COMSOL Multiphysics® 4.4 版本 - 发行亮点

2013年11月27日发行

强大的多物理场耦合分析软件变得更加强大了,COMSOL Multiphysics 4.4 带来了高级的更加直观的 COMSOL Desktop,一个完整的开发多物理场模型的全新工具,包括更强大的求解器,基于文本查找变量功能,重要的修正,以及更强的用户体验。欢迎大家观赏这个视频介绍,其中包含主要亮点的详细介绍;或者请大家点击下列菜单中的链接,了解 COMSOL Multiphysics® version 4.4 带来的各种增强的详细信息。

欢迎查阅 COMSOL Multiphysics 4.4 的 Webinar

Summary of Major News

  • COMSOL Multiphysics®

  • 带功能区的COMSOL Desktop®
  • COMSOL Desktop® 在 Windows® 工作平台包括新的功能区设计以及流畅自然的建模流程,可以快速查找您所需要的操作按钮,设定模型并进行计算。
  • 新增多物理场节点
  • 全新的设置多物理场耦合的模型树节点

    • 组合多个物理场接口定义模型
    • 选择内置的多物理场耦合模式
    • 单独查看模型树中的每一个物理接口
  • 一键式选择
  • 新的“悬停并点击”选择方式,提高了建模速度。
  • 基于文本的变量查询
  • 在 Windows 环境下可以使用自动填充搜索来快速查找结果变量。
  • 几何操作子序列
  • 几何序列中可以添加用户定义的几何基元。
  • If/Else 语句
  • 在模型树中利用 If/Else 语句作为创建几何的条件判断。
  • 求解器时间单位
  • 在求解节点中设定时间单位。
  • NASTRAN® 网格文件导出
  • 二维和三维网格导出为 NASTRAN® 网格文件格式。
  • 电气

  • AC/DC 模块
  • AC/DC 模块添加了包含 165 种非线性磁性材料的材料库。
  • RF 模块
  • 内部端口边界条件。
  • 波动光学模块
  • 波动光学模块增加了高斯光束背景散射场,以及一个新增的激光加热接口。
  • 半导体模块
  • 半导体模块升级了很多东西,其中包括异质结和碰撞电离等。
  • 力学

  • 传热模块
  • 快速计算参与介质中的热辐射、热电效应和生物组织热现象。
  • 结构力学模块
  • 简便地设置转子动力学,采用新的快速罚函数法描述接触问题,以及升级的固-壳耦合模型。
  • 疲劳模块
  • 新的疲劳估计方法分析热疲劳等非线性材料模型。
  • 多体动力学模块
  • 扩展了新的功能,包括三种新的关节类型以及关节上的摩擦设置。
  • 声学模块
  • 基于线性欧拉方程进行气动声学仿真。
  • 流体

  • CFD 模块
  • 湍流壁面粗糙度模拟,并且层流的质量守恒和能量守恒得到了显著提高。
  • 新模块:搅拌器模块
  • 搅拌器模块能够模拟搅拌混合器和反应器。
  • 多功能

  • 优化模块
  • 优化模块新增了用于尺度优化的无梯度方法(BOBYQA),以及用于拓扑优化的基于梯度的方法(MMA)。
  • 粒子追踪模块
  • 利用新的有效方法巧妙地模拟粒子-场与流体-粒子相互作用。
  • 接口

  • LiveLink for SOLIDWORKS®
  • 您现在可以同步用户定义的选择。
  • LiveLink for Inventor®
  • 同步 COMSOL 与 Inventor® 之间的材料选择和名称。
  • ECAD 导入模块
  • 导入PCB最流行的格式之一:ODB++ 格式文件,进行多物理场模拟。

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Previous COMSOL Multiphysics® Versions

全新的 COMSOL Desktop®

目录:

使用新的 COMSOL Desktop 建模

Duration: 06:08

引入 COMSOL® 功能区

流畅自然的建模流程

当在 Windows® 上运行时,软件会显示全新的 COMSOL Desktop 环境,其中包含模型设置功能区和选项卡,这是设定模型、运行仿真的主要操作模式和建模流程。

  • 在 Windows® 中运行的 COMSOL Desktop。 在 Windows® 中运行的 COMSOL Desktop。

在 Windows® 中运行的 COMSOL Desktop。

功能区的 Home 选项卡包含最常用的修改模型和运行仿真的操作按钮:修改参数化几何模型、查看材料属性和物理场、网格剖分、运行求解以及结果可视化。

  • COMSOL Desktop 功能区 COMSOL Desktop 功能区

COMSOL Desktop 功能区

每一个主要建模步骤均含有标准的选项卡。 这些选项卡按照建模流程从左向右排列:定义、几何、物理场、网格、求解和结果。

功能区中能够快速访问命令按钮和模型树组件,其中的功能也可以通过模型树节点的右键菜单中访问。部分操作选项只在功能区中可选,例如选择要显示的 COMSOL Desktop 窗口,而在 Macintosh®和 Linux®平台上,这项功能是在工具栏中。部分操作只在模型树中可用,例如节点重新排序与禁用。

COMSOL Desktop 顶部添加了新的快速访问工具栏,包含一系列独立于功能区的按钮。您可以自定义快速访问工具栏:在“文件”菜单中添加最常用的按钮,撤销与重做最近的操作,复制、粘贴、复制并粘贴、删除模型树节点。您还可以选择将快速访问工具栏置于功能区上方或下方。

全新的COMSOL Desktop®亮点

透明的多物理场模拟控制

COMSOL 改善了热应力、电磁加热等多物理场仿真的建模流程。模型树中添加了专门的“多物理场”节点,您可以用来控制单个物理场与传热之间的耦合。当您直接从模型向导中添加了多物理场接口之后,例如焦耳热,模型树中会自动包含电流、固体传热接口和一个“多物理场”节点,这个节点下面还包含一个“电磁热源”子节点。或者,如果您已经在使用电流接口,再次添加固体传热接口之后会在模型树中引入“多物理场”节点,您可以在其中选择添加子节点并定义电磁热源仿真,例如焦耳热。

利用“多物理场”节点可以仿真以下的多物理场现象:

  • 焦耳热
  • 感应加热(需要 AC/DC 模块)
  • 微波加热(需要 RF 模块)
  • 激光加热(需要波动光学模块)
  • 热应力(需要结构力学模块或者 MEMS 模块)
  • 焦耳热和热膨胀(需要结构力学模块或者 MEMS 模块)
  • 热电效应(需要传热模块)

基于多年的多物理场耦合仿真经验,以及对建模方式的不断优化,COMSOL 行成了现在这种风格的建模方式:使用“多物理场”节点,您能够单独地或耦合地处理物理场,也可以自由地激活或者禁用这些耦合设定。软件的众多特点都有助于您的建模:

  • 透明操作: 查看、编辑并设置任意的物理场及其相互之间的耦合
  • 自然的建模流程: 建立复杂多物理场模型,可以先建立单个物理场模型,再逐步增加物理接口。
  • 更强大的扩展性: 添加新的单物理场接口来进一步扩展已经建立的多物理场耦合模型。这种多方面适应性的特点允许用户任意地选择要耦合和求解的物理场,可以在同一个模型上进行多个不同的仿真,而不需要再另外建立新的模型。

  • 设置焦耳热仿真的模型树“多物理场”节点。从模型向导中选择“焦耳热”接口来建立电流、固体传热和多物理场节点。在“电磁热源”子节点中控制电场和传热之间的耦合。通过勾选或清除“激活”选项可以激活或者禁用耦合设定。 设置焦耳热仿真的模型树“多物理场”节点。从模型向导中选择“焦耳热”接口来建立电流、固体传热和多物理场节点。在“电磁热源”子节点中控制电场和传热之间的耦合。通过勾选或清除“激活”选项可以激活或者禁用耦合设定。

设置焦耳热仿真的模型树“多物理场”节点。从模型向导中选择“焦耳热”接口来建立电流、固体传热和多物理场节点。在“电磁热源”子节点中控制电场和传热之间的耦合。通过勾选或清除“激活”选项可以激活或者禁用耦合设定。

单击选择

几何对象、域、边界、边和点的选择更加容易--只要光标悬停在边界上,待其变亮后鼠标左键点击即可选择。之前的方式仍然是可用的,即,您仍然可以左键单击再右键单击确认来选择。要选择内部边界条件,您可以使用鼠标滑轮或者键盘的上下箭头。这两种方式可以在“首选项”中根据使用习惯来分别选用。

  • 设定边界条件时,悬停在表面上使其发亮变红;已经选择的面会呈现蓝色。 设定边界条件时,悬停在表面上使其发亮变红;已经选择的面会呈现蓝色。

设定边界条件时,悬停在表面上使其发亮变红;已经选择的面会呈现蓝色。

变量文本检索与自动填充

新的自动填充查询功能帮助您快速找到后处理物理量。您可以通过以下三种方式访问后处理量:浏览所有变量的列表、文本检索或者输入后处理变量名。

  • 新的自动填充查询功能帮助您快速找到后处理物理量。 新的自动填充查询功能帮助您快速找到后处理物理量。

新的自动填充查询功能帮助您快速找到后处理物理量。

模型组件

在模型的 .mph 文件可以包含一个或者多个模型组件。因此,之前命名为 模型 1、模型 2、模型 3 的模型树节点现在更名为 组件 1、组件 2、组件 3。 变量的前缀也由此发生变化:由 mod1、mod2、mod3 改为 comp1、comp2、comp3。

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COMSOL Multiphysics®

目录:

几何

工作面:点偏移,定位和旋转,以及新工作面类型

对于部分工作面类型,您可以通过定义顶点控制法向偏移,精确地控制原点的位置以及局部坐标轴的方向。缺省情况下,在“工作面”几何对象在嵌入三维空间之前会自动合并。这样减少了直接在三维空间中合并几何实体产生错误的几率。若要取消该项缺省操作,可清除“合并实体”选择框。新增两种新工作面类型:

  • 边平行:工作面平行于一条平面曲边
  • 转化:旋转或变换已建立好的工作面,生成新工作面。

  • “工作面”设定以及新增的“点偏移”和“局部坐标系”功能选项。 “工作面”设定以及新增的“点偏移”和“局部坐标系”功能选项。

“工作面”设定以及新增的“点偏移”和“局部坐标系”功能选项。

从工具条中选择几何与网格剖分按钮

现在可以点击工具条中“几何”和“网格”选项卡的按钮或菜单项来添加几何和网格设置。这是“模型开发器”右键选择模式的一种替代方法。如果您在点击按钮或者选择菜单项之前,已经创建了几何对象或者实体的选择集合,则新添加的设置可以使用该选择作为输入(如果此选择集合可以在新设置中使用)。

对于几何操作,输入选择列表的内容是一直可见的。建立之前的状态按钮由激活按钮替代。如果选择被禁用,点击这个按钮则会创建之前的状态,并且能够通过点击“图形”窗口来修正对象选择。

几何子序列

在几何序列中,一个子序列调用相当于编程语言中的子例程调用。换言之,几何子序列以数值变量作为输入,输出几何对象。您可以把几何子序列看作用户定义的几何基元。在几何序列中,您可以重复地调用子序列或者复制子序列,并在每次调用时分别定义不同数值变量。调用也可以嵌套。

在三维结构中,可以轻松地变换、旋转子序列所生成的对象,并调整到要求的位置和取向。您可以指定子序列的工作面与其它工作面相匹配。子序列中定义的对象选择也可以用于几何序列调用,也可在网格与物理场中使用。

If/Else 条件语句

在“几何”节点的“编程”子菜单中,您可以添加 If、 Else If 和 Else 来对几何对象的创建进行控制。要插入此类设置,您可以使用几何菜单中的“之前添加”或者“之后添加”功能,这样就不需要在想要的位置之前创建几何。有效的 If 语句具有如下结构:

If
      branch 1
Else If
      branch 2
...
Else
      branch n
End If

其中 Else If 和 Else 语句可选。在模型树中,特征名称是自动缩进的。在 If 和 Else If 设置的“条件”编辑区域中,可以输入“全局定义”参数,例如 a+b<=3。如果语句的值非零(真逻辑语句的值是 1),则认为条件是真。当您创建 End If 语句或者跟随语句时,只能创建一个分支,其它的均被认为是禁用的。If 语句也能够被嵌套。

