COMSOL Multiphysics 的特点
 可以针对超大型的工程问题进行高效的求解并快速产生精确的结果。通过简便的图形用户界面，用户可以选择不同的方式来描述他们的问题。COMSOL Multiphysics 软件一个特殊的功能在于它的偏微分方程建模求解，这也正是它为何可以连接并求解任意物理场耦合方程的原因。所有上述特征和许多其它的特征使得COMSOL Multiphysics 对于科学研究、产品开发和教学成为一个强大的建模求解环境。
1、COMSOL Multiphysics应用领域：
声学；生物科学；化学反应；弥散；电磁学；流体动力学；燃料电池；地球科学；热传导；微电机系统；微波工程；光学；光子学；多孔介质；量子力学；无线电频率部件；半导体设备；结构力学；传动现象；波的传播等。
2、COMSOL Multiphysics应用模块：
用户可以自己通过建立几何模型进行建模，决定采用何种方程并把它们输入到软件当中去，但是通常这些都不是必须的。COMSOL Multiphysics软件核心包中集成了大量的物理模型，它们都是针对不同的物理领域，主要有：
- 声学
- 集中——弥散
- 热传导
- AC-DC电磁场
- 静电场
- 静磁场
- 不可压缩流体
- 结构力学
- Helmholtz方程
- Schr?dinger方程
- 波动方程
- 广义偏微分方程
当您在COMSOL Multiphysics用户界面中激活任意一个模型库时，您所需做的只是建立几何模型，提供必要的参数。您也可以针对您所有的几何模型，或者是部分模型而有选择地激活模型库或者方程。
3、COMSOL Multiphysics模型库
如上所述，应用模型都是针对单一物理场的模型。但在实际问题中，往往包含了多种物理场的叠加或耦合。为了帮助您理解怎样使用COMSOL Multiphysics软件求解多物理场耦合问题，以及如何从创立自己的模型开始入手，COMSOL Multiphysics标准版用户可以获得一张包含上百个演示实例的光盘。这些模型都非常具体而且使用便捷，按照分类主要如下：
- 声学
- 化学工程
- 电磁学
- 基于方程模型
- 流体动力
- 地球科学
- 热传递
- 跨专业模型
- 多物理场
- 量子力学
- 半导体设备
- 结构力学
- 波的传播
另外，在结构力学模块、电磁场模块、化学工程模块、热传模块、MEMS模块和地球物理模块中都分别包含了它们各自领域内的专业模型库。
4、COMSOL Multiphysics 在科研方面：
定义和耦合任意数量偏微分方程的能力使得COMSOL Multiphysics成为一个强大的分析工具。其灵活性和基于方程的建模方式可以帮助用户深入在MEMS、纳米技术、燃料电池、光子学、生物工程和许多其它领域内的研究。
5、COMSOL Multiphysics在设计开发方面：
COMSOL Multiphysics软件提供了一个快速、便捷的建模环境，这对设计开发完全适用。通过基于Java开发的界面环境，您可以快速的建模并通过改变参数来进行优化设计。程序的开放式结构和与MATLAB的集成对系统地进行模拟和分析提供了一个完美的环境。
6、COMSOL Multiphysics在教育方面
COMSOL Multiphysics模型模拟和显示了所有物理和工程领域的应用。使用它的基于方程建模途径，用户可以很容易地得到偏微分方程的详细解答。软件包的灵活性和易用性使COMSOL Multiphysics软件成为一个有效的教学工具。使用COMSOL Multiphysics软件可以大量地缩短在学习建模过程中所花费的时间，这样可以让老师和学生将更多的精力放在应用分析和结果分析上。
7、使用COMSOL Multiphysics
通过COMSOL Multiphysics的交互建模环境，您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它软件；COMSOL Multiphysics的集成工具可以确保您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，即使您改变几何模型尺寸，模型仍然保留边界条件和约束方程。
典型的建模过程包括如下步骤：
?? ?COMSOL Multiphysics软件提供了强大的CAD工具用于创建一维、二维和三维几何实体模型。通过工作平面创立二维的几何轮廓，并使用旋转、拉伸等功能生成三维实体。您也可以直接使用基本几何形状（圆、矩形、块和球体）创立几何模型，然后使用布尔操作形成复杂的实体形状。
