Jaký je COMSOL Multiphysics 5.5

science 6. 12. 2019 Články

Doporučujeme

Téměř přesně po roce vychází nová verze simulačního software COMSOL Multiphysics, tentokrát s označením 5.5. Přináší hned dva nové moduly a celou řadu zajímavých vylepšení. Následuje stručný přehled toho nejzajímavějšího, co nová verze nabízí.

O čem se mluví nejvíce

Nový Porous Media Flow Module

Nový modul umožňuje modelovat přestup hmoty, hybnosti a energie v porézních prostředích. Simulovat v něm můžete palivové články, sušení vlákniny a papíru, procesy v potravinářském průmyslu nebo třeba filtraci. Modul aplikačně pokrývá téměř všechny druhy proudění v porézních materiálech vyjma proudění v zeminách a stavebních materiálech, které obsahuje zavedený Subsurface Flow Module. Předpřipravená jsou multifyzikální napojení proudění v porézním prostředí na přestupy tepla, pevnostní výpočty nebo např. chemické reakce. Velmi zajímavé je nové rozhraní pro transport vlhkosti, které dokáže simulovat i relativní vlhkost vyšší než jedna (tzv. supersaturaci).

Nový Metal Processing Module

Druhou velikou novinkou je Metal Processing Module pro modelování metalurgických fázových změn v kovu. Modul obsahuje dvě fyzikální rozhraní: Metal Phase Transformation a Austenite Decomposition. V kombinaci s Heat Transfer Module tak můžete simulovat tepelné materiálové vlastnosti, fázovou změnu s ohledem na latentní teplo a efekty radiace. S pomocí Structural Mechanics Module můžete počítat např. zbytková napětí a deformace. Nový module můžete použít pro výpočet jevů jako je TRIP – Transformation-induced plasticity.

První zmíněné rozhraní Metal Phase Trasformation je vhodné k simulacím změn v kovech během ohřevu a ochlazování. Strojírenská technologie se tak může spolehnout s minimem nastavování na odladěné prostředí pro výpočty rozpadu austenitu na feritickou ocel nebo transformace martenzitické oceli. Navíc je možné nastavit vlastní fázovou změnu.

Druhé zmiňované rozhraní Austenite Decomposition se používá pro simulace kalení a popouštění ocelí, kdy můžete modelovat materiálové změny (poměry složek v různých místech komponentu) v časovém průběhu kalení. Můžete tak například numericky spočítat transformační diagramy tepelného zpracování kovů. Model, ve kterém se simuluje sestavení IRA/ARA diagramu přibyl dokonce do aplikační knihovny, takže z něj můžete vycházet. Z nového modulu mohou benefitovat výrobci 3D tiskáren pracujících s kovy, stejně jako ocelářský a kovozpracovatelský průmysl.

Multifyzikální propojení je široké. Zohlednit lze tepelné deformace (rozhraní Solid Mechanics, dostupné i v jádru COMSOL Multiphysics), radiaci (Heat Transfer Module), latentní teplo (Heat Transfer Module). Zajímavé možnosti skýtá propojení s AC/DC Module, kde lze například simulovat cementování pomocí indukčního ohřevu.

IRA/ARA Diagramy simulované v COMSOL Multiphysics pomocí nového Metal Processing Module

Nová funkcionalita – Add-ins

Chybí vám v COMSOL Multiphysics nějaká funkcionalita a nechcete čekat, až ji vývojáři implementují? Nebo ve svých modelech opakovaně používáte operace, které byste rádi automatizovali nebo sdíleli se svými kolegy? Potom budete potěšeni možností vytvářet a sdílet s ostatními uživateli drobná rozšíření software ve formátu, tzv. Add-ins. Kromě možnosti vyřvářet add-ins máte v nové verzi knihovnu několika předpřipravených doplňků. Knihovna add-ins se časem bude rozrůstat.

Obecné novinky

Tvorba geometrie

Jedna z nejviditelnějších novinek se týká nových nástrojů pro skicování.