  • “几何”序列中的 If/Else 语句。 “几何”序列中的 If/Else 语句。

“几何”序列中的 If/Else 语句。

累积选择

累积选择是指几何序列中多个对象选择的并集。积累选择对于构造 If 语句的不同分支中具有不同定义的选择时特别有用。模型树中没有与累积选择功能相同的节点。

对于创建了选择的几何特征,您可以在“贡献”列表中选择并将其添加到已经创建的累积选择中。若要创建新的累积选择,点击“新建”按钮。若要移除创建选择,在“贡献”列表中选择“无”。将对象选择添加到“累积选择”之后,原始创建的选择将不会在列表中出现,而是被“累积选择”所替代。

连通组件的分离对

缺省情况下,形成装配体会为每一对有接触边界的对象创建一个“对”节点,这样的“对”节点包含一组不连通的源边界或者目标边界。有时候,您可能想要将此类对分离成为多个“对”节点,且每一个“对”节点均包含相连通的源/目标边界。为此,现在软件中添加了一个选择框“分离不连通的对”。

网格

NASTRAN® 网格文件导出

现在可以将二维或者三维网格导出为以下格式的 NASTRAN® 网格文件:.nas, .bdf, .dat, .nastran。您可以选择导出哪些元素(域和/或边界),以及是否需要导出几何实体的属性 id 数,是否需要导出二阶单元信息。

基于网格类型和网格单元数的网格导入

在分割导入网格的“逻辑表达式”中可以使用参数 “meshtype” 和 “meshelement” 等变量。例如,如果在 表达式 区域输入 meshelement>0 && meshelement<=1000,则导入的前 1000 个单元会形成一个单独的域。

更新为内置网格 (.mphtxt) 格式

.mphtxt 文件格式更容易将外部网格数据转化到 COMSOL 中,这是通过忽略上/下和参数区域来实现的。文档中新添了网格介绍,从不同的方面描述了通过 .mphtxt 格式将外部网格数据导入到 COMSOL。此外,您可以选择需要导出哪一种单元到网格文件 (.mphbin.mphtxt 或者 .nas) 中 ,以及是否需要输出几何实体信息。可以在 Reference Manual > Meshing > Importing and Exporting Meshes 章节中可以找到这些介绍。

扫掠网格更新:源网格点投影到目标面的新方法

添加了新的扫掠网格方法,可将源面网格转化到目标面。新方法会将每一个源点都投影到目标上,而且在某些情形下会自动设置成新投影方法,例如无法使用“刚体变换”或者以下情形:

  • 源或者目标均包含多个面(或者虚拟组合面) * 非平面源或目标面 * 扫掠距离短(一层单元)

您可以在 扫掠 节点设置窗口中手动选择这种方式:在 扫掠方法 > 目标网格生成下面选择 投影源到目标

  • 创建这种扫掠网格时,蓝色区域会自动调用这种投影方法。 创建这种扫掠网格时,蓝色区域会自动调用这种投影方法。

创建这种扫掠网格时,蓝色区域会自动调用这种投影方法。

求解与求解器

参数化扫描和参数化求解功能升级

您在模型中输入的任何标量都可以视为参数,并且可以设定一系列的值。COMSOL 为求解一系列参数值提供了两种不同的算法,参数化扫描法和参数化求解法。软件更新了这些功能的用户接口,“参数化求解”中还添加了额外的选项。

  • 参数化扫描接口:这项功能可以用于大部分的求解步骤(稳态,瞬态,特征值)以及包含多个求解步骤的求解序列。参数化扫描能够求解任何“全局参数”,包括几何和网格的参数。这项功能有诸多方面的应用,例如比较不同的几何尺寸,网格细化求解,不同的载荷类型作用的求解等等。* 参数化求解接口:这项功能适用于稳态分析步骤。利用参数化求解器进行扫描的全局参数只能够影响载荷、边界条件和材料属性。不支持尺寸和网格变化,但是参数化求解器提供了额外的求解非线性问题的方法。求解非线性稳态问题时,初始值的选择极大地影响收敛速度,某些情况下甚至找不到解。缺省情况下,参数化求解使用前一个求解步骤的结果作为下一个稳态求解步骤的初始值。如果求解器没能够找到某个参数的收敛解,则会自动回退至上一步并选择较小的参数步长。这种算法也被成为连续性方法,在用户接口中您可以控制求解器参数步长变化的方式。现可以选择正切或常数两种预测器。如果求解器没能够找到某个参数的收敛解,则会自动终止或者继续计算下一个参数。

在一个求解节点中可以组合使用“参数化扫描”和“参数化求解”。使用参数化求解器具有某些计算方面的优点,而且即使用户在使用“参数化扫描”接口,软件也可能会自动调用参数化求解法则。若有 FNL 授权则可在集群中使用“参数化扫描”,并分配集群计算载荷。

  • 关于几何尺寸的“参数化扫描”通用设定。 关于几何尺寸的“参数化扫描”通用设定。

关于几何尺寸的“参数化扫描”通用设定。

求解和结果节点中的时间单位

您现在可以在一个“求解”节点中更改时间变量 (t) 的单位了。这些设定会自动在“结果”节点中更新,并且会被认为是新的缺省设置。“时间单位”是“瞬态求解器”中的第一个设定。

这项设定确定了求解和结果节点中的输入量的单位。例如,对于“时间”:编辑区域的内插时间点是以小时 (h) 来表示的。对于内部求解器,时间的单位则是秒 (s)。“绘图”中的缺省时间单位设置与求解节点一样。

建模工具

质量属性

“组件定义”下面新添加“质量属性”选项。这项设定里面能够选择几何对象并输入密度表达式,软件会自动定义体积、质量、质心、惯性力矩等变量。在“密度”表达式里面输入“material.rho”后,可以从“材料”节点中获得密度取值。

  • “质量属性”设定 “质量属性”设定

“质量属性”设定

求和算符

新的求和算符使得指数表达式的求和计算变得更加容易。算子语法是:sum(expr,k,a,b),其中 exprk 的表达式,整数 k 会从 a 增大到 b,算子输出所有表达式的总和。

  • 新的求和算符会利用10000项的傅立叶级数构建锯齿波。 新的求和算符会利用10000项的傅立叶级数构建锯齿波。

新的求和算符会利用10000项的傅立叶级数构建锯齿波。

全新的快速客户端/服务器体系结构

4.4 版本全新的客户端/服务器体系结构,最大程度地减小 COMSOL 客户端与 COMSOL 服务器之间的通信开销。特别是当 COMSOL 客户端(一般来说 COMSOL Desktop)与 COMSOL 服务器在不同的电脑上运行时,计算性能得到显著地提升,而且也能够改善软件与 MATLAB 和 Excel 的LiveLink。

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流体流动模拟的新功能

Brinkman 方程渗透率张量

对于多孔介质流模型,Brinkman 方程是对著名的 Darcy 定律的扩展。 在4.4 新版本中增加支持各向异性渗透率张量。其中不同域可以设置不同的各向异性材料,且张量的分量能够随空间坐标发生变化。这项功能可以在以下模块中使用:

  • 电池与燃料电池模块
  • CFD 模块
  • 化学反应工程模块
  • 腐蚀模块
  • 电化学模块
  • 电镀模块
  • 微流体模块
  • 多孔介质流模块

流体流动与质量传递的点、线质量源

点源可以用来模拟分布在极小体积里面的源。它可以定义在三维模型中或者对称轴上的点,其实际效果分布在紧邻点源的区域中。分布范围取决于网格和点源的强度 - 网格越细,点源分散区域越小,但是会产生越极端的压力值。三维模型和二维轴对称模型的线源表示横截面非常小的管道源。线源可以添加到三维线或二维对称轴上,也可以添加到二维点中,用来描述面积很小的管道横截面。

流体流动的点质量源和线质量源作为连续方程的质量贡献项添加在方程中。这项功能已添加到了以下流体物理场接口中:

  • 单相流
  • Brinkman 方程
  • 自由和多孔介质流动
  • 多孔介质反应流,稀物质(需要电池与燃料电池模块,CFD 模块或者化学反应工程模块)
  • 两相流(需要 CFD 模块或者微流体模块)
  • 旋转机械流体流动(需要 CFD 模块或者混合器模块)
  • 流固耦合(需要结构力学模块或者 MEMS 模块)
  • 两相流,移动网格(需要微流体模块)

点质量源和线质量源以贡献形式引入到浓度值的质量传递方程。这项功能已经添加到了以下传质物理场接口:

  • 稀物质传递
  • Nernst-Planck 方程(需要化学反应工程模块)
  • 溶质传递(需要多孔介质流模块)
  • 多孔介质物质传递
  • 多孔介质反应流,稀物质
  • 三次电流分布(需要以下模块之一:电池与燃料电池模块,电化学模块,电镀模块或者腐蚀模块)
  • 腐蚀,三次 Nernst-Planck(需要以下模块之一:电池与燃料电池模块,电化学模块,电镀模块或者腐蚀模块)
  • 电镀,三次 Nernst-Planck(需要以下模块之一:电池与燃料电池模块,电化学模块,电镀模块或者腐蚀模块)

这些新功能不仅能够用在 CFD 模块,而且也能够用于以下模块:

  • 电池与燃料电池模块
  • 混合器模块
  • 化学反应工程模块
  • 腐蚀模块
  • 电化学模块
  • 电镀模块
  • 微流体模块
  • 管道流模块
  • 多孔介质流模块

非球形颗粒曳力模型

除了之前的 Schiller-Naumann、Hadamard-Rybczynski 和 Gidaspow 等曳力模型,现在新增了 Haider-Levenspiel 曳力模型,它可以用于以下物理场接口:

  • 混合物模型(需要 CFD 模块)
  • Euler-Euler 模型(需要 CFD 模块)
  • 流体流动粒子追踪(需有粒子追踪模块)

每一个物理场接口的设定稍有不同。下图所示为 Euler-Euler 模型的设置窗口。模型需要输入圆球度 来表征球形粒子的圆度,一般球形颗粒接近 , 而非球形颗粒为 。一般来说非球形颗粒会产生比球形颗粒更大的曳力。

管壳式换热器中的流体流动。

新的出口边界条件

修正了流体流动“出口”边界条件,确保质量守恒,并获得更快的收敛速度和更好的鲁棒收敛性。新的“出口”边界条件只有一个“压力”选项,对应于之前版本里面的“法向应力”。“压力”选项的设置窗口如下图所示。除了压力 p0 的编辑区域,还包含两个新选择框:“法向流动”和“抑制回流”。

  • 法向流动规定出口切向速度为 0。若出口表示直管或者通道,则适合使用这种边界条件。但这不是软件的缺省设置,因为出口处会产生扰动,这可能会显著的影响流动。
  • 抑制回流,降低了流体从外部向域中回流的趋势。它并不能完全阻止回流,并且在有回流的情况下,这个选项还会降低局部指定压力。流体流动与其它传递方程(例如传质、传热)耦合时,控制回流非常重要。若流向反转,传递方程的出口边界条件将失去应有的效果;这会导致收敛性问题或者非物理解。因此,“抑制回流”是缺省设置。

新版本中对以下物理场接口的“出口”边界做了修正:

  • 单相流
  • Brinkman 方程
  • 自由和多孔介质流动
  • 两相流
    • 水平集
    • 相场
  • 非等温流与共轭传热
  • 反应流
  • 多孔介质反应流
    • 稀物质
    • 浓物质
  • 旋转机械
    • 单相流
    • 非等温流(需要混合器模块)
    • 反应流(需要混合器模块)
  • 两相流,移动网格(需要微流体模块)
  • 滑动流(需要微流体模块)
  • 流固耦合(需要结构力学模块或者 MEMS 模块)

这些修正适用于层流、Stokes 流和湍流。之前版本中的所有“出口”边界条件的选项依然存在,但是不会在新版本的物理场菜单中显示。之前版本软件创建的模型会保留原来的“出口”边界,但是添加新的“出口”边界后会出现新功能。

CFD 模块

湍流壁面粗糙度

现在提供两种湍流壁面粗糙度模型:沙粒粗糙度和广义粗糙度。“壁”粗糙度设置修正了湍流壁函数,可用于 CFD 模块的 k-ε 和 k-ω 湍流模型。“沙粒粗糙度”模型常用于工程领域,其中引入了“当量沙粒粗糙度厚度”模型参数。“广义粗糙度”模型更加通用,除了“粗糙度厚度”参数之外还包含“粗糙度参数”,可用于模拟其它类型的粗糙度。“粗糙度参数”的缺省值与“沙粒粗糙度”模型的相同。

在以下物理场接口中增加了考虑粗糙壁的壁函数:

  • 单相流
    • 湍流,k-ε
    • 湍流,k-ω
  • 单相流,旋转机械
    • 湍流,k-ε
    • 湍流,k-ω
  • 湍流气泡流
  • 混合物模型,湍流
  • 湍流两相流,水平集
  • 湍流两相流,相场
  • 湍流流固耦合