您可以在COMSOL Multiphysics软件中引入其它软件创建的模型。COMSOL Multiphysics软件的模型导入和修补功能可以支持DXF格式（用于二维）和IGES格式（用于三维）的文件。也可以导入二维的JPG、TIF和BMP文件并把它们转化成为COMSOL Multiphysics的几何模型，对于三维结构也同样如此，甚至可以支持三维MRI（磁共振数据）数据。
2. 定义物理参数：
虽然使用常规的建模方式完全可以建立出模型，但是COMSOL Multiphysics软件可以使您的工作更加轻松方便。定义模型的物理参数只需要在预处理软件中对变量进行简单的设置，例如Navier-Stokes方程中的黏度和密度参数，以及电磁场中的传导率和介电常数等。参数可以是各向同性、各向异性的，可以是模型变量、空间坐标和时间的函数。
3. 划分有限元网格：
COMSOL Multiphysics网格生成器可以划分三角形和四面体的网格单元。自适应为网格划分可以自动提高网格质量。另外，您也可以人工参与网格的生成从而达到更精确的结果。
4. 求解：
COMSOL Multiphysics的求解器是基于C++程序采用最新的数值计算技术编写而成，其中包括最新的直接求解和迭代求解方法、多极前处理器、高效的时间步运算法则和本征模型。
5. 可视化后处理器：
COMSOL MULTIPHYSICS提供了广泛的可视化能力，主要如下:
- 所有场变量和其它特殊应用参数的人工交互式图形处理；
- 一些求解运算参数在求解过程中的在线图形显示；
- 使用OpenGL硬件加速的高效图形处理；
- 使用AVI和QuickTime文件进行动画模拟；
- 边界和子域的集成；
- 横截面和部分模型的图形结果处理。
6. 拓扑优化和参数化分析：
很多情况下，模型的分析都包括参数的分析、优化设计、迭代设计和一个系统中几个部分结构之间连接的自动控制。在COMSOL MULTIPHYSICS中参数化求解器提供了一个进行检测一系列变量参数的有效方式。典型的变量参数如代表材料性质、频率或反应率的参数等。您也可以将COMSOL MULTIPHYSICS模型存成“.M”文件格式，将其作为MATLAB的脚本文件进行调用，然后进行优化设计或后处理。
COMSOL MULTIPHYSICS中多物理场功能可以使您将不同的物理现象自由的耦合在一起进行计算。上图是一个微电机开关处于准静态电场和结构力学场耦合作用下的模型。在结果中可以看出，电场产生了力的作用并使悬臂梁弯曲。
8、无限制的多重物理量耦合分析
除了可以进行单一类型的计算分析外，COMSOL Multiphysics还提供了一个多物理场模块和简便的环境进行多重物理量耦合分析。
为了提供给结构工程师一个熟悉而有效的环境，开发了结构力学模块。它的图形用户界面基于结构力学领域惯用的符号和约定，适用于广阔应用领域内的结构设计研究：大到加工工业中大型油罐的设计，小至MEMS（微电动机械系统）的设计。
在结构力学领域有限元分析有着悠久的应用历史，在这个领域内积累了大量的知识和理论。使用这些资源可以提供给客户很多分析：从简单的梁和壳单元到先进材料模型的分析，如在MEMS中应用的压电材料和电弹性材料等。
在结构力学模块中，除了简单便捷的界面处理，用户可以完全利用COMSOL Multiphysics中无限制多物理场和基于偏微分方程的表达式进行分析，因此可以随意地将结构力学分析与其它物理现象如电磁场、流场和热传导等耦合起来进行分析。
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图为一个活塞顶燃烧气体温度的瞬态增加导致了热应力的产生，这种热应力比相应稳态下的热应力要高很多。此分析模型中的杨氏模量为温度的函数。 |
分析类型：
结构力学模块标志着在COMSOL Multiphysics中保留同样强大的功能和简便的用户界面的同时，为结构固体力学分析专门提炼出了一个模块。它为所有结构工程中的普遍分析提供了便捷的界面处理，并为COMSOL Multiphysics中其它如声场、热传导、流体力学等分析提供了更容易处理的耦合分析。此模块分为如下几个研究领域：
二维应用：
- 平面应力；
- 平面应变；
- 后板分析；
- 轴对称；
- 欧拉梁；
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三维分析：
