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第六章计算机辅助材料设计与模拟第三节材料设计与模拟软件及应用第六章计算机辅助材料设计与模拟第三节材料设计与模拟软件及应用6.3.3宏观尺度材料设计与模拟软件内容提要：本节将介绍宏观尺度上的材料设计与模拟软件。包括一种高效的多场耦合仿真分析工具COMSOLMultiphysics软件（原FEMLAB），以及用于处理随机变量的概率损伤评估软件NUSSESS。一、多物理场耦合分析软件COMSOLMultiphysicsCOMSOLMultiphysics（原FEMLAB）是一个高效的、功能强大的多物理场耦合系统的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。在使用COMSOLMultiphysics软件的过程中，用户可以自己建立普通的偏微分方程形式，也可以使用COMSOLMultiphysics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。此外，COMSOLMultiphysics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。模型库是整个COMSOLMultiphysics软件包的最特色部分，它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如工程技术背景、结果讨论和一步一步建立模型的每个过程描述。用户可以应用、扩充或者修改这些工程模型使它们符合用户的个人需求。因此，进入这些模型库就给用户提供了建立自己模型的基础和起点。而事实上，这些模型库也会给用户建立自己的模型提供宝贵的参考。能够独立于MATLAB运算的COMSOLMultiphysics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。COMSOLMultiphysics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，COMSOLMultiphysics还提供了强大的运算求解能力。COMSOLMultiphysics软件系统具备了在Linux、Solaris和HP-UX等系统下的64位处理能力，尤其是可以在AMD64/Linux平台上进行64位计算。在一个系统上加入64位处理能力意味着COMSOLMultiphysics所能处理问题的规模比原来提高了至少10到100倍。通过COMSOLMultiphysics的多物理场功能，用户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；通过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用户自己的方程；COMSOLMultiphysics的多物理场问题一次轻松解决，让用户一次就能轻松拥有超强功能、超低价格的CAE软件。特殊选购专业模块：结构力学模块(StructuralMechanicsModule)第六章计算机辅助材料设计与模拟第三节材料设计与模拟软件及应用声学模块(AcousticsModule)热传递模块(HeatTransferModule)电磁模块(ElectromagneticsModule)地球科学模块（EarthScienceModule）微机电模块(MEMSModule)化学工程模块(ChemicalEngineeringModule)反应