Kreslení polygonu či interpolační křivky nyní umožňuje zpětné interaktivní editování obrazce. Dosud bylo možné editovat bod pouze přepsáním souřadnic v tabulce. Tato možnost je funkční nadále s tím, že nově je editovaný bod zvýrazněn i v grafickém okně. Přehlednost je součást správného řešení
Během interaktivního kreslení čar a objektů se zobrazuje zelená čára napovídající zarovnání s ostatními objekty ve skice
Nakreslené 2D objekty lze novými způsoby editovat. Například můžete objekt kliknutím uchopit, přesouvat ho a podržením klávesy CTRL a/nebo Shift měnit způsob zvětšení či zmenšení
Vylepšení se dočkala funkcionalita přichycování editované geometrie. Nyní je možné přichycovat k existujícím bodům, čarám a kružnicím. Nově je např. možná také manipulace se středem kružnice
Můžete nalézt několik nových způsobů k nakreslení kruhového oblouku, včetně způsobu definice tangentou
Zaoblování operací fillet lze nyní provádět ručně. Je-li v Ribbon Bar menu zaškrtnuta operace fillet, kliknutím na rohový bod a tažením získáte zaoblení

Dostupné jsou také nové nástroje a vylepšení 3D operací. Nyní lze rotovat objekty specifikací Eulerových úhlů a 3D těleso lze transformovat operací Rigid Transform Operation, která se skládá jak z posunutí tak otočení ve 3D. Tato metoda je užitečná při změně pozice importovaného objektu (například do počátku). COMSOL přináší výrazné vylepšení týkající se kótování a vazby geometrických prvků (operace rovnoběžnosti, kolmosti atd.), které však vyžadují Design Module.

COMSOL Compiler

V loňském roce přišel COMSOL s možností kompilovat vlastní samostatně spustitelné aplikace prostřednictvím produktu COMSOL Compiler. Nyní se posouvá jeho funkčnost o krok dále díky možnosti oddělit COMSOL Runtime od kompilované aplikace. Tím se výrazně zmenšuje velikost spouštěných souborů. Řadu z nich tak budete schopni poslat jako přílohu emailu. Teď už vám nic nebrání sdílet váš model doslova s kýmkoli po celém světě.

Grafické rozhraní

Grafického rozhraní se dotýká celá řada na první pohled drobných vylepšení, která mají potenciál výrazně ulehčit práci s modelem. Spadá sem možnost definovat okrajové podmínky přímo z grafického okna (interaktivně stiskem pravého tlačítka), organizovat ovládací panel grafického okna nebo kopírovat většinu uzlů stromu modelu mezi jednotlivými instancemi COMSOL Multiphysics.

Mesh

Novinky v tvorbě sítě jsou ve znamení práce s importovanými sítěmi. Pro úpravy STL geometrií je podstatná možnost zacelovat díry v síti pomocí tvorby nových ploch. Nově je podporován import a export formátů pro 3D tisk, 3MF a PLY. Uživatelé také ocení automatické zvýšení řádu prvků zakřivených ploch, které předchází vzniku invertovaných prvků nebo obecně prvků špatné kvality.

Postprocessing

Už tak nabité rozhraní pro vizualizaci výsledků přidává další funkcionality. V proudových polích lze dynamicky vyobrazit rychlost pomocí pohybujících se bodů nebo šipek. Uzel pro export obrázků dává lepší kontrolu nad zdrojem exportovaných dat. Umožňuje tak exportovat nejen vyobrazení výsledků, ale i geometrie, sítě, okrajových podmínek a dalších.

Simulace proudění tekutin

Největší novinky přináší odvětví simulací přenosu tepla a proudění tekutin.

