Úvodní stránka > Archiv > Články > COMSOL Multiphysics 4.0

Na podzim loňského roku byl v tomto časopise (C-Design) uveřejněn článek na téma optimalizace výroby pomocí multifyzikálního modelování. Jednalo se o proces kontinuálního lití oceli a optimalizaci teploty chlazení určitého typu odlitku. K analýze byl použit program COMSOL Multiphysics švédské firmy Comsol AB, který započal svůj vývoj kolem roku 2000 jako nadstavba výpočetního systému Matlab. V následujícím článku budete seznámeni s novou verzí programu, která je svým způsobem v jeho vývoji přelomová.

Připomeňme, že COMSOL Multiphysics umožňuje modelování a simulaci fyzikálních procesů popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi (PDE) s následným řešením metodou konečných prvků. Na fyzikální úlohu je tak možné v krátké době pohledět z několika zorných úhlů a efektivně najít její optimální variantu. Právě srozumitelnost, otevřenost, schopnost řešit více fyzikálních jevů současně (multifyzikální úlohy) a velké množství předzpracovaných typových příkladů jsou hlavními přednostmi tohoto nástroje. Někdy se tomuto způsobu řešení říká Equation Based Design, kdy základem řešení je knihovna PDE. Obsahuje již předdefinované fyzikální úlohy, ale díky otevřenosti systému lze volně definovat i své vlastní využitím obecného zápisu PDE.

Vedle základního programu COMSOL Multiphysics (jádra) má uživatel k dispozici volitelné nadstavbové moduly. Jádro nabízí všechny nástroje potřebné k vytvoření analyzovaného modelu. Jsou to prostředky pro tvorbu nebo import geometrie, prostředky k nastavení jednoho nebo více fyzikálních vlivů (vybrané parciální diferenciální rovnice, podle kterých se úloha řeší), generátory FEM sítě, řešiče a zpracování získaných výsledků. Specializované moduly jsou určeny pro modelování úloh z elektromagnetismu (AC/DC Module a RF Module), z pružnosti a pevnosti (Structural Mechanics Module), z akustiky (Acoustics Module), z oblasti chemie a chemických reakcí (Chemical Engineering Module a Reaction Engineering Module), z oblasti přestupu tepla (Heat Transfer Module), z oblasti geologie a analýzy zemin (Earth Science Module) a z oblasti mikro-elektro-mechanických systémů (MEMS Module). Při řešení PDE je třeba zadávat fyzikální vlastnosti materiálu nebo prostředí, ze kterého se model skládá. K tomuto účelu slouží knihovna materiálů, jejichž vlastnosti z větší části závisí na teplotě. Každý uživatel si může materiálovou knihovnu rozšiřovat nejenom o nové materiály, ale také o jejich nové vlastnosti. Modul pro optimalizaci (Optimization Module) je určen k optimalizaci jakékoliv inženýrské úlohy v COMSOL Multiphysics. Na vstupu mohou být geometrické rozměry, tvary, vlastnosti materiálu nebo jeho rozložení v modelu a výstupem může být jakákoliv účelová funkce. Modul pro optimalizaci může být využit v optimalizačních úlohách tvaru, velikosti nebo topologie. Řešit lze i inverzní úlohy jako je například odhad parametrů.

Nová verze COMSOL Multiphysics 4.0 obsahuje nové grafické rozhraní COMSOL DesktopTM, jehož základem je stromová struktura vytvářeného modelu zobrazená v okně Model Builderu. Uživatel má všechny vlastnosti modelu neustále před sebou a v procesu modelování může vytvářet sekvence ve čtyřech základních skupinách: geometrie, vytváření FEM sítě, typ analýzy a zpracování výsledků. Tímto uspořádáním je zajištěna možnost analyzovat model v několika variantách. Nová verze přináší materiálově orientované modelování, což znamená, že v analyzovaném modelu je materiál přiřazen přímo jednotlivým oblastem. V důsledku toho lze jednotlivé vlastnosti materiálu ovládat z jednoho místa stromové struktury. Další novinkou je možnost využití počítačový clusterů, čímž lze výpočet podstatně urychlit. V této souvislosti firma Comsol poskytuje možnost pro jednu síťovou licenci využít neomezený počet uzlů (počítačů), aniž by se měnil poplatek za jejich počet. Jedna z využitelných aplikací na počítačových clusterech je modelování úlohy pro různé geometrie modelu, tzv. geometrický sweep, kdy se v průběhu výpočtu mění zvolené rozměry pro stejné fyzikální podmínky. Sweep lze aplikovat i na parametry FEM sítě, například proměnnou velikost elementu sítě nebo jakékoliv další veličiny, se kterými se při modelování pracuje.