搅拌器模块

模拟旋转机械流体流动

COMSOL 新增“搅拌器模块”,这是“CFD 模块”的附属模块,用于分析搅拌器与反应器。这个模块预置了不同叶轮类型的标准平底和蝶形底搅拌器接口。“搅拌器模块”非常适合用于分析搅拌器与叶轮设计,以及工业生产过程中搅拌器的浓度、速度、温度分布计算,例如制药、食品和消费品等行业。模块还会自动计算一些混合变量,例如混合效率、功耗和叶轮泵系数等。

  • 新“搅拌器模块”能够模拟混合器和搅拌釜中的层流、湍流、非等温流和非牛顿流体等类型的流场,并可考虑自由表面。 新“搅拌器模块”能够模拟混合器和搅拌釜中的层流、湍流、非等温流和非牛顿流体等类型的流场,并可考虑自由表面。

新“搅拌器模块”能够模拟混合器和搅拌釜中的层流、湍流、非等温流和非牛顿流体等类型的流场,并可考虑自由表面。

冻结转子

搅拌器模块具有冻结转子求解器,可以为您节省计算时间和计算资源。该求解方法假设机械系统是被冻结的,并通过在旋转域中添加离心力和科里奥利力来模拟旋转流动,求解稳态 Navier-Stokes 方程。利用这种方法能够在不含挡板、管道以及其它相对于旋转部件存在定位的内部结构的搅拌器模型得到合理精确的解。同时相对于求解全瞬态旋转模型,它能减少大量计算资源。冻结转子法得到的结果还可以作为瞬态法的初始猜测值,这样相对于从稳态流体开始计算,能够更快地达到准稳定状态。

  • 冻结转子功能减少了模拟搅拌器所需的计算时间,例如这个搅拌非牛顿流体模型所示。 冻结转子功能减少了模拟搅拌器所需的计算时间,例如这个搅拌非牛顿流体模型所示。

冻结转子功能减少了模拟搅拌器所需的计算时间,例如这个搅拌非牛顿流体模型所示。

搅拌器模块的物理场接口

“搅拌器模块”在叶轮旋转域与固定域之间使用滑移网格技术进行计算。“搅拌器模块”的物理接口可用于仿真层流、湍流、不可压缩流、弱可压缩流以及非等温流等。“旋转机械,湍流”接口包含 k-ε 模型, k-ω 模型以及低雷诺数 k-ε 模型。您可以使用 k-ε 模型模拟搅拌器内的一般湍流,因为这个模型能够比较好地权衡计算精度与占用资源。低雷诺数 k-ε 模型虽然更加精确,但是需要更多的计算资源;同样,k-ω 模型的结果比较精确,但是比 k-ε 模型的鲁棒性差。

“搅拌器模块”也包含多物理场接口,可以模拟一系列耦合现象。例如非等温流,在层流和湍流中温度梯度会成为流动的驱动力之一。“搅拌器模块”中也含有反应流接口,可以考虑由于化学反应所引起的组分和密度的变化,及其对旋转机械容器内流场的影响。

  • 搅拌器内的热管道会影响流场的温度分布,此外还可以考虑容器壁面与空气对流冷却的效果。 搅拌器内的热管道会影响流场的温度分布,此外还可以考虑容器壁面与空气对流冷却的效果。

搅拌器内的热管道会影响流场的温度分布,此外还可以考虑容器壁面与空气对流冷却的效果。

自由液面

“搅拌器模块”使用移动网格技术处理自由液面。 模块设定了专门的域来处理自由液面,在这个域中液-液-固界面可以沿着器壁和转子表面自由地上下变化。您可以在特定边界条件中设置容器壁面和流体之间的接触角和表面张力。模块的数据库包含一系列液体的表面张力系数数据,用于设定混合溶液和其上方大气之间的相界面边界条件。包括液态水与一系列液体间的表面张力系数,例如苯、己烷、橄榄油,以及空气和一些液体之间的表面张力系数,比如水、丙酮、乙醇。

微流体模块

新模型:微通道分散优化

新增“案例库”模型,用于优化设计弯曲微通道的结构,提高溶质检测器的性能。通道的结构通过 Bezier 曲线定义,利用五个优化参数来控制。模块会逐个计算这一系列参数并找到最优值,使溶液沿着弯通道内外壁运动到检测器的所需时间最小。该模型使用最新的无梯度优化求解器:BOBYQA (Bound Optimization by Quadratic approximation ) 无梯度优化算法,由剑桥大学的 M.J.D Powell 教授编写。

  • 在电渗流驱动下,含中性溶质的溶液进入弯曲微通道(上图)。如果不对通道结构进行优化,当溶质条运动到弯曲部分时就会分散(中图)。使用优化模块计算得到了最优化结构,能够使溶质条保持完整(下图)。 在电渗流驱动下,含中性溶质的溶液进入弯曲微通道(上图)。如果不对通道结构进行优化,当溶质条运动到弯曲部分时就会分散(中图)。使用优化模块计算得到了最优化结构,能够使溶质条保持完整(下图)。

在电渗流驱动下,含中性溶质的溶液进入弯曲微通道(上图)。如果不对通道结构进行优化,当溶质条运动到弯曲部分时就会分散(中图)。使用优化模块计算得到了最优化结构,能够使溶质条保持完整(下图)。

分子流模块

新模型:Monte Carlo 数密度重建

现在可以使用“粒子追踪模块”模拟分子流。新增示例模型,使用粒子方法和自由分子流接口两种方法比较计算了 S 形弯管结构的数密度。两者的结果非常吻合,然而,粒子方法会产生统计噪声,且求解时间比另一种方法长 100 多倍。这显示了“分子流模块”角系数方法相对于 Monte Carlo 方法的优势。

  • S 形弯管结构的计算数密度 (1/m3)。两幅图的颜色比例一致。上方的绘图通过粒子追踪方法得到的结果,下方的绘图是“自由分子流”接口的计算结果。 S 形弯管结构的计算数密度 (1/m3)。两幅图的颜色比例一致。上方的绘图通过粒子追踪方法得到的结果,下方的绘图是“自由分子流”接口的计算结果。

S 形弯管结构的计算数密度 (1/m3)。两幅图的颜色比例一致。上方的绘图通过粒子追踪方法得到的结果,下方的绘图是“自由分子流”接口的计算结果。

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传热模块

参与介质中辐射的新算法

计算参与介质中辐射新增了两种快速且内存更有效的算法:

  • Rosseland 近似
  • P1 近似

基本而言,这些近似方法不如以前版本的离散坐标方法精确,也不如以前的算法通用。但是,它们求解参与介质中辐射模型的速度更快。Rosseland 近似仅用于纯粹的“固体传热”接口或者“流体传热”接口,不能用于只计算参与介质辐射的接口。两种方法都可用于二维对称结构。比较而言,在“圆柱介质中的辐射传热”验证模型中,使用 P1 近似方法只用了几秒钟,相反使用离散坐标方法却需要两个小时。

  • 求解参与介质中辐射传热的新算法。 求解参与介质中辐射传热的新算法。

求解参与介质中辐射传热的新算法。

热电效应多物理场节点

具有热电效应的材料,由于热通量包含电荷载流子,具有能够将温度差转化为电压的属性。反过来,在这些材料上施加电压会产生温度梯度。这些材料制成的设备经常用于电子制冷或者便携式冷藏箱,与此同时,热电能量收集装置也越来越流行。焦耳热(电阻热)是一种不可逆现象,而热电效应在理论上是可逆的。历史上,根据相关发现的实验,有三个著名的以人名命名的热电效应:Seebeck, Peltier 和 Thomson。Seebeck 效应表示温差转化为电力,Peltier 效应表示电力转化为温差,而 Thomson 效应表示电流密度和温度梯度产生的热量。这三个效应都与热力学相关。新增的“热电效应”接口可在传热模块中使用,包含电流和固体传热的多物理场接口。从“模型向导”中选择了这个接口之后,软件会自动添加一个专门的多物理场节点,控制单个物理场之间的耦合。或者,您也可以先建立单个物理场,例如“电流”接口,再添加“固体传热”接口,这时软件也会自动添加“多物理场”节点。热电效应多物理场接口可以与 COMSOL 中的任何其他模块一起耦合,例如“固体力学”接口。“材料库”中添加了两种热电材料:碲化铋和碲化铅。

热电臂效应模型

本热电臂模型显示Peltier 冷却热电效应,这是一个验证模型,演示了如何使用新的“热电效应”接口和复现相关文献中的结果。

  • 温度场显示冷却过程在器件中产生了热电效应。 温度场显示冷却过程在器件中产生了热电效应。

温度场显示冷却过程在器件中产生了热电效应。

计算热和能量平衡的新方法和新变量。

优化了计算传热的数学算法。引入了计算热和能量平衡的修正变量。此外,还可以更加精确地计算边界热通量。

边界通量变量

对于边界通量,以下变量计算的通量更加精确:

  • ndflux:法向对流热通量
  • nteflux:法向总能量通量
  • ntflux:法向总热通量

这些边界通量变量可以用于所有传热的物理场接口,也可用于包含传热的多物理场接口。缺省情况下激活这种新算法,但是您也可以在“离散化”设置中清除计算边界通量选择框将其关闭。要查看“离散化”设置,需要从“模型构建器”工具栏中的“显示”菜单中将其激活。如果没有选择这个选项,那么边界通量的计算通过周围有限单元的外推值得到,这种方法用于 COMSOL 4.3b 和以前的版本。

热和能量守恒的全局变量

通过引入这些新的全局变量,能够更加容易快速地观察能量守恒。计算这些标量值,就不需要再计算能量平衡贡献在域、边界、边和点上的积分。以下全局变量已经添加到了“固体传热”、“流体传热”、“多空介质传热”、“传热相变”和“生物组织传热”接口中:

  • dEiInt:总累积热功率
  • dEi0Int:总累积能量功率
  • ntfluxInt:总净热功率
  • ntefluxInt:总净能量功率
  • QInt:总热源
  • WInt:总热功源
  • WnsInt:总流体损耗

以下全局变量已经添加到了多个传热边界条件中:

  • Tave:加权平均温度
  • ntfluxInt:总净热功率
  • ntefluxInt:总净能量功率
  • ntfluxInt_u:总净热功率,上方
  • ntefluxInt_u:总净能量功率,上方
  • ntfluxInt_d:总净热功率,下方
  • ntefluxInt_d:总净能量功率,下方

金属冷却与凝固模型

这个模型利用“相变传热”和“表面对环境辐射”接口模拟了连续铸造过程。液态金属浇铸到截面均匀的模具中,模具的外部有冷却装置,液态金属在流经模具时冷却凝固。当金属离开模具时,其外部完全凝固,而内部却仍然是液态的。金属会继续冷却,最终完全凝固,之后再将金属切割成多个部分。这个模型不包含液态金属流动的计算;相当于假设金属通过模具的速度是恒定的。从熔融态到固态的相转变通过随温度变化的比热容来模拟。对于这个高度非线性模型,设置了高级收敛方法以及特定的网格。

  • 连续铸造过程中液体金属与固态金属之间的相界面。 连续铸造过程中液体金属与固态金属之间的相界面。

连续铸造过程中液体金属与固态金属之间的相界面。

生物组织传热与损伤累积分析

组织坏死(永久损伤或者生物组织死亡)发生在两种情况, 吸收了过多的热量或者超过临界温度(例如沸腾)。这种分析用于基于生物加热的医学处理和手术。热量吸收模拟经常又称之为损伤累积。“传热模块”的“生物组织接口”包含两种形式的损伤累积:温度阈值和能量吸收。

  • 肿瘤脱落模型显示了三个不同位置的坏死组织的组分与时间的关系。 肿瘤脱落模型显示了三个不同位置的坏死组织的组分与时间的关系。

肿瘤脱落模型显示了三个不同位置的坏死组织的组分与时间的关系。

温度阈值形式是一种简单的综合不等式,可以设置生物组织的温度高于阈值的时间。用户定义的参数包括损伤温度、损伤时间和坏死温度。在这种情况下,假设由于以下两种机理出现生物组织坏死:

  • 生物组织的温度超过特定温度并持续一段时间
  • 超过坏死温度使得生物组织立刻坏死

“能量吸收”通过 Arrhenius 形式的表达式来直接估算吸收的能量。用户定义参数包括频率因子和 Arrhenius 方程活化能。修正了损伤组织的材料属性,考虑生物组织损伤的影响。根据坏死组织的体积分数,修正电导率和有效热容(密度乘以热容)。传热模块自带的材料库中包含六项新的通用生物材料:骨骼,脂肪,肝脏,肌肉,前列腺,皮肤。新增的生物组织热损伤接口可在固体传热接口中使用,也可在包含固体传热接口的多物理场组合接口中使用,包括:

  • 焦耳热
  • 感应加热
  • 微波加热
  • 激光加热
  • 热应力
  • 焦耳热和热膨胀
  • 热电效应

传热模块案例库中的“癌肿瘤的微波加热疗法”和“肝脏肿瘤脱落技术”这两个案例利用新的损伤累积分析重新进行了计算。

对称轴上的线热源和点热源

对于二维轴对称模型,您可以在对称轴上定义线热源和点热源。之前的点热源由线热源所替代,这种线热源能够定义在点上并含有“总线功率”选项。“轴线热源”只能应用在对称轴上。线热源可定义在点上,描述绕对称轴旋转的线,这个特征不能用于对称坐标轴上。坐标轴上的“轴点热源”只能用在对称轴上。在二维结构中,“点热源”由“线热源”代替,线热源可以定义在点上,包含通过厚度和多点选择(表示线)的“总线功率”设置。

多孔介质传热

各向异性多孔介质的坐标系

对于多孔介质传热,现在可以从“定义”节点中选择任意的坐标系。这项功能在各向异性材料中定义热传导时非常有用,因为热导率在不同方向上存在差异。

您可以轻松地使用材料选择定义多种多孔材料,再将流体属性链接到域材料选择列表中的其它材料。这样可以在多孔介质传热的定义中避免多次设置。

风扇、内部风扇、格栅、纱网以及真空泵边界条件

现在既可以在“CFD 模块”中使用,也可以在“传热模块”中使用风扇、内部风扇、格栅、纱网以及真空泵等边界条件。

窗户热性能仿真模型,遵循Norm ISO 10077-2:2012

这些标准模型复现了十个测试案例,均来自 ISO 1077-2:2012 标准的窗户热性能模型。通过百叶窗的热传导和透热系数来评估热性能,结果与发表的数据一致。

  • 可以与发表数据验证的热性能标准模型的温度分布图。 可以与发表数据验证的热性能标准模型的温度分布图。

可以与发表数据验证的热性能标准模型的温度分布图。

堆片式散热器模型

这个模型显示了电子器件上的堆片式散热器的冷却效果。散热器包括若干个薄铝圆盘,串在一个中空圆柱上。这样的构造可以充分利用周围空气冷却铝制散热片表面。

  • 堆片式散热器的温度分布。 堆片式散热器的温度分布。

堆片式散热器的温度分布。

太阳辐射热源的热效应

这个模型中包含一个太阳伞和两个箱子,展示了如何将太阳辐射作为外部辐射源用于模型。仿真的时间段是从上午10点到下午4点,在这段时间内,太阳伞遮盖住了太阳对箱子的辐射。本模型使用了外部辐射热源以及太阳位置选项,太阳的位置和影子效果在仿真过程中得到自动更新。

  • 教学模型中包含一个太阳伞及旁边的制冷器,考虑了从上午10点到下午4点的太阳辐射效果,计算了温度的分布。 教学模型中包含一个太阳伞及旁边的制冷器,考虑了从上午10点到下午4点的太阳辐射效果,计算了温度的分布。

教学模型中包含一个太阳伞及旁边的制冷器,考虑了从上午10点到下午4点的太阳辐射效果,计算了温度的分布。

结构力学模块

罚函数法快速接触

新增近似罚函数法,这种方法比标准增广拉格朗日算法具有更好的鲁棒性,收敛速度更快。这种算法避免了求解接触压力所产生的自由度,并且不需要特别设定分离式求解器。在加快求解过程时,罚函数法不会朝着接触面间的零间距收敛,这种计算接触压力的算法不如复杂的增广拉格朗日算法精确。接触压力和摩擦力公式彼此间相互独立。可以在接触设置窗口的“接触压力和切向力”部分选择所需的接触压力算法。

用户需要设定罚数,也可定义法向压力的偏移。这意味着如果给定合适的接触压力估计值,可以减小间隙的咬合过度。对于“摩擦”,如果法向接触压力也使用罚函数法,则罚数可以从上级节点中自动继承。

  • 钢管连接以及预应力螺栓和机械接触分析。管道受到外部弯矩作用。计算螺栓的应力与外部施加载荷之间的函数关系。 钢管连接以及预应力螺栓和机械接触分析。管道受到外部弯矩作用。计算螺栓的应力与外部施加载荷之间的函数关系。

钢管连接以及预应力螺栓和机械接触分析。管道受到外部弯矩作用。计算螺栓的应力与外部施加载荷之间的函数关系。

新的载荷与作用力:重力、离心力、旋转软化、科里奥利力和欧拉力

在重力和旋转框架中,利用两个新的选项,可以添加各种质量力和载荷,例如重力、离心力、科里奥利力和欧拉力等。这可以更加容易地在有质量的物体上面定义载荷,例如域质量密度、点质量、增加的质量、刚性连接质量等。即使作用力和载荷自动施加到边界、边和点上,也应该在域层次添加它们。此外,还支持载荷案例。

“旋转框架”设置包含了旋转系统中可能存在的所有类型的惯性力。缺省情况下包含离心力和旋转软化。

  • “旋转框架”的设定。 “旋转框架”的设定。

“旋转框架”的设定。

在新版本中,转子动力学模型“旋转叶片”使用了内置的“旋转框架”载荷代替了体积力表达式。由于“增加的质量”有时用于描述载荷效应,但它不是真实的结构质量,有时并不希望“增加的质量”所产生的贡献。在“框架加速力”下可以通过勾选或者不勾选来控制这项贡献。

热应力接口中的“多物理场”节点

COMSOL 中引入了“多物理场”节点来方便地设置多物理场应用,例如热应力。这些节点具有更好的操作方式,而且用户还可以在现有模型基础上继续添加其他单个物理场,进一步扩展模型应用。从“模型开发器”中添加了“热应力”接口之后,软件会自动添加“固体力学”和“固体传热”接口以及一个“多物理场”节点,这个节点是模拟热应力耦合的一个专用节点。或者,如果您已经设置了“固体力学”接口,进行了一些仿真,您可以继续添加“固体传热”接口,然后“多物理场”节点会自动地添加到“模型开发器”中。“焦耳热和热膨胀”接口也包含一个新的“多物理场”节点。从“模型向导”中直接添加了这个接口后,软件会自动在“模型开发器”中添加“电流”、“固体传热”和“固体力学”接口以及“多物理场”节点。您同样也可以逐个地添加单个物理接口,来逐渐增加模型的复杂程度。添加了第二个物理接口之后,“模型开发器”中会显示“多物理场”节点。若添加了第三个物理接口,则可以定义更多的多物理场耦合。模型中可以运行各种仿真,包括多物理场耦合设置变化,因为您可以自由地选择激活或者禁用“多物理场”节点

粘弹性模型升级

在“线弹性材料”中新增加了“粘弹性”子节点,利用粘弹性进行线弹性模型的无缝扩展。“线弹性材料”与“粘弹性”接口的组合代替了之前版本中的“线性粘弹性材料”功能。利用新的计算方法,求解节点中不再需要设置粘弹性初始化求解步骤。

新增两种粘弹性材料模型:标准线性固体模型和 Kelvin-Voigt 模型。这是对以前版本中的 广义 Maxwell 模型的补充。

利用“静刚度”属性,您可以在稳态分析中选择“长期”或者“瞬时”刚度。现在“热效应”部分包含两个新的公式来描述热流变学简单固体的时域位移现象:Arrhenius 公式和用户定义。这是对之前版本的 Williams-Landel-Ferry(WLF)方程的补充。

固体-壳-梁的连接

一组固体-壳-梁连接可以更轻松地设置固体、壳和梁的混合模型。连接分为以下几种类型:

3D

  • 连接壳边到实体边界
  • 连接壳边界到实体边界(也称之为“包覆”)

2D

  • 连接梁上的点到实体边界
  • 连接梁上的边到实体边界

连接方式总览

在所有情形下,连接是通过添加两个特征来实现的,每个物理场接口中包含一个。

连接实体与壳

在“固体力学”接口的“壳连接”设定中,可以使用以下设定:

  • 连接的实体包含两个选择器:
    • 壳边或者壳边界
    • 壳接口中实体连接,设置壳部分的连接设置
  • 连接区域用于“边到边界”的设置,并且确定壳与实体边界连接的程度。缺省设置是“壳厚度”,在这种情形下连接壳的中间面。如果选择了“选择边界”,则“壳”连接中的所有选择都会设置为连接。在最后一种情形中(距离中心面距离),用户可以完全控制连接对壳边作用的距离。

  • 选择了“壳”边界之后,“边界类型”用于设置边界到边界的连接并定义连接类型。 对于“共享”设置,壳边界相当于实体的一个面,而“平行”则不是。

  • “边界类型”选择“平行”之后,软件提供三个不同的选项来计算壳与实体之间的距离:基于壳属性,基于边界间的几何距离以及用户定义表达式。

连接壳和实体

在“壳”接口的“实体连接”设定中只包含一个类型:连接类型。这个选项仅能用于边到边界的设置。缺省的“软化”连接是非常精确的,但是有些不足之处:在壳边上增加了自由度,并且如果实体的网格非常粗糙可能会产生奇异点。“简单”连接类似于局部刚性连接,它会将实体约束到壳上,并引入局部应力扰动。二维的情况类似,不同之处在于壳结构在二维中变为梁结构。

新刚体域功能

“固体力学”接口中新增名为“刚体域”的功能,代替之前版本“刚性连接”的子节点“刚体域”。可以在“固体力学”和“多体动力学”接口中使用“刚体域”。相比之前版本中的“刚体域”子节点,这项功能具有多项优点:

  • 这是一种合适的材料模型,会覆盖其他材料模型设置,例如线弹性
  • 具有自身独立的自由度,并可以设置初始值
  • 在子节点中可以添加特别的约束和载荷边界条件
  • 利用选择的面、边或者点的重心来定义位置,并设置初始化、添加约束或者施加载荷
  • 支持结构载荷边界,例如重力、旋转框架、体积载荷以及弹簧基础
  • 自动忽略不可用的结构约束边界条件
  • 自动创建与周围材料模型的连续性
  • 具有自己的全局后处理变量以及域后处理变量,与其它材料模型类似
  • 可在“刚体域”中绘制结果

Timoshenko 梁

Timoshenko 理论完全改变了梁单元的计算原理,因此可以考虑添加剪切柔性。这是对之前版本的 Euler-Bernoulli 理论的补充。Timoshenko 梁可用于横截面尺度相对梁的长度比较大,但是依然可以近似为梁的情形。在 Timshenko 理论中,除了需要设定横截面参数,还要给定剪切修正因子。注意软件的向后兼容性:如果打开的是老版本软件格式的模型,会选择 Euler-Bernoulli 公式,仍然会出现梁计算公式的选项,但是不能从 Euler-Bernoulli 改为其它选项。如果设置菜单中显示了“高级物理选项”,那么还会出现“向后兼容”设定。若清除“使用 4.4 以前版本公式”选择框,则可以使用新的公式。这么操作可以使用 Timoshenko 梁公式,但是您还必须手动设置求解器,例如分离和缩放比例。如果在两个接口中使用相同的自由度名称,这种遗留下来的选项并不会支持梁与实体或者壳的混合应用。

Timoshenko 梁公式的剪切修正因子设定。

非线性结构材料模块和岩土力学模块

材料的塑性硬化数据

现在“塑性”节点中包含一个“来自材料”选项,用于设置硬化方程,可以更加容易地利用弹塑性材料属性建立您自己的材料库。

耗散塑性能量密度

可以在蠕变、塑性、粘弹性模型中计算耗散塑性能量,这些模型选项均在“线弹性材料”的分支中。但是,添加这个变量会增加一个额外的自由度,这就需要更多的计算资源。您可以选择计算或者不计算,这可以在“线弹性材料”和“超弹性材料”设置窗口中通过激活或禁用来实现。只有在激活“显示高级物理选项”之后才会显示这个选项。