CFD Module

Nové fyzikální rozhraní Viscoelastic Flow. Mnoho tekutin má tendenci k elastickému chování. Příkladem takových ne-newtonských tekutin mohou být taveniny polymerů, oleje, zubní pasta, jíly, tekutiny v potravinářství nebo biologické tekutiny typu synoviálních kapalin v kloubech. K dispozici jsou konstitutivní modely tekutin Oldroyd-B, Gieskus, FENE-P
Nový materiálový model pro dvoufázové proudění ne-newtonských inelastických tekutin. Potravinářský průmysl může nyní simulovat např. vodné roztoky kukuřičných škrobů, kečupu nebo papírové buničiny. Podobně biomedicínské simulace mohou počítat s vícefázovým prouděním v krvi
Nové fyzikální rozhraní řešící Eulerovy rovnice pro stlačitelné proudění – s formulací nespojité Galerkinovy metody (DG)! Izoentropické proudění stlačitelné tekutiny ideálního plynu je často používané zjednodušení v oblasti vysokorychlostní aerodynamiky a CFD Module verze 5.5 ho nyní nabízí ve formulaci DG vylepšující vlastnosti metody konečných prvků
Nové multifyzikální rozhraní pro turbulentní proudění s LES modelem v neizotermální formulaci. LES model turbulence byl doplněn o variantu pro proudění s přestupy tepla, což uživatelům umožní např. velmi detailní analýzy konvektivního ochlazování (viz animace). Large Eddy Simulation je implementovaná ve Smagorinského variantě, RBVM a RBVMWV variantách
Modelování dvoufázového proudění nyní nabízí modelovat vnitřní okrajové podmínky typu Continuity a Initial Interface. To umožňuje simulovat dvě domény klouzající po sobě, vytvořené jako geometrie zakončené příkazem „Form Assembly“. Každá doména tak může používat např. nenavazující sítě
Nové modely v aplikační knihovně: nestacionární proudění za válcem, bimetalický pásek ohýbající se v proudovém poli ohřátého vzduchu, fluid-structure interakce elastické membrány v kapalině s volnou hladinou, simulace rychlosti a tvaru prohnutí válce tvořeného vazkou tekutinou ukotvenou na okrajích a zatíženou vlastní vahou

Proudění krve v aneurysmatu břišní aorty simulováno pomocí CFD Module COMSOL Multiphysics

Eulerovy rovnice pro stlačitelné proudění jsou od verze COMSOL Multiphysics 5.5 formulovány Galerkinovou nespojitou metodou (DG FEM). Jedná se o první implementaci DG FEM v modelech proudění. Jedná se o předzvěst velkých vylepšení CFD Module?

Video simulace oblaku teplého vzduchu z ohřátého válce. Příklad použití LES modelu turbulence v úloze s přestupem tepla

Pipe Flow Module

Také modul pro simulace jednorozměrného proudění v prostorových soustavách potrubí se dočkal vylepšení. Nově můžete využít rozhraní Pipe Mechanics pro pevnostní simulace v potrubí a nebo Acoustic-Pipe propojení. Jste tak schopní velmi rychle analyzovat stav potrubního systému.

AC/DC a polovodiče

Rozhraní Electric Currents in (Layered) Shells aktualizovaná pro větší robustnost a snazší ovládání
Multifyzikální rozhraní Lorentz Coupling pro elektroakustické měniče výrazně zjednodušuje modelování reproduktorů a mikrofonů
Okolo 50 přidaných materiálů permanentních magnetů
Nová aplikace pro kontrolu kvality B-H křivky
Diskretizace založená na gradientu hustoty pro simulace kvantového vězení při použití standardního modelu driftu a difuze

RF a vlnová optika

Předdefinovaná proměnná absorbovaného výkonu, SAR, pro biomedicínské aplikace
Automatizované propojení vlnové a paprskové definice poskytuje nástroj pro modelování vysokofrekvenčních elektromagnetických polí ve velkých doménách – RF i Wave Optics rozhraní. Umožňuje tak modelovat například dostupnost wi-fi v interiéru
Add-in rozšíření pro analýzu S-parametrů a export Touchstone souborů
Evanescentní vlny na pozadí Gaussovského paprsku

Propojení elektromagnetických polí s paprskovou optikou pro „multi-scale“ simulace na příkladu dipólové antény

Výpočet SAR v lidské hlavě pomocí COMSOL Multiphysics 5.5

Paprsková optika

Okrajová podmínka pro elektromagnetický zdroj – propojení s RF a Wave Optics moduly
Materiálový model vzduchu pro externí a otevřené domény
Celá řada nových geometrií v knihovně součástek zahrnující mnohoúhelníková zrcadla a asférické čočky a zrcadla
Vizualizace bodových zdrojů u podmínky Release from Grid

