COMSOL Multiphysics：多物理场耦合分析软件介绍

9.1.2.1 COMSOL Multiphysics多物理场仿真模块

COMSOL公司于1986年在瑞典成立，目前已在全球多个国家和地区成立分公司及办事机构。COMSOL Multiphysics起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox1.0，后来改名为Femlab1.0（FEM为有限元，LAB取自于MATLAB），这个名字也一直沿用到Femlab3.1。从2003年3.2a版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。COMSOL Multiphysics以其独特的软件设计理念，成功地实现了任意多物理场、直接、双向实时耦合，在全球的数值仿真领域里领先并得到广泛的应用。

COMSOL Multiphysics是一个专业有限元数值分析软件包，是对基于偏微分方程的多物理场模型进行建模和仿真计算的交互式开发环境系统，是专为描述和模拟各种物理现象而开发的基于有限元分析的软件包。COMSOL Multiphysics软件是全球第一款真正的多物理场耦合分析软件，是方便、易用、高效、专业模拟的计算平台。

用户可以针对具体的实际问题建立微分方程、设定边界条件，也可选择不同的模型进行叠加，实现多个物理场耦合，该仿真软件最大的优点就是用户可以直接添加相应的物理模型，直接定义各种参数进行建模仿真，避免了用户自己建立偏微分方程，减轻了用户的压力并且节约了时间。

COMSOL包含8个模块，这8个模块包含的应用范围几乎涵盖了所有的工程领域。具体模块和应用领域如下[3]：

（1）AC/DC模块。AC/DC模块主要是针对稳态的电场、磁场及其他物理场问题进行瞬态和时谐分析。这一模块一般运用于电子元器件、高低压电器、传感器、等离子、生物医学电、地球物理等领域。

（2）声学模块。声学模块主要用于仿真流体和固体中的声波传递过程，并进行时谐分析、特征频率分析和瞬态分析。该模块主要应用于气动声学、光声效应、电子声学、超声学等领域的模拟。

（3）化学工程模块。化学工程模块主要是模拟传递现象（计算流体力学、质量和能量传递过程完全耦合），还可以模拟化学反应工程和反应器设计模拟。主要应用于电化学工程、流体机械、反应器设计和多相流体流动等。

（4）地球科学模块。地球科学模块包含多孔介质流体流动、热传递和溶质运移。主要用于多孔介质中油和气体的流动、地下水流动、隧道开挖和土壤中污染物质扩散以及地球物理和环境科学的多物理问题。

（5）传热模块。传热模块主要包含热辐射模型、热传导模型、热对流模型以及生物传热模型。主要用于解决电子工业、热处理过程、加工、医疗技术和生物工程的问题。

（6）MEMS模块。MEMS模块用于解决微流体和压电效应在内的各种传感器、执行器问题。主要用于解决电学、光学、磁学、声学等物理问题。

（7）RF模块。RF模块主要用于模拟高频电磁场。主要用于天线、波导、微波以及光学元件的模拟。

（8）结构力学模块。结构力学模块用于模拟各种计算力学、黏弹性材料、超弹性材料，同时电—热—固耦合模式和压电模式也可用于结构阻尼介电质和耦合损耗。

COMSOL Multiphysics建立各种物理现象的数学模型并进行数值模拟计算。在使用COMSOL Multiphysics软件的过程中，用户可以自己建立普通的偏微分方程，也可以使用COMSOL Multiphysics提供的特定的物理应用模型。这些特定的物理应用模型包括预先设定好的模块和在一些特殊应用领域内已经通过微分方程和变量建立起来的用户界面。COMSOL Multiphysics软件通过把任意数目的这种物理应用模块，整合成对一个单一问题的描述，使得建立耦合问题变得更为容易。

COMSOL Multiphysics模型库囊括了各种工程领域内的所有模型。每一个模型都包含了非常完善的相关文档。由于这些模型文件都已经包括网格划分和运行计算的信息，所以可以自己打开这些文件，并试着进行相应的各种后处理操作和显示。另外，可以应用、扩充或者修改这些工程模型，使它符合个人需求。因此，这些模型库提供了建立自己模型的基础和起点。

能够独立于MATLAB运算的COMSOL Multiphysics软件系统为进一步改进软件提供了一个很好的基础和平台。COMSOL Multiphysics提供了与市场上主流的CAD软件进行接口的直接界面。在已有的三角形、四面体网格划分模型基础上，又新增加了四边形、六面体和棱柱体网格模型。为了更好地进行自动求解运算，COMSOL Multiphysics还提供了强大的运算求解能力。

COMSOL Multiphysics软件系统具备了在Linux、Solaris和HP-UX等系统下的64位处理能力，可以在AMD64/Linux平台上进行64位计算。通过COMSOL Multiphysics的多物理场功能，可以选择不同的模块，同时模拟任意物理场组合进行耦合分析；使用相应模块直接定义物理参数创建模型；使用基于偏微分方程的模型可以自由定义自己的方程。