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在所有这些分析中，用户可以直接输入材料性质，也可以通过内嵌材料库方便快捷地调用它们。同时，定义正交各向异性和完全各向异性材料性质也是相当方便的。材料的性质可以是任意空间、时间或者其它变量的函数。
能够被组合分析的结构力学应用列表如下：
- 静力分析；
- 准静态瞬态分析；
- 动态分析；
- 特征频率分析；
- 频率响应分析；
- 线性屈曲分析；
- 弹塑性行为；
- 大变形分析；
- 参数研究。
除上述所列之外，COMSOL Multiphysics中的结构力学模块还可以允许使用无限制的多物理场耦合分析，例如压电材料、热应力和流固耦合等。此模块也可以考虑模型的预应力和残余热应力。
结构力学模块的新特征
- 塑性和非线性材料模型
- 正交各向异性和完全各向异性材料
- 粘弹性、粘塑性和类橡胶材料的大变形分析
- 不同材料的局部坐标系统
- 考虑模型初始应力和应变的模型
- 多物理场中塑性求解运算和非线性材料模型
- 热传模块：
COMSOL Multiphysics的热传模块能解决的问题包括传导、辐射和对流的任意组合。建模界面的种类包括面－面辐射、非等温流动、活性组织内的热传导、以及薄层和壳中的热传导等。详细的模型将从应用领域中给出一些实例，例如电子冷却和动力系统、热处理和加工、医疗技术和生物工程。
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在电阻器上产生的热能会转变成回路板和焊接点上的结构应力。COMSOL MULTIPHYSICS能够在动态和静态的结构应力分析中，将温度场和结构应力分析完全地耦合起来。 |
热传递模块在很大程度上扩展了COMSOL Multiphysics核心软件包中基本热传导的分析功能。一个主要的改进是面－面辐射的建模界面，这是COMSOL Multiphysics中的新增功能，对此模块来说也是独一无二的。 此外，对于通过传导、对流和辐射的热传递过程，我们所建立的模型界面将使定义复杂的热传递问题更加容易。举例来说，此模块支持针对一般的热传递、薄壳和层中的热传递、非等温流动，以及活性组织内的热传递等的建模界面。热传递模块也实现了COMSOL MULTIPHYSICS软件的完全多物理场耦合分析功能，这使得将热传递和其它的领域如流体力学、固体力学或者电磁领域等耦合起来进行分析成为可能。
热传模块的一个重要特征是它的模型库，模型库分成了三个部分：电子工业中的热分析；热处理和热加工；医疗技术和生物医学。这些使用方便的模型囊括了几乎所有复杂的问题，并配备有详细的使用向导和说明。
热传递模块的新特征
- 基于放射原理的面－面辐射
- 对于自然对流和热膨胀的非等温流动
- 有任意流速的流动边界条件以描述风扇的运作
- 带有低和高传导率的薄层和壳中的热传递
- 对于组织与生热现象之间相互作用的生物热力学方程，如电磁场领域
- 热传递过程的后处理
- 可以处理任意热传递过程的高度灵活性和广泛适用性
- 平面外热传递边界条件
- 各向异性热传导率
- 从电子、热处理和加工过程中的热分析领域到医疗技术和生物工程的20个精简模型
- COMSOL Multiphysics中的所有功能，尤其是其中无限制的多物理场耦合功能
3. AC/DC 模块：
? AC/DC 模块使得模拟电容、感应器、电动机和微传感器成为可能。虽然这些设备的主要物理特征为电磁场，但是他们有时也会受到其它类型物理场的影响。例如，温度的影响有时能够改变材料的电学性质，因此在设计过程中需要充分了解发电机内电动机械的变形和振动规律。
AC/DC 模块的功能囊括了静电场、静磁场、准静态电磁场以及与其它物理场的无限制耦合。
当考虑电子元件作为大型系统的一个部件时，AC/DC 模块提供了一个可以从电路元件列表中进行选择的界面，以便用户可以选择需要的电路元件进行后续的二维、三维有限元模拟。然后，通过运行单独的集总和高清晰混合系统的模拟进行分析。
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就像光学透镜能否聚光一样，电透镜和磁透镜能够用来聚集电荷粒子的传送。离子的粒子追踪技术被用来检测电极的聚焦作用 |
4.RF模块:
对于RF、微波和光学工程的模拟，通常需要分级求解较大规模的传输设备。RF模块则提供了这样的工具，包括功能强大的层匹配技术和最佳求解器的选择。
