты наглядно и ясно. Вы можете пользоваться встроенными и преднастроеными инструментами, а также отображать на графиках производные физические величины, вводя необходимые математические выражения в программный пакет. Таким образом вы можете визуализировать практически любую требуемую величину, полученную в результате расчета вашей модели в COMSOL Multiphysics®.

Визуализация и постобработка

Инструменты визуализации позволяют построить, например, графики на поверхностях, на срезах, изоповерхностей, на секущих плоскостях, векторные графики и графики линий тока. Большой набор инструментов постобработки и работы с расчётными данными позволяет вычислять различные выражения, включая интегралы и производные. Вы можете получать максимальные, минимальные, средние и интегрированные значения любой величины и производных величин по объему, по поверхности, по кривой и в конкретной точке. Ряд специализированных приемов постобработки для разных инженерных и научных задач и направлений физики включен во соответствующие модули расширения.

Экспорт результатов и генерация отчетов в файлы сторонних программ

Вы можете экспортировать данные и обрабатывать их, используя инструменты других разработчиков. Численные результаты можно экспортировать в текстовые файлы формата .txt, .dat или .csv, а также в неструктурированный формат VTK. Используя продукт LiveLink™ for Excel®, вы можете экспортировать результаты в электронные таблицы Microsoft® Excel® (.xlsx). Изображения можно экспортировать в любой из распространенных форматов, а анимации — в файлы формата WebM, GIF, Adobe® Flash® или файлы AVI. Отчеты о проектах по моделированию можно экспортировать в формат HTML (.htm, .html), в формат Microsoft® Word® (.doc) или Microsoft® PowerPoint® (.pptx).

Список доступных инструментов визуализации и постобработки результатов

  • Визуализация
    • Поверхностные графики
    • Графики изоповерхностей
    • Векторные графики и диаграммы
    • Графики сечений
    • Графики линий тока
    • Контурные графики
  • Постобработка
    • Интегралы, средние, максимальные и минимальные значения произвольных величин, вычисляемые по объёмам, поверхностям, ребрам и точкам
    • Пользовательские математические выражения, содержащие полевые переменные, их производные, пространственные координаты, время, а также комплексные величины
    • Специализированные методы постобработки и вычислений для конкретных технических приложений
  • Поддержка устройств 3Dconnexion® SpaceMouse®
  • Импорт и экспорт
    • Текстовые файлы
    • Формат Microsoft® Excel® .xlsx
    • Изображения
    • Анимации
    • Сетки
    • CAD-форматы
    • И многое другое

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Все продукты