疲劳模块

新增的疲劳模型与热疲劳

“疲劳模块”通过两种疲劳模型添加了热疲劳功能:基于非弹性应变的疲劳预测,以及基于耗散能的疲劳预测。它们也适用于延性材料的低周循环疲劳预测。

基于能量的疲劳模型

“基于能量”选项提供了基于能量耗散的疲劳模型。两个可用模型: * Morrow * Darveaux

Morrow 模型使用逐点疲劳寿命估计,而 Darveaux 模型根据体平均能量耗散计算疲劳寿命。Darveaux 模型只能在域中使用,而 Morrow 可以在所有维度中使用。 Darveaux 模型的体平均可以通过两种方法来计算:对于“独立域”选项,分别计算每一个独立的几何域;而对于“整体选择”选项,同时对所有的几何域进行体平均估算。Darveaux 模型将整个寿命分割为裂痕起始和裂痕扩展,现在可以估算每一个时间的循环数。

  • 根据 Darveaus 模型,利用耗散能量体平均预测焊接材料的寿命。 根据 Darveaus 模型,利用耗散能量体平均预测焊接材料的寿命。

根据 Darveaus 模型,利用耗散能量体平均预测焊接材料的寿命。

在两种疲劳模型中都可以估算不同形式的能量变化。预置的模型包括:

  • 蠕变耗散密度
  • 弹性耗散密度
  • 总耗散密度
  • 用户定义

要使用前三个模式需要先选择非线性材料模型,并且开启“高级物理选项”来进行能量耗散的计算。在“用户定义”选项中,您可以自定义一个能量密度变量,在以上任意模型中使用。可以通过组合已有能量变量来实现,或者利用基本模块的“数学”接口中的偏微分和常微分方程接口定义全新的能量变量。

基于应变的 Coffin-Manson 型疲劳模型

Coffin-Manson 模型扩展了基于应变的模型家族,它经常用于低周循环疲劳估计。

Coffin-Manson 模型经过修正,适用于不同类型的非弹性应变。可以用于以下的应变类型:

  • 等效蠕变
  • 等效弹性应变
  • 用户定义

用户定义选项可以计算在任意结构力学接口中定义的应变,或者计算通过自定义偏微分方程和常微分方程定义的应变表达式。这可以用来在进行疲劳仿真时计算各种剪切和法向应变分量,甚至包括各种蠕变贡献,例如二次蠕变。在非弹性应变选项中选择“等效塑性应变”后,可以使用原始“Coffin-Manson”关系式。

新教学模型:表面贴片电阻焊点的热疲劳分析

新案例展示了快速热循环作用下的表面贴片电阻。在两分钟内发生了 50°C 的温度变化,紧接着停顿三分钟的循环。连接电阻和印刷电路板的焊点是装配体中最不牢固的连接点,它会对温度和时间的变化产生非线性响应,这种现象可以用 Garofalo 蠕动材料模型来模拟。为了保证元件的结构完整性,基于蠕动应变和耗散能量进行疲劳分析。首先模拟加热、冷却过程的几个循环,然后进行疲劳研究。

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  • 使用 Darveaux 模型基于耗散能量体积平均预测焊接材料的寿命。 使用 Darveaux 模型基于耗散能量体积平均预测焊接材料的寿命。

计算得到电阻和印刷电路板之间薄焊点的等效蠕变和剪切蠕变分量的变化。

  • 使用 Darveaux 模型基于耗散能量体积平均预测焊接材料的寿命。 使用 Darveaux 模型基于耗散能量体积平均预测焊接材料的寿命。

电阻和印刷电路板之间焊接点的耗散能,以剪切应力-应变滞后表示。

多体动力学模块

三个新的关节类型:固定关节、距离关节和万向节

“多体动力学”接口中添加了三个新的关节类型:固定关节、距离关节和万向节。它们可以在“关节”菜单的“更多关节”中找到。这些新的关节类型不同于之前的选项,它们的抽象性更强,且没有分支设置。一个“固定关节”将两个部件焊接在一起。“距离关节”类似于包含球节的刚性连接,但是距离可以变化,因为可以在“扩展”编辑区域设置变量。“万向节”也被称为“万向关节”。

关节摩擦

现在将摩擦设置添加到棱柱关节、铰关节、柱关节、螺纹关节、平面关节和球节中。添加摩擦设置的多体动力学模型 仅能 用于瞬态求解。

声学模块

线性欧拉方程气动声学

理想情况下,气动声学仿真会涉及到在时域中求解可压缩 Navier-Stokes 方程,声压波会构成流体解的子集。由于计算时间和内存资源太大,这种方法通常在现实应用中是不实际的。相反,求解许多实际工程问题时,一般会使用两个解耦的步骤:第一步求解流体流动,然后再计算流动的声波扰动。新的“线性欧拉”物理场接口计算给定背景平均流场下的压力、速度和密度的声学变化。这些接口假设背景气体是理想气体(或者近似理想气体),没有热损耗与粘性损耗,求解线性欧拉方程和能量方程。“线性欧拉”物理场接口可以用于时域、频域和特征值求解。具体应用包括分析喷气发动机的噪音传播,模拟非等温流中消音器的衰减属性,以及研究气体流测量表等。在这些情形中,背景气体的流动会影响声波在流体中的传播。以下是一个验证案例(A. Agarwal, P. J. Morris, and R. Mani, AIAA 42, pp. 80, 2009),这也是计算气动声学(CAA)研讨会上的标准问题(Proceedings of the 4th CAA Workshop on Benchmark Problems, NASA CP, 2004-212954, 2004)。在高速射流中有一个高斯点源,射流会极大地影响声波在流体中的传播。在这个案例库中的模型中,得到了与解析结果相当匹配的计算结果。

  • 在高速射流中有一个高斯点源,马赫数 0.75 的流体沿着负 x-轴从左侧流入。由于对称性,只需要计算流体域的上半部分(y>0)。流动极大地影响了声波在流体中的传播;由于速度场的存在会使声压波发生明显的扭曲。为模拟外围的无限区域,吸收向外传播的声压,在频域模型中添加了完美匹配层(PML)。 在高速射流中有一个高斯点源,马赫数 0.75 的流体沿着负 x-轴从左侧流入。由于对称性,只需要计算流体域的上半部分(y>0)。流动极大地影响了声波在流体中的传播;由于速度场的存在会使声压波发生明显的扭曲。为模拟外围的无限区域,吸收向外传播的声压,在频域模型中添加了完美匹配层(PML)。

在高速射流中有一个高斯点源,马赫数 0.75 的流体沿着负 x-轴从左侧流入。由于对称性,只需要计算流体域的上半部分(y>0)。流动极大地影响了声波在流体中的传播;由于速度场的存在会使声压波发生明显的扭曲。为模拟外围的无限区域,吸收向外传播的声压,在频域模型中添加了完美匹配层(PML)。

“线性欧拉”物理接口的边界条件包含:

  • 刚体壁 (缺省)
  • 预定义场
  • 对称
  • 阻抗(只用于频域)
  • 移动壁
  • 内部壁

  • 利用 COMSOL 模块进行起居室本征模式分析;房间中的任何声场都是这些模式的组合。模型所示为 93 Hz的本征模式。利用喇叭的位置移动和频域扫描进行音响系统的响应分析。 利用 COMSOL 模块进行起居室本征模式分析;房间中的任何声场都是这些模式的组合。模型所示为 93 Hz的本征模式。利用喇叭的位置移动和频域扫描进行音响系统的响应分析。

利用 COMSOL 模块进行起居室本征模式分析;房间中的任何声场都是这些模式的组合。模型所示为 93 Hz的本征模式。利用喇叭的位置移动和频域扫描进行音响系统的响应分析。

声压流体模型的新结构

现在将声压的流体模型并入声压、多孔声学和狭窄域声学等分支中。还可以在“更多”菜单中找到“偶极子”和“单极子”源选项。

多孔介质声学

对于多孔介质声学,流体模型依据工业标准来命名:Delany-Bazley-Miki 和 Johnson-Champoux-Allard。此外,软件可以流程化地进行缺省设置与输入参数。

狭窄区域声学

对于狭窄区域声学,可以使用两个选项:宽管近似和非常狭窄圆管近似。此外,软件可以流程化地进行缺省设置与输入参数。

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化学反应工程模块

流体边界处的全局物理量

进一步完善了质量传递方程的数学形式,相应地修订了描述质量守恒的变量。此外,还可以更加精确地计算边界上的质量通量。

基于这些改进,软件添加了一系列描述入口和出口边界条件的全局物理量,包括:

  • 总质量流与平均压强
  • 达西流动的计算量
  • 层流出口总质量流
  • 非等温流模型的混合平均温度
  • 稀物质和浓物质溶液中溶质的平均质量分数

圆喷孔燃烧器中合成气燃烧模型

本案例模拟了圆喷孔燃烧器中合成气湍流燃烧。合成气从管道中进入,与流动相对缓慢的空气一起喷入开放区域,在其中进行混合燃烧。模型中使用“反应流”接口与“流体传热”接口耦合求解,利用 k-ε 模型模拟喷口湍流,利用涡耗散模型模拟湍流反应。

  • 圆喷孔燃烧器中的合成气湍流燃烧模型。 圆喷孔燃烧器中的合成气湍流燃烧模型。

圆喷孔燃烧器中的合成气湍流燃烧模型。

多组分体系闪蒸计算

化学反应工程模块的热力学接口新增了闪蒸计算功能。当包含一种或多种化学物质与相态的体系产生大的压降时(通常利用节流设备产生),利用闪蒸计算可以确定体系内不同组分之间的相平衡。利用 CAPE-OPEN 提供的可兼容的外部热力学属性函数库,COMSOL能够执行多组分混合物的闪蒸计算,并将计算与化工过程仿真的其它物理场耦合起来。

化学反应工程模块利用热力学方程和溶质的质量与能量守恒方程,可以轻松地进行气/液平衡体系的闪蒸计算。 您可以根据计算结果得到:

  • 特定温度下的泡点
  • 特定压强下的泡点
  • 特定温度下的露点
  • 特定压强下的露点
  • 特定压强和温度下的闪点
  • 特定压强和焓下的闪点
  • 特定压强和熵下的闪点
  • 特定内能和体积下的闪点

电镀模块

新增加一次电流分布接口模拟电镀过程。

您可以直接在“模型向导”中选择“电镀,一次”接口来模拟一次电流分布。

电镀接口现在可更精确地表征后处理边界通量

可利用后处理变量 nIs 与 nIl 计算电极和电解质中的法向电流密度。

轿车车门电泳涂装模型

利用一次电流分布模型模拟轿车车门电泳涂装。由于油漆的电阻率高,油漆的沉积厚度分布变得更加均匀。假设电解质电导率恒定不变,膜电阻随厚度发生变化,从而可以准确描述电解质中的电荷传递。

  • 轿车车门表面电泳涂装的漆膜厚度。 轿车车门表面电泳涂装的漆膜厚度。

轿车车门表面电泳涂装的漆膜厚度。

腐蚀模块

一次电流密度分布接口

您可以选择“腐蚀,一次”接口,指定使用腐蚀物理接口中一次电流分布模型。在之前的版本中,您必须在“腐蚀,二次”接口中指定这个模型。

精确的通量边界条件

新增加两个后处理变量:nIs 与nIl,分别用于计算电极与电解质中的法向电流密度。

电化学模块

  • 传感器中亚铁氰化物的浓度。 传感器中亚铁氰化物的浓度。

电化学接口的通量边界条件

软件引入了两个后处理变量,从而可以获得精确的电解质与电极法向电流密度结果。

传感器中亚铁氰化物的浓度。

葡萄糖传感器电化学模型

葡萄糖传感器电化学模型利用电流法测算样品中的葡萄糖浓度。本案例模拟葡萄糖和铁/亚铁氰化物氧化还原介质在对插型电极上方电解液中的扩散过程。传感器在特定浓度范围内具有线性响应。利用电解分析接口来耦合工作电极与配对电极中的化学物质传递与电解过程,并跟据 Michaelis-Menten 动力学原理设定溶液中葡萄糖的酶氧化反应。

所有其他商标均属其各自所有者所有。See COMSOL Trademarks page.