因此，您可以轻松地模拟天线、波导、微波以及光学元件。
RF模块提供了高级的后处理工具，如S-参数计算和远场分析等，这使得COMSOL的模拟分析能力得以进一步完善。此外与COMSOL卓越的多物理场耦合功能相联合，您可以得到电磁波行业多物理场分析的最佳解决方案。
模型方程库：
- 平面波传播
- 轴对称波传播
- 全3D矢量波传播
- 2D和3D中的全矢量模式分析
- 预定义微波传热应用模式
- COMDOL Multiphysics特色
关键特征：
- 磁滞分析
- 扫频分析
- 远场分析
- S-参量计算
- 散射场方程
- 分析高阶矢量单元
- 电磁波完美匹配层
- 吸收边界和损耗材料的本征频率分析
- 对所有类型电磁场中任意形状的波形与非线性材料进行2D 和 3D仿真。
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将一束YAG(l = 1.06 ìm)激光脉冲光束聚焦在一块非线性晶体内，使得光束的束腰位于晶体内。这束光在三个时间点(22 飞秒, 61飞秒, 90飞秒)的不稳定波传播图像如图所示
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5.地球科学模块：
COMSOL Multiphysics的地球科学模块包含了大量针对地下水流的简易模型界面。这些界面允许快速、便捷地使用描述多孔介质流体的Richards方程、Darcy定律、Darcy定律的Brinkman扩展，以及自由流体中的Navier-Stokes方程。此外，该模块还处理了多孔介质中的热量传输和溶质反应，模型库中几乎囊括了从多孔介质中油和气体的流动到地下水流中的分布。
地球科学模块使得COMSOL Multiphysics可以解决地球物理和环境科学中的一些问题。无论怎样，基础的物理科学提高了我们对重要资源的使用，影响了环境的变化，改变了地貌形状。地球物理学的分析领域几乎包括了所有的范围。COMSOL Multiphysics提供了预设的物理模型，这允许您将您自己的控制方程和自由表达式写入模型的性质中去。因此，在有限元分析中，解决地球科学所面临的简单或者复杂问题，使用COMSOL Multiphysics将它们耦合起来进行分析是非常方便简捷的。
物理特性：
- 在多结构介质中的热传导，其中等温线为一个放射性热源
- 热传导和对流方式的热传递能够通过小规模的速度改变描述热量的扩散
- Richards方程表达了变饱和多孔介质中的流动，包括针对压力、压力水头和液压压头的分析
- Darcy准则包含了饱和孔隙介质中由于压力梯度和重力势能引起的缓流分析
- Brinkman方程描述了孔隙介质中的快速流动流体分析（速度足够快，以至于由于剪切作用引起的能量耗散不能忽略）
地球科学模块建立了很多基础物理显示方程式用于地质上的研究，并囊括了广泛应用领域的很多实例模型。在模块中的应用模型包括自由表面流动、多孔介质中的流体流动、热传递和化学转换等问题。模块中方程的建立在COMSOL Multiphysics中是特殊的，以描述固体、流体、流-固系统的复杂性。模型库中包含了一些常规和创新分析的案例，并有详细的分布讲解帮助资料。其中许多例子都是验证其它程序的benchmark案例。专家库中还包含了一系列多孔介质中微尺度的流动分析（在固体的岔路点缝隙之间使用Navier-Stokes方程）。对于多孔弹性分析和电磁方程分析的固体变形中，模型可以连接到外部的物理特征。
地球科学模块的新特征
- 对于非均匀材料系统的热传导和对流问题，可计算有效性质的材料表格
- 作为放射性热源刻画等温线的界面
- 可以添加热量耗散的选项，其结果来自于孔内的流速和固体岔路的流体分叉
- 对于开放式系统和多孔介质中流体流动的分析
- 对于不同饱和程度的多孔介质，使用已知的分析公式，对实验数据进行差值，并输入任意表达式，以估测非线性的保持力和渗透性
- 对于可流动和不可流动区域介质内流体建模的辅助系数，例如化学传输性质的边-边输入
- 从计算结果中评估溶质的运动
- 可预定以水动力耗散张量
- 描述流量边界条件
- 在点和边上设定时间控制的约束条件和流量
- 从环境流体分析到石油工程，研究领域的案例模型
- 在COMSOL Multiphysics中问题的函数化，包括非限制的多物理场耦合，控制方程和定义材料属性的表达式。
6.Acoustics Module 声学模块