CAD Import Modul umožňuje do prostředí COMSOL Multiphysics importovat v režimu off-line soubory s geometrií z CAD systémů Pro/Engineer, Autodesk Inventor a další formáty s jádrem Parasolid. Živé propojení COMSOL Multiphysics je nyní možné se systémy Solidworks, Pro/Engineer a Autodesk Inventor. Spojení zajišťují nové moduly LiveLinkTM for SolidWorks®, LivelinkTM for Pro Engineer® a LiveLinkTM for Autodesk Inventor®. Import ze systému CATIA v off-line režimu zajišťuje modul File Import for CATIA V5®. COMSOL Multiphysics si stále zachovává komunikaci se systémem MATLAB, který je jeho jediným programovacím prostředím. Od verze 4.0 je k tomuto účelu třeba využít speciální modul LiveLinkTM for MATLAB®.

Vedle již existujících specializovaných nadstaveb se připravují nové nadstavbové moduly - CFD Module, Plasma Module a Batteries & Fuel Cells Module. CFD modul je rozsáhlá výpočetní nadstavba, která kombinuje všechny možnosti specializovaných CFD balíků s výhodami programu COMSOL Multiphysics. Propojuje úlohy zaměřené na proudění tekutin, přestup tepla a transport hmoty. Pomocí CFD Module lze například simulovat úlohy zaměřené na chlazení elektroniky, tepelné výměníky, reaktory a další. CFD Module obsahuje rozhraní pro rotační stroje a lze tedy modelovat mixéry nebo mísící zařízení. Modul dále obsahuje modely proudění s vlivem stlačitelnosti a lze tedy řešit například obtékání profilů nebo částí letadel při vyšších Machových číslech. Turbulentní modely pro nízká Reynoldsova čísla umožňují modelovat úlohy s přirozeným konvekčním prouděním. Pro modelování velkých úloh je možné využít výpočetních clusterů, přičemž nároky na fyzickou paměť počítačů snižují plně segregované řešiče.

Specializovaný modul pod názvem Bateries & Fuel Cells Module je určen k modelování baterií a palivových článků všeho druhu. Uživatel má k dispozici rozhraní, ve kterém lze analyzovat primární, sekundární a terciální rozložení proudové hustoty v elektrochemických článcích. Palivové články mohou obsahovat pevné nebo pórovité elektrody se zředěným nebo koncentrovaným elektrolytem. Díky možnostem COMSOL Multiphysics jsou k usnadnění práce uživatele definovány multifyzikální vazby v oblastech přestupu tepla, proudění a elektrochemických reakcí. Pomocí definovaných aplikací lze řešit lithium iontové, nikl hydridové nebo olověné baterie. Řešené palivové články mohou být alkalické, karbonátové nebo PEM (Proton Exchange Membrane), kde dochází k elektrochemické reakci mezi molekulami vodíku a kyslíku a další.

Plasma Module je určen k modelování všech nejaderných plazmových reaktorů. Oblasti využití modulu jsou v osvětlení, ve výrobě polovodičů nebo při sterilizaci a filtraci v medicíně. K řešení jsou určeny aplikace pro mikrovlnná plazmata a indukčně nebo kapacitně vázané plazma.

COMSOL Multiphysics je k dispozici pro všechny běžné 32 a 64- bitové počítačové platformy jako jsou MS-Windows, Linux a MAC OS X. Využití na clusterech zajišťují Windows 2008 Server, HPC Server 2008, Windows 2003 Compute Cluster Server a Linux. Program může spolupracovat s programem MATLAB ve verzích MATLAB 2009B nebo 2010A.

Zájemcům nebo uživatelům, kteří se chtějí s programem naučit pracovat sami je určena knihovna řešených příkladů, která je součástí každé instalace COMSOL Multiphysics. Jednotlivé příklady jsou rozděleny podle oblastí, resp. podle specializovaných modulů a v každém příkladě je uveden teoretický rozbor úlohy, použité aplikační režimy a podrobný návod jak model vytvářet. Také na stránkách firmy Comsol je k dispozici knihovna řešených příkladů pod názvem Model Gallery.