AC/DC 模块

非线性磁性材料数据库

AC/DC 模块包含165种铁磁性和亚铁磁性材料,数据库包含BH曲线和HB曲线等磁场公式所需的材料数据。曲线数据通过大量的采样获得,并消除滞后效应。通过线性外推方法计算实验数据范围之外的材料属性值,获得最大限度地数值稳定性。

BH-曲线数据样品

更加强大的感应加热接口

“模型构建器”中新增加“多物理场”节点,这显著地优化了感应加热仿真的建模流程。新用户接口也可以分别对每一个本构物理场进行设置。一般的电磁感应过程在一秒内会有几千个循环周期,而温度场变化的时间跨越尺度是秒级别的,因此一般在频域内模拟电学问题,在时域或稳态域中模拟传热问题。新的“感应加热”接口通过“磁场”接口计算感应电流和损耗,通过“传热”接口计算温度变化,并通过“多物理场”节点设定了物理场之间的耦合。磁场和传热也可以分开求解。

RF 模块

高电导率层的“过渡边界条件”

改进了“过渡边界条件”的设置,可描述具有高电导率的内部薄层边界。这可以用于描述比其它模型维度都要小很多的金属薄层。

内部端口边界条件

用 RF 模块模拟电磁波源时,通常会在外部边界上定义终端边界条件,用来描述模拟域之外的源。但是,有时候将源设置在模拟域内会更加方便。利用新的狭缝端口可以在内部边界上定义源,它可以是域类型或者 PEC(完美电导体)类型。PEC 狭缝端口在一个内部边界上会添加两个边界条件。在一侧边界上定义完美电导体条件,在另一侧边界上,可以定义任意常规的端口边界条件,用于边界上的电磁场激励。端口定向可以定义电磁场传播的方向。另一方面,域狭缝端口是一种透明边界。它可以设置边界上的电磁波激励,并且任何入射波均可以无阻碍地通过该端口。

  • 利用“过渡边界条件”模拟二维喇叭天线,使用完美电导体狭缝端口作为激励。 利用“过渡边界条件”模拟二维喇叭天线,使用完美电导体狭缝端口作为激励。

利用“过渡边界条件”模拟二维喇叭天线,使用完美电导体狭缝端口作为激励。

域狭缝端口也可以用于模拟周期性问题。通常当我们模拟具有许多高阶衍射级的结构时,例如光栅等,用户必须为每一个衍射级设置单独的端口边界条件。对于三维结构,甚至存在多平面衍射。但是,有时我们并不是对每一个单独的衍射级感兴趣,而是仅想知道周期性结构整体的透射率和反射率。在这种情况下,可以使用域狭缝端口。狭缝端口可以插入任意入射角的平面波,而且任意反射波都可以穿过端口并进入外面的完美匹配层(PML)。完美匹配层会同时吸收所有更高阶的模态。

天线后处理附加变量

在 RF 模块中,现在可以提取天线增益(线性或dB量级)、轴比(线性或dB量级),以及以θ和φ、仰角和方位角表示的远场变量。

  • 根据轴比结果调谐的圆偏振 GPS 天线。本模型可在4.4版本发布之后通过案例库更新获得。 根据轴比结果调谐的圆偏振 GPS 天线。本模型可在4.4版本发布之后通过案例库更新获得。

根据轴比结果调谐的圆偏振 GPS 天线。本模型可在4.4版本发布之后通过案例库更新获得。

  • 互补谐振开环构成的频率选择表面。本模型可在 4.4 版本发布之后通过案例库更新获得。 互补谐振开环构成的频率选择表面。本模型可在 4.4 版本发布之后通过案例库更新获得。

互补谐振开环构成的频率选择表面。本模型可在 4.4 版本发布之后通过案例库更新获得。

端口沉积功率

在许多微波加热应用中,需要限制沉积功率的总量。可在模型中指定沉积功率,施加的功率会根据反馈信息进行调整,以保证模型恰好获得所指定的沉积功率。这种情形一般用在生物医学微波加热、等离子体模拟等领域。

数值端口边界模式分析与阻抗边界条件

在某些情形下没办法解析地计算物理场分布(例如矩形,同轴或圆形端口),在这种情况下,我们推荐大家使用“数值端口”边界条件来计算边界上的电磁场。现在这些数值端口可以考虑阻抗边界条件,其中引入了壁损耗效应,而不是假设完美电导体。当然,我们也可以考虑使用周期性边界条件。

  • 数值计算任意端的波导模式形态时考虑了波导壁的有限电导率。 数值计算任意端的波导模式形态时考虑了波导壁的有限电导率。

数值计算任意端的波导模式形态时考虑了波导壁的有限电导率。

高斯光束背景场

散射场公式用于计算电磁场散射。 一般情况下会指定均匀平面波作为背景场,新增的高斯光束背景场可以定义沿着坐标轴传播的高斯光束,以及波束束腰与焦点,也可以定义光束偏振。

高斯光束背景散射场公式。

全新的强大的微波加热用户接口

新的 COMSOL 设置可以更加容易地管理微波和 RF 加热仿真。 在“模型向导”中选择“微波加热”多物理场接口后,“模型构建器”中会添加专用“多物理场”节点,以及“电磁波”和“固体传热”接口。

您可以在考虑所有耦合问题之前单独地模拟每一个本构物理场,从而可以充分理解模型对每个物理场贡献的反应。这种建模思路也可以在管理“求解”序列时设定:首先在频域中求解电磁波,之后在时域或稳态域中求解传热。“多物理场”节点可以在域和边界上记录微波热源,以及所有材料的温度非线性属性。

波动光学模块

用户定义波束包络公式的相函数

假设近似知道模拟域各个位置的场传播矢量,波束包络公式能够求解电磁场包络。如果场包络相对波长来说变化缓慢且已知传播方向,则使用这种方法求解时更加节省内存。现在也可以在不同求解域中输入显式相函数,这可用于处理波束方向变化的情形。

其它新功能

波动光学模块中也可以使用 RF 模块的新狭缝端口功能。

波动光学模块中也可以使用 RF 模块的新数值端口功能。

激光加热

新增加“激光加热”多物理场接口,该接口组合了“电磁波,波束包络”接口与“固体传热”接口。“激光加热”多物理场接口在“模型构建器”中新增添了“多物理场”节点,这类似于“焦耳热”(基本模块),感应加热(AC/DC 模块)和微波加热(RF 模块)等接口。波束包络方法原理可以用于包络缓慢变化的光束,例如沿着光纤传播。“激光加热”多物理场接口耦合了电磁损耗与固体传热,可以计算温度的瞬态或稳态变化。软件中可以考虑材料属性与温度的关系,因此传热属性和光学属性可以直接依赖于温度。

“多物理场”节点可以更好的控制您的多物理场模拟。“多物理场”节点含有物理场“激活”和“禁用”功能,可以分别模拟单个物理场。或者,也可以任意组合这三个物理场中的其中两个。

新案例:弯曲阶跃折射率光纤

本教程中,一根阶跃光纤弯曲成3毫米曲率半径角度,分析传播模式和辐射损耗。模型展示了如何找到平均功率的模式半径,并用来计算等效模式折射率。对于弯曲光纤,光波导模式不能够完全被折射率结构所引导。这可以定性地解释为:在直波导中,波前(常相位面)与光纤轴是正交的。对于圆弯曲光纤,波前围绕圆的中心点以恒定角速度旋转。因此,传播常数根据到圆中心点的距离而变化。距离中心点一定距离,传播常数比局部波数大,这由真空波长和覆层材料的折射率确定。在圆环以外的范围,波的角速度不恒定,并且波前必须弯曲,这意味着电磁波开始向光纤外辐射能量。

  • 利用波动光学模块模拟分析弯曲阶跃折射率光纤。 利用波动光学模块模拟分析弯曲阶跃折射率光纤。

利用波动光学模块模拟分析弯曲阶跃折射率光纤。

匹配边界条件

“波束包络”公式使用的新匹配边界条件对已知方向的波是完全透明的。一般情况下,使用“波束包络”接口时,已知边界上的波矢,相对散射边界条件而言,本条件会引入更少人为的反射;并且相对于“完美匹配层”域截断方法,本条件需要的计算内存更少。

  • 介质分界面上的入射高斯光束。由于已知所有域中的波矢,因而可以使用非常粗糙的网格。利用双向波束包络方法求解入射波和反射波,并利用匹配层吸收所有入射到边界上的光。绘制了电场强度和坡印亭矢量。 介质分界面上的入射高斯光束。由于已知所有域中的波矢,因而可以使用非常粗糙的网格。利用双向波束包络方法求解入射波和反射波,并利用匹配层吸收所有入射到边界上的光。绘制了电场强度和坡印亭矢量。

介质分界面上的入射高斯光束。由于已知所有域中的波矢,因而可以使用非常粗糙的网格。利用双向波束包络方法求解入射波和反射波,并利用匹配层吸收所有入射到边界上的光。绘制了电场强度和坡印亭矢量。

高斯光束背景场

散射场公式用来计算电磁场的散射。通常情况下,定义均匀平面波为背景场,但是高斯光束背景场可以定义沿着单个轴传播的高斯光束,以及光束束腰和焦点,也可以定义光束的偏振。

新增多物理场案例:马赫-曾德尔调制器

马赫-曾德尔调制器可用于光波振幅的控制。在本模型中,输入波导分离进入两个波导干涉仪臂。如果在其中一个臂上施加了电压,则穿过该臂的电磁波会产生相位移。重组两个臂之后,两个电磁波之间的相位差转变成为了振幅调制。这是一个多物理场模型,展示了如何利用“电磁波,波束包络”接口和“静电场”接口描述实际的波导器件。

  • 在“波动光学”模块的马赫-曾德尔调制器案例中组合光波和静电场。 在“波动光学”模块的马赫-曾德尔调制器案例中组合光波和静电场。

在“波动光学”模块的马赫-曾德尔调制器案例中组合光波和静电场。

MEMS 模块

更加完善的“热应力”和“焦耳热”建模流程

新的“多物理场”节点改进了建模的流程,使用户可以一步一步地提高仿真模型的复杂程度。例如热应力仿真,可以先计算传热,然后再添加结构力学物理场,最后设定两者的耦合。当然,用户仍然可以在“模型构建器”中选择“热应力”物理场来同时考虑传热与结构力学,该选项会自动添加“固体传热”和“固体力学”接口,以及“多物理场”耦合节点。

“焦耳热和热膨胀”接口中也含有与此相同的功能。与其它接口一样,可以一次性添加所有贡献物理场,并在“模型构建器”中使用“多物理场”节点设置耦合。另外,在“模型向导中”选择“焦耳热和热膨胀”接口之后,软件会自动在“模型构建器”中设置“固体传热”、“固体力学”和“电流”接口,以及“多物理场”节点。使用这种方法,可以直接激活或抑制所有贡献物理场接口。因此,您可以在同一模型上单独求解每一个物理场,或者多物理场组合,或者同时求解三个物理场。

新案例:RF MEMS 开关

本案例分析 RF MEMS 开关,其结构包括电介质层及悬挂在上方的微小机械桥。在开关上施加的电压大于吸合电压,使桥发生弯曲塌陷从而增大了器件的电容。使用罚函数描述桥与电介质的接触力。使用随空间变化的函数描述两个终端之间的介电常数。

“载荷“和”力”新增选项:重力,离心力,旋转软化,科里奥利力,欧拉力

利用这两个新增选项,现在可以在“重力坐标系”和“旋转坐标系”下定义重力、离心力、科里奥利力和欧拉力等质量力与载荷。在有质量的物体上更加容易定义载荷,例如质量密度、点质量、增加的质量、刚性质量连接,等等。即使力与载荷可能会自动施加到边界、边或点等特征上,我们仍然是在域中添加它们。

“旋转坐标系”的选项包括旋转系统可能产生的所有类型的惯性力。缺省设置包括离心力,旋转软化。

  • “旋转坐标系”的设置。 “旋转坐标系”的设置。

“旋转坐标系”的设置。

有时会使用“增加的质量”描述虚拟的载荷效应,但是有时候可能并不需要其贡献。这种情况下,可以在“框架加速力”中引入或排除该项贡献。

等离子体模块

电子热扩散

电子热扩散会对电子电流密度产生贡献,现在等离子体模块中可以考虑这种效应。在以下物理场接口中将热扩散作为一种属性进行考虑:容性耦合等离子体、直流放电、漂移扩散、感应耦合等离子体和微波等离子体。

仅当电子扩散率不是常数时,对电流密度的额外贡献才会起作用,例如,电子扩散率是电子温度的函数。注意,这个选项仅在有限元算法中可用。

半导体模块

异质结边界条件

缺省情况下,异质结边界条件可用于内部边界条件。该边界确定了同质结、异质结的电场、电流的法向分量在内部边界上的连续性。新物理场接口定义了两个异质结模型:

  • 连续准费米模型(缺省)
  • 热发射模型。

连续准费米模型强制规定结两侧具有相同的准费米能级,这确保了电流的连续性。 热发射模型定义了异种材料结势垒产生的热离子电流。

小信号分析

“半导体”接口现在支持频域模式小信号分析求解类型。可以用来计算 AC 器件响应,从而可以计算输出电导和跨导之类的变量。

碰撞电离

在某些区域垂直于电流方向的电场分量很高,碰撞电离会生成大量的电子和空穴,现在的“半导体”模块可以模拟这个现象了。 这可以用来模拟光电二极管中的雪崩效应和 MOSFET 的雪崩击穿。起始,电流和电压的关系是线性的(欧姆区)。随着漏极电压的变大,引出电流开始饱和(饱和区)。随着漏源电压进一步变大并达到击穿区域,任意小的施加电压的升高都会引起电流的指数式增大。这通常是由碰撞电离引起的。