声学模块主要用于分析那些产生、测量和利用声波的设备和仪器。
声学模块中不但无缝耦合声学相关的行为，而且与COMSOL其它物理现象也可进行直接耦合，如结构力学和流体流动。
应用领域：
主要特征：
- 固体，静态流体中声波的传播过程模拟
- 运动物理场中的空气声学模拟
- 阻尼模型
流体阻尼，Delaney-Bazley 模型
固体阻尼，雷利阻尼
- 固体和流体中声压的完美匹配层法
- 自动远场后处理
- 全新模型库
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测试汽车车厢内声波的特征模态
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7..化学工程模块：
化学工程模块主要用于模拟分析：
- 反应堆；
- 过滤和分离器；
- 热交换器；
- 其它化学工业中的常见设备。
此模块主要处理化学工程师们经常注意的流体流动、扩散、反应过程的耦合场以及热传导耦合场等问题。这个模块可以通过使用图形建模方式或者基于方程的建模方式，来满足化学反应工程和传热现象的建模工作。
静态搅拌器中刀片周围的浓度和压力场可以提供相当多的信息。上图中的模型将流体流动动态平衡和两种混合物的材料平衡耦合在一起，通过沿着流体轨迹混合物横截面上的离心计算，给出了对搅拌效率的模拟结果。
在COMSOL Multiphysics中化学工程模块分为以下几种应用部分：
- 动量平衡；
- 流体流动的Navier-Stokes方程；
- 多孔介质流动的Darcy定理；
- 对于多孔介质流动和粘体动量传递Darcy定理的Brinkman的扩展；
- 非牛顿流动；
- 非等温流动；
化学工程模块的新特征：
- Maxwell-Stefan模型对于浓缩液流动过程的建模；
- Nernst-Planck模型对于电化学和动电学流动上的应用；
- 理想气体非等温流动的应用模型；
- 多孔介质（包括非定常密度流体）流动的扩展应用模型；
- 流体动力模型表面总反力变量的后处理；
- 各种应用模型的材料库；
- 多物理场中的k-epsilon应用模型以及快速收敛。
8.微机电模块：
COMSOL Multiphysics的微机电模块（MEMS）包含了从微观流体学、电磁-结构、温度–结构和流体-结构的相互耦合的预设分析功能。附属的模型库中含有详细的案例以说明怎样建立微机电力学模型，如激励器，传感器和微观流体设备等。模型通过处理一些带有移动边界条件，固体部件的大变形问题。
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此模型研究了一个微反射镜上施加预应力后的变形情况。通过使用不同的多层材料进行模拟。 |
COMSOL Multiphysics的微机电系统模块（MEMS）以解决微机电研究和开发过程中的建模问题。模型处理的主要问题是电动机械耦合、温度-机械耦合、流体结构耦合和微观流体系统问题。模型库中的案例主要分为三大类：覆盖了传感器、激励器，微观流体部件和设备领域。由于几乎所有的MEMS应用问题都需要多物理场建模功能。在MEMS模块中建立了一系列的模型用来说明MEMS设备运行的基本物理现象，以及阐述设计和分析这些设备的基本技术。为了实现这个目标，模型中包含了电弹性学、热弹性学、微观流体力学以及流-固耦合问题的组合。它们处理非常棘手，但又是必须要解决的问题，如移动边界问题和挤压膜阻尼问题等。COMSOL Multiphysics的微机电系统模块为静电学、应力和应变、压电学以及动电学上的一些特殊问题提供了简单方便的用户界面。我们相信这个模块会为您在MEMS设计和研究中的建模问题提供一个优质的解决方案。
关于 Comsol 公司
Comsol 在 1986 年成立于瑞典的斯德哥尔摩，目前已在卢比荷、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。
更多的信息可参考
Comsol公司网站 http://www.comsol.com/
Comsol中国代理商:
中仿科技有限公司
上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030)
Tel :+86-21-64391516
http://www.cnTech.com.cn/
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