Strukturální mechanika

Kontaktní úlohy definované nově pro skořepiny, membrány, kompozitní materiály a jejich libovolné kombinace
Nelineární neelastické materiálové modely jsou nově definované pro skořepiny. Přesnost a náročnost lze řídit počtem stupňů volnosti na tloušťku skořepiny
V kontaktních úlohách lze počítat s novými modely dekoheze. Zvýšenou stabilitu výpočtu zajišťuje Delayed demage metoda
Přednastavené multifyzikální rozhraní pro FSI simulace s přestupem tepla vhodné například pro simulace bimetalu ve větrném tunelu
FSI simulace zahrnující vícefázové proudění
Mechanické namáhání potrubí je možné nově simulovat s fyzikálním rozhraním Pipe Mechanics
Pro návrh elektromotorů se hodí možnost počítat deformace vztažené pouze k rotaci za pomoci podmínky Rotating Frame
Analýza náhodných vibrací jako odpověď na zatížení popsaná spektrální hustotou výkonu
Piezoelektrické, plastické a hyperelastické materiálové modely a nová multifyzikální rozhraní pro kompozitní materiály

Akustika

Fyzikální rozhraní pro časově explicitní simulace elastických vln je dalším z rozhraní, kde se uplatní nespojitý Galerkin. Rozhraní umožňuje modelovat například šíření ultrazvuku v pevných tělesech nebo šíření seismických otřesů v půdě
Snazší propojení výsledků CFD simulace a akustiky zajišťuje Background Fluid Flow multifyzikální rozhraní a inicializační studie

Chemie a elektrochemie

Vytvoření vlastního materiálu z termodynamického systému, odkud je možné tepelné vlastnosti, viskozitu, hustotu a další
Zjednodušení při nastavování termodynamicky konzistentních modelů zajišťuje výpočet rovnovážného potenciálu elektrody pomocí Nernstovy rovnice
Rozhraní Chemistry je nově součástí i elektrochemických modulů, stejně jako rozhraní Thermodynamics, které bylo přidáno Batteries & Fuel Cells modulu

Optimalizace

Po topologické optimalizaci je nyní součástí lokálních definic i rozhraní pro tvarovou optimalizaci

Design Module

COMSOL Multiphysics 5.5 má nové nástroje pro tvorbu skic ve 2D (včetně 3D pracovních rovin). Nové nástroje spočívají ve volbě dvou druhů skicování – jeden základní dostupný s jádrem (viz první odstavce), druhý rozšíření dostupný s Design Module. Rozšířený režim se zapne buď v uzlu Geometry (u 2D komponentů) nebo v Plane Geometry (u Work Plane v 3D geometrii), v obou případech k tomu slouží odstavec „Constraints and dimensions“. Práce s novým nástrojem spočívá v intuitivním nakreslením geometrie a postupným přidáváním vazeb a rozměrů. Pokud je nakreslena úsečka, uživatel by ji měl přiřadit 4 údaje: x pozici bodu, y pozici bodu, délku, směr (nebo například x, y pozici počátku + x, y pozici konce). Při přidávání rozměrů je možné tažením myši vynést kótování. Vazby a rozměry je samozřejmě možné přidávat parametricky. Přidávání vazeb do modelu je mj. krok směrem k vylepšení optimalizačních schopností COMSOL Multiphysics.

Náčrtek s parametrickými vazbami a rozměry vytvoření v Design Module COMSOL Multiphysics

Propojovací moduly

COMSOL Multiphysics přináší několik nových funkcí dostupných při propojení přes LiveLink for MATLAB (více v odkazu: https://www.comsol.com/…elink-matlab). Vylepšena je také komunikace s různými CAD software. Nové jsou možnosti importu s automatickým generováním selections, operace pro odstraňování děr a vrtání z importované geometrie a zejména funkcionalita asociativního re-importu. Definujete-li importované geometrii např. fyziku, materiály, selections, model si bude nastavení pamatovat a přiřadí ho v případě opakování importu pro lehce změněnou geometrii.

Autor: Matouš Lorenc

Zkušební verze COMSOL Multiphysics

Blog společnosti Humusoft

Sciencemag.cz