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  • 高漏极电压下 MOSFET 的碰撞电离源的对数图与非对数图。生成率非常高,超过 1036[1/(m3s)]。这会产生新的电子-空穴对,从源极流向漏极的电流因而变大。 高漏极电压下 MOSFET 的碰撞电离源的对数图与非对数图。生成率非常高,超过 1036[1/(m3s)]。这会产生新的电子-空穴对,从源极流向漏极的电流因而变大。

高漏极电压下 MOSFET 的碰撞电离源的对数图与非对数图。生成率非常高,超过 1036[1/(m3s)]。这会产生新的电子-空穴对,从源极流向漏极的电流因而变大。

栅终端

现用终端来定义“薄绝缘栅”边界条件。三个可用终端选项:

  • 电压
  • 电荷
  • 电路

更完善的初始值定义模式

现在 COMSOL 4.4 版本中有多种途径定义电子和空穴的初始电势和浓度。 使用这种灵活的方法更容易得到收敛解。“初始值”选项包括:

  • 缺省:根据离散方法自动选择合适的“初始值”。对有限体积法,初始状态相当于是“平衡状态”,而对有限元方法,初始值则等效于“本征浓度”。
  • 平衡状态:电子浓度(N),空穴浓度(P)和电势(V)等物理量均设置为计算平衡状态的值。
  • 仅平衡载流子:与“平衡状态”相同,但是用户可以定义电势(V)的初始值。
  • 本征浓度:电子浓度(N)和空穴浓度(P)均设置为本征浓度。您可以定义电势(V)。
  • 用户定义:每个场变量均显示有三个用户输入:电子浓度(N),空穴浓度(P)和电势(V)。

若求解的模型方程相同仅具有不同初始值,这些选项能够最大程度地提高仿真的灵活性。

更精确的计算电流及其分量的变量

绘图菜单中添加了描述空穴和电子的新电流变量:

  • 漂移电流密度
  • 扩散电流密度
  • 热扩散电流密度

也可以表征这些变量的模和模的对数。

更完善的电路耦合

现在“金属接触”和“薄绝缘栅”边界条件的“电路终端”选项与 AC/DC 模块的“电路终端”具有同样的功能。

场依赖的迁移率模型

增加了场依赖的迁移率模型,可以根据经验模型设置空穴和电子的迁移率变化。有两个场依赖的迁移率模型:Caughey-Thomas 和 Lombardi 表面。通常情况下,Caughey-Thomas 模型可以用于所有类型的半导体器件。电场平行于电流方向的分量变大时,电子和空穴的迁移率会减小。相对于恒定的迁移率,这会抑制电流。Lombardi 表面模型用于模拟面附近迁移率的变化,例如, MOSFET 栅附近。

  • Caughey-Thomas 迁移率模型计算的电子漂移速度。 对于硅,在 105[V/m] 附近漂移速度开始饱和。 Caughey-Thomas 迁移率模型计算的电子漂移速度。 对于硅,在 105[V/m] 附近漂移速度开始饱和。

Caughey-Thomas 迁移率模型计算的电子漂移速度。 对于硅,在 105[V/m] 附近漂移速度开始饱和。

不完全电离

“掺杂电离”设定为不完全电离现象添加了新的设置选项。硅在低温环境下,或者宽能隙的半导体在室温环境下,不是所有的供体和受体都会电离。在这些情况下,供体和受体的电离必须作为温度的函数进行计算。掺杂物的电离必须考虑供体和受体的能级及其相关简并度。用户定义选项能够直接通过任意函数定义电离率。

基于有限元的对数形式

由于漂移扩散方程本身的非线性程度很高,在非常小的距离内电子和空穴的数密度变化也可能会跨越10个数量级。在这种情况下使用有限元方法会造成数值不稳定性,例如负浓度。从数值分析角度来讲,一种处理这种问题的方法是求解电子和空穴数密度的对数形式。该功能已经作为附加离散选项添加到了“半导体”接口中。

金属接触边界条件

“金属接触”边界条件包含之前的 Schottky 接触和欧姆接触边界条件的所有设置。欧姆接触(可忽略势垒厚度的高掺杂半导体)和 Schottky 接触(大势垒厚度下的热电子发射)均是理想情况下的金属接触,而“金属接触”边界条件则是更加广义的基本形式。“Schottky 接触”和“欧姆接触”边界条件的名字已经改为了“理想 Schottky 接触”和“理想欧姆接触”。

基于半导体物理场仿真的网格剖分

“半导体”接口现在可以基于物理场剖分网格。软件会根据一些特定情形自动生成非常细化的网格:欧姆接触,薄绝缘栅和 Schottky 边界等。这就不需要用户根据模型设定手动剖分网格了。缺省情况下,软件会仔细地综合考虑模型精确性与计算速度。基于物理场剖分网格是新的缺省设置,推荐所有“半导体”模型均使用该设置。

掺杂和非线性的连续性设定

在新“连续性设定”中可以定义慢加速参数,并在方程系统中逐步引入。例如,可以缓慢开启掺杂浓度或者热电子电流,用这种方法可以更容易地求解强非线性模型。使用这种方法,用户必须在扩展求解中设置逐渐增大的连续参数。“连续性”设置(例如添加热电子电流)提供了三个选项:

  • 非连续
  • 使用接口连续性参数
  • 用户定义

“使用接口连续性参数”选项直接链接到半导体接口中定义的连续性参数(Cp)。这项功能可以同时加速多个方程项。用户定义选项中可以定义特定的掺杂连续参数。

材料库新材料

“半导体模块”附加的材料库包含以下新材料:

  • Al(x)Ga(1-x)As
  • GaN (Wurtzite)
  • GaN (Zinc Blende)
  • GaP
  • GaSb
  • InAs
  • InP
  • InSb

所有其他商标均属其各自所有者所有。See COMSOL Trademarks page.

多功能

目录:

Optimization Module

Additional Optimization Solvers

Two new optimization solvers expand the scope of the Optimization Module. One of the solvers (BOBYQA) is a gradient-free method and can be applied to a great variety of optimization problems, including those that vary one or more geometry dimensions of a CAD model created directly in COMSOL Multiphysics or via the LiveLink™ products. The other solver (MMA) requires the derivatives to be computed and is more limited in its scope but, when applicable, is much faster to converge.

New Gradient-Free Optimization Solver: Bound Optimization by Quadratic Approximation (BOBYQA)

采用二次近似的边界优化(BOBYQA)是一种信赖域无梯度优化求解器。这个算法使用在当前迭代域周围(信赖域)有效的目标函数的迭代构建二次近似。比起之前的无梯度优化求解器,这种求解器需要较少的目标函数,计算效率更高。它支持所谓的简单边界而不是一般约束,而且随着控制变量数目的增加,其计算性能胜过 Nelder-Mead和坐标搜索方法。总的来说,COMSOL 4.4 版本中的无梯度算法包括:

  • 坐标查找
  • Monte Carlo
  • Nelder-Mead
  • BOBYQA

您可以从“优化”求解类型中选择这些优化方法。控制参数不仅限于几何尺寸,而且也可以描述模型中的任何变量,包括网格控制参数。

  • 使用无梯度求解器进行尺寸优化。 使用无梯度求解器进行尺寸优化。

使用无梯度求解器进行尺寸优化。

新增的梯度优化求解器:移动渐近线方法(MMA)

移动渐近线方法(MMA)是基于梯度的优化求解器,由瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院的 K. Svanberg 教授编写。这种算法根据拓扑优化的思想进行设计,在文献中称为 GCMMA,而在优化模块中的名称为 MMA。总的来说,COMSOL 4.4 版本中的梯度算法包括:

  • SNOPT
  • MMA
  • Levenberg-Marquardt

粒子追踪模块

有效地计算粒子-场和流体-粒子相互作用

添加了一种模拟粒子-场和流体-粒子相互作用的新方法。利用这种方法,瞬态求解器计算粒子轨迹,稳态求解步骤求解周围物理场。这两个步骤不断重复,直到达到粒子轨迹和周围物理场的自洽结果。这种方法极大地减少了稳态条件下模拟系统所需要的模型粒子数目。例如带电粒子束,使用新方法可以更容易地定量计算自然电位产生的粒子束的扩散。

  • 电子束由于自身的空间电荷而发散,光束包络的形态取决于粒子的电荷与质量、入口电流以及初始粒子速度。其中粒子轨迹的颜色表征每个粒子相对初始位置的径向位移,切面颜色表征电子束的自然电位,而黄色箭头表示由自然电位产生的作用在电子束上的电场力。 电子束由于自身的空间电荷而发散,光束包络的形态取决于粒子的电荷与质量、入口电流以及初始粒子速度。其中粒子轨迹的颜色表征每个粒子相对初始位置的径向位移,切面颜色表征电子束的自然电位,而黄色箭头表示由自然电位产生的作用在电子束上的电场力。

电子束由于自身的空间电荷而发散,光束包络的形态取决于粒子的电荷与质量、入口电流以及初始粒子速度。其中粒子轨迹的颜色表征每个粒子相对初始位置的径向位移,切面颜色表征电子束的自然电位,而黄色箭头表示由自然电位产生的作用在电子束上的电场力。

带电粒子追踪 接口中,将 释放类型 改为 静态 将会使用特定的带电粒子电流。类似的,流体流动粒子追踪接口中,将 释放类型 改为 静态,也会指定特定的质量流速率。粒子场相互作用 或者 流体粒子相互作用 设定计算粒子产生的空间电荷密度或者作用力密度。

求解器设定

新的求解节点能够计算粒子与场之间的自洽相互作用。在 求解器 序列中添加 ForEnd For 节点后,可以连续循环运行部分序列。利用这种方法,瞬态求解器计算粒子轨迹,稳态求解步骤求解物理场。

  • 这是磁透镜模型的扩展应用,电子束产生的自然电位抑制了光束的聚焦。切面显示了电子束产生的电势。 这是磁透镜模型的扩展应用,电子束产生的自然电位抑制了光束的聚焦。切面显示了电子束产生的电势。

这是磁透镜模型的扩展应用,电子束产生的自然电位抑制了光束的聚焦。切面显示了电子束产生的电势。

在圆锥中释放粒子

现在可以定义以圆锥形式按照用户定义的初始速度以及 0 到 180 度夹角释放粒子。

  • 当使用 基于网格释放 或者 释放 功能时,初始速度设定中会添加一个新的选项, 恒定速度圆锥
  • 您可以定义粒子的初始速度、圆锥轴的方向以及锥角。
  • 通过圆锥式释放粒子,可以更加容易地模拟入射粒子的激射或者喷射。
  • 恒定速度圆锥 设定可以视为是 恒定速度, 半球恒定速度球形设定的概括,后两者相当于 90 度圆锥和 180 度圆锥的特殊情形。

  • 粒子从喷嘴注射到 CVD 腔室中,圆锥角为 15 度。刚开始时,粒子的惯性足够大,能够沿着原始的轨迹运动,但是最终拖曳力会占主导,粒子随着背景气体运动并被排出废气端口。 粒子从喷嘴注射到 CVD 腔室中,圆锥角为 15 度。刚开始时,粒子的惯性足够大,能够沿着原始的轨迹运动,但是最终拖曳力会占主导,粒子随着背景气体运动并被排出废气端口。

粒子从喷嘴注射到 CVD 腔室中,圆锥角为 15 度。刚开始时,粒子的惯性足够大,能够沿着原始的轨迹运动,但是最终拖曳力会占主导,粒子随着背景气体运动并被排出废气端口。

粒子释放统计

释放粒子的总数现在可以作为变量在方程中使用或在后处理中计算。这提供了一种记录释放粒子数目的便利方法,即使用户可能会使用 基于网格 的初始位置设置。

弹性碰撞计数器

现在只要在选择框中勾选,就可以统计模型粒子和背景气体粒子的碰撞次数。

  • 弹性碰撞力 设定中,当 碰撞模型 设定为 Monte Carlo时,才能使用 碰撞统计
  • 碰撞统计 区,勾选 碰撞计数 复选框将为每个粒子引入一个新自由度,每发生一次弹性碰撞,就计数加1。
  • 碰撞计数 选择框所生成的物理变量仅可用于 弹性碰撞力 的计算。这意味着可以单独地统计一个模型粒子与几种不同的背景颗粒的碰撞。