通过COMSOL Multiphysics的交互建模环境，可以从开始建立模型一直到分析结束，而不需要借助任何其他软件。COMSOL Multiphysics的集成工具，可以确保有效地进行建模过程的每一步骤。通过便捷的图形环境，COMSOL Multiphysics使得在不同步骤之间（如建立几何模型、设定物理参数、划分网格、求解以及后处理）进行转换相当方便，即使改变几何模型尺寸，模型仍然保留边界条件和约束方程[4]。

9.1.2.2 ANSYS Multiphysics多物理场仿真模块

1. 概述

在不断拓展的仿真应用中，工程师和设计者必须精确预测复杂产品在多种物理场相互作用的自然界中的真实行为。ANSYS多物理场解决方案使得用户能够评估他们的设计在真实世界多物理场条件下的运作状况。ANSYS提供的软件使得工程师、科学家们能够在简单统一的工程仿真环境中模拟结构力学、热传递、流体流动和电磁学相关问题及其多物理场相互作用的问题。

ANSYS Mulitiphysics为多物理场和单一物理场分析都提供了全面的解决方案。该产品包含结构、热、流体和高-低频电磁场分析功能，包含多物理场直接耦合场单元和ANSYS多场求解器，从而同时提供直接耦合和顺序耦合求解多物理场问题的解决方案。将工业界领先的结构、热、流体和电磁各学科求解器技术与开放的ANSYS Workbench环境、灵活的仿真方法和并行产品组合包结合起来，ANSYS Mulitiphysics为用户提供足够的手段解决真实世界的、具有挑战性的多物理场问题。

多物理场带来的更多好处：针对所有物理场的高品质求解器，如结构力学、热传递、流体流动和电磁场，统一的多物理场仿真环境，全参数化多物理场分析，多物理场仿真的并行求解。

2. 功能特色

1）可靠的求解器技术

ANSYS多物理场解决方案建立在可靠的求解器技术之上，已被世界顶尖大学和公司的几十年应用所证实。在所有物理学科中的技术深度和宽度是理解不同物理学科之间相互作用所必需的。ANSYS将工业领先的结构、热、流体和电磁各学科求解器技术与开放的ANSYS Workbench环境、灵活的仿真方法和并行的产品组合包结合起来，为用户提供足够的手段解决真实世界的、具有挑战性的多物理场问题，如图9.1所示。

图9.1　汽车刀片保险丝耦合电传导、热传递和热应力分析的多物理场分析

2）统一仿真环境

ANSYS Workbench平台是一个强大的多物理场仿真环境，为ANSYS核心功能的应用增添了利器，为CAD接口、几何修复、网格划分、结果后处理提供通用工具，并赋予协同工作能力。ANSYS Workbench环境使得多物理场仿真能够在这样一个开放、适应的软件架构中完成。感应加热炉电磁-流体耦合如图9.2所示。

3）灵活的仿真方法

ANSYS多物理场解决方案提供了两个被公认的求解技术来求解多物理场问题，包括直接耦合求解与顺序耦合求解。这两种途径提供了灵活的仿真方法来求解广泛的直接耦合和顺序耦合的多物理场问题，如感应加热、静电激励、焦耳热生成和流固耦合作用（FSI）。

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图9.2　感应加热炉电磁-流体耦合

4）直接耦合场单元

直接耦合场单元允许用户仅使用一个有限单元模型，选择合适的耦合物理场选项，就能求解耦合场问题。直接耦合场求解技术通过允许用户创建、求解和后处理一个简单的分析模型，极大地简化了各种各样多物理场问题的模拟。

5）顺序耦合求解

顺序耦合技术允许工程师们通过将多个单一物理场的模型耦合到统一的仿真环境中，用ANSYS Workbench中的自动多物理场耦合技术求解多物理场问题。该平台对于热-应力分析、微波加热和流固耦合等多物理场问题，支持单向和双向顺序求解。

多物理场耦合的关键在于各场分析数据的无缝传递，如果没有协同统一的数据库，或者不是同一家公司的产品，分析数据的传递通常是无法达到无缝的要求的。ANSYS不仅提供结构、流体、热、电磁单场分析功能，而且这些分析在统一的模拟环境、数据库中进行。经过多年的不断发展和完善，以先进的分析技术和理念引领着多物理场仿真的发展方向。

3. 典型应用

1）流固耦合

● 汽车燃料喷射器、控制阀、风扇、水泵；

● 航天飞机机身及推进系统及其部件；

● 可变形流动控制设备，生物医学上血流的导管及阀门，人造心脏瓣膜；

● 纸处理应用、一次性尿布制造过程；

● 喷墨打印机系统。

2）压电应用

● 换能器、应变计、传感器；

● 麦克风系统；

● 喷墨打印机驱动系统。

3）热-电耦合

● 载流导体、汇流条；

● 电动机、发电机、变压器；

● 断路器、电容器、电感；

● 电子元件和电子系统；

● 热-电冷却器。

4）MEMS应用

● MEMS梳状驱动器（电-结构耦合）；

● MEMS扭转谐振器（电-结构耦合）；

● MEMS加速计（电-结构耦合）；

● MEMS微泵（压电-流体耦合）；

● MEMS热-机械执行器（热-电-结构耦合）；

● 其他大量的MEMS装置。

混合动力汽车发动机定子电磁-结构分析如图9.3所示。

图9.3　混合动力汽车发动机定子电磁-结构分析