  • 漂移管中氩离子运动轨迹绘图。每一次与背景气体的碰撞之后,它们的速度都会发生变化,颜色表征离子与背景气体碰撞的次数。 漂移管中氩离子运动轨迹绘图。每一次与背景气体的碰撞之后,它们的速度都会发生变化,颜色表征离子与背景气体碰撞的次数。

漂移管中氩离子运动轨迹绘图。每一次与背景气体的碰撞之后,它们的速度都会发生变化,颜色表征离子与背景气体碰撞的次数。

新的曳力模型 - Haider-Levenspiel

现在可以计算非球形颗粒的拖曳力,使用的数学模型类似于 Schiller-Naumann 选项,但现在这种模型还考虑了粒子的圆球度。一般情况下,非球形粒子会比球形粒子产生更高的曳力。

助因变量重新初始化

当速度发生重新初始化时,现在“速度重新初始化”和“弹性碰撞力”会重新初始化助因变量。

  • 速度重新初始化 的设置中,新增加了 助因变量的新值 选项。
  • 每一个变量都可以单独地设置重新初始化。
  • 碰撞模型 设置成 Monte Carlo 时,在 弹性碰撞力 的设置中可以选用 助因变量的新值 选项。
  • 利用这项设置,每一次碰撞发生之后均会重新初始化。
  • 在二维和二维对称模型中,面外速度分量同样也可以重新初始化。
  • 因此,在二维和二维对称结构中将 碰撞模型 设置成 Monte Carlo 之后,计算结果与三维模型一样精确。

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  • 粒子加速器中的粒子绘图。助因变量可用于监测粒子的停留时间和轨迹距离,颜色表达式表征的是停留时间,当粒子到达特定位置时停留时间会自动重置为 0。 粒子加速器中的粒子绘图。助因变量可用于监测粒子的停留时间和轨迹距离,颜色表达式表征的是停留时间,当粒子到达特定位置时停留时间会自动重置为 0。

粒子加速器中的粒子绘图。助因变量可用于监测粒子的停留时间和轨迹距离,颜色表达式表征的是停留时间,当粒子到达特定位置时停留时间会自动重置为 0。

最小、最大和平均算子

现在粒子追踪计算中也可以使用最小、最大和平均算子。利用这些算子可以将以下变量作为停止条件用于方程,或者在后处理中使用:

  • 变量最小值,计算所有粒子
  • 变量最大值,计算所有粒子
  • 变量平均值,计算所有粒子

一般来说,这些变量会随着时间而变化,能够用于一系列计算中。例如当粒子的平均动能达到一定临界值时,停止条件终止仿真。它们已经添加到了牛顿公式和拉格朗日公式中。

新案例模型 - 电子束分散

模拟高电流强度下的带电粒子束时,粒子束产生的空间电场力会显著地影响带电粒子的运动轨迹,这些运动轨迹的扰动会反过来影响空间电荷的分布。“带电粒子追踪”接口使用迭代方法有效地计算粒子追踪和稳态电场的强耦合问题。相比粒子间的库仑相互作用的显式模拟,这种方法减少了几个数量级的模型粒子数目。细化网格的计算结果证实,对于非相对论等轴光束包络,结果与解析表达式一致。本案例需要粒子追踪和AC/DC模块。

  • 由于自身的空间电荷分布,粒子束产生分散。束包络的形态取决于粒子的电荷与质量、入口电流和初始的粒子速度。其中粒子轨迹颜色表征每一个粒子相对初始位置的径向位移,切面颜色表征粒子束的自然电位,黄色箭头表示由自身自然电位产生的电场力。 由于自身的空间电荷分布,粒子束产生分散。束包络的形态取决于粒子的电荷与质量、入口电流和初始的粒子速度。其中粒子轨迹颜色表征每一个粒子相对初始位置的径向位移,切面颜色表征粒子束的自然电位,黄色箭头表示由自身自然电位产生的电场力。

由于自身的空间电荷分布,粒子束产生分散。束包络的形态取决于粒子的电荷与质量、入口电流和初始的粒子速度。其中粒子轨迹颜色表征每一个粒子相对初始位置的径向位移,切面颜色表征粒子束的自然电位,黄色箭头表示由自身自然电位产生的电场力。

新模型 - 离子漂移速率标准模型

The drift velocity of Ar+ is calculated using a Monte Carlo simulation in which the elastic collisions of argon ions with ambient neutrals are explicitly modeled. The model uses data from energy-dependent collision cross-section experiments. The average ion velocity values are consistent with the experimental data over a wide range of reduced electric field magnitudes. This agreement suggests that Monte Carlo simulations of elastic collisions between particles may be applied to a wide variety of devices.

  • 漂移管均匀电场中的一束粒子,颜色表征粒子速度的数量级。尽管粒子的速率分布明显不均匀,但是粒子平均速率与实验数据一致。 漂移管均匀电场中的一束粒子,颜色表征粒子速度的数量级。尽管粒子的速率分布明显不均匀,但是粒子平均速率与实验数据一致。

漂移管均匀电场中的一束粒子,颜色表征粒子速度的数量级。尽管粒子的速率分布明显不均匀,但是粒子平均速率与实验数据一致。

新模型 - 离子漏斗

本模型研究电动力学离子漏斗的聚焦效应。由于它们可以在高背景气压下工作,离子漏斗经常用于耦合各种设备,例如离子迁移谱仪和质谱仪,提高设备的灵敏度。模型使用 Monte Carlo 碰撞模型设定来模拟离子与背景中性气体间的相互作用。本模型需要“粒子追踪模块”与 “AC/DC” 模块。

  • 离子漏斗的切面图,其中表面颜色表征 0 度相角的 AC 和 DC 电势,还显示了离子轨迹的痕迹。当它们运动通过系统时通过电极聚焦,不同颜色的粒子显示在不同时间下离子在漏斗中的位置。初始粒子为灰色,红色粒子表示 0.1毫秒后的位置,黑色粒子表示释放 0.2毫秒后的位置,以此类推。最终,0.6毫秒后,粒子聚焦在很小的一块区域,图中以黄色表示。 离子漏斗的切面图,其中表面颜色表征 0 度相角的 AC 和 DC 电势,还显示了离子轨迹的痕迹。当它们运动通过系统时通过电极聚焦,不同颜色的粒子显示在不同时间下离子在漏斗中的位置。初始粒子为灰色,红色粒子表示 0.1毫秒后的位置,黑色粒子表示释放 0.2毫秒后的位置,以此类推。最终,0.6毫秒后,粒子聚焦在很小的一块区域,图中以黄色表示。

离子漏斗的切面图,其中表面颜色表征 0 度相角的 AC 和 DC 电势,还显示了离子轨迹的痕迹。当它们运动通过系统时通过电极聚焦,不同颜色的粒子显示在不同时间下离子在漏斗中的位置。初始粒子为灰色,红色粒子表示 0.1毫秒后的位置,黑色粒子表示释放 0.2毫秒后的位置,以此类推。最终,0.6毫秒后,粒子聚焦在很小的一块区域,图中以黄色表示。

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CAD 导入模块及CAD LiveLink 模块

CAD 导入模块内核升级

CAD 导入模块及其 LiveLink 模块使用 Siemens PLM 的 Parasolid® 几何内核进行实体建模操作,包括几何修复和几何削除 (若没有这些模块则使用 COMSOL®-自带几何建模内核)。与 COMSOL® 4.4 一起发布的 CAD 导入模块使用了升级版本的 Parasolid® 内核,解决了一系列的稳定性问题,这使得 CAD 模型的导入与实体操作更加稳健。

  • 利用 CAD 导入模块导入起重机臂模型,并在 COMSOL 中剖分网格。 利用 CAD 导入模块导入起重机臂模型,并在 COMSOL 中剖分网格。

利用 CAD 导入模块导入起重机臂模型,并在 COMSOL 中剖分网格。

LiveLink for SOLIDWORKS®

在 SOLIDWORKS® 中,可以根据材料分类设定将创建选择同步到 CAD 设计中,在新版本中也可利用 LiveLink 接口创建用户定义选择。利用 SolidWorks 新添加的“ COMSOL® 选择”接口,您可以创建选择并将其同步到 COMSOL® 模型中。您可以选择同步体、面、边或者点,当 CAD 设计与 COMSOL Desktop® 同步时这些选择能够自动在模型中创建。您可以在模型树中创建选择,也可以从装配体的组件中创建,这使得模型设定变得更加效率。

LiveLink for Inventor®

Inventor® 与 COMSOL 的几何同步现在也包含材料选择的同步。根据 CAD 设计中的材料定义, COMSOL 会创建包含同步几何对象(体)的选择。这些选择从 Inventor® 的材料名中获得对应的名称。将这些选择作为输入可以用于几何对象选择、任意模型定义、物理场或者材料域设定。LiveLink 节点中包含表单以及一系列的同步选择。

ECAD 导入模块

ODB++ 导入

通过 ODB++ 文件格式的导入,ECAD 导入模块的功能得到了进一步扩展,并支持印刷电路板(PCB)数据的最流行的转换格式。利用这项新的导入功能,您现在可以从 ODB++ 文件中提取几何数据并创建 PCB 几何结构,进而在 COMSOL Multiphysics 中进行仿真。ECAD 导入模块的 ODB++ 文件格式现在支持多种文件扩展名 .zip, .tar, .tgz, .gz, and .Z。

Support for implementation of the ODB++ Format was provided by Mentor Graphics Corporation pursuant to the ODB++ Solutions Development Partnership General Terms and Conditions (http://www.odb-sa.com/). ODB++ 是 Mentor Graphics Corporation 的注册商标。

  • COMSOL 现在支持 ODB++&trade; 文件格式的导入,并且可以进行 PCB 组件的分析。 COMSOL 现在支持 ODB++ 文件格式的导入,并且可以进行 PCB 组件的分析。

COMSOL 现在支持 ODB++ 文件格式的导入,并且可以进行 PCB 组件的分析。

LiveLink for Excel®

连接 COMSOL® 服务器

利用 FNL 授权, LiveLink for Excel® 现在能够将计算放到连接 COMSOL® 服务器的其它计算机上。此外,通过将 Excel® 与 COMSOL Desktop® 连接到同一 COMSOL® 服务器,您能够任意地配置 LiveLink for Excel® 与 COMSOL Desktop 的共同工作,而不需要在 COMSOL® 服务器中显示图形。从 COMSOL Desktop® 中对模型做的任何修改都能够应用到 LiveLink 打开的模型中,反之亦然。

  • 利用 FNL 授权, LiveLink&trade; for Excel&reg; 现在能够连接到运行 COMSOL&reg; 服务器的其它计算机。 利用 FNL 授权, LiveLink for Excel® 现在能够连接到运行 COMSOL® 服务器的其它计算机。

利用 FNL 授权, LiveLink for Excel® 现在能够连接到运行 COMSOL® 服务器的其它计算机。

导出依赖物理场的材料数据

将 Excel® 文件中储存的材料属性导出到 COMSOL® 材料库中,现在也包含依赖物理场的属性。例如,温度依赖的材料属性以及 B-H 曲线等材料属性。

参数化扫描

您现在可以提取出扫描参数值的列表并导出到工作表的一列单元中,也可以编辑参数值,并更新模型。

LiveLink for MATLAB®

新客户端/服务器功能

4.4 版本具有全新的客户端/服务器架构,能够最大程度地减小COMSOL®客户端与COMSOL®服务器之间的通信开销。特别是当COMSOL®客户端与COMSOL®服务器在不同的电脑上运行,且使用LiveLink for MATLAB®时,计算性能得到显著地提升。在不同电脑上运行 COMSOL® 服务器需要 FNL 授权。新的架构同样能够实现服务器的多重连接,从 COMSOL Desktop® 和 MATLAB® 中可以同时访问模型,因此您能够从任意的环境中设置模型。这使得建模流程更加流畅,并且您现在能够将 MATLAB® 作为宏语言来更新模型设定或者提取数据,同时也可以方便地在 COMSOL Desktop® 中查看模型设定和结果。

  • LiveLink&trade; for MATLAB&reg; 的功能得益于4.4 版本的客户端/服务器新功能。 LiveLink for MATLAB® 的功能得益于4.4 版本的客户端/服务器新功能。

LiveLink for MATLAB® 的功能得益于4.4 版本的客户端/服务器新功能。

导出数据到后续制图

现在 mphplot 命令支持将所有类型的绘图数据导出为数据结构,这样可以在后期进行数据制图,并且可以绘制导出的数据结构与其他数据的处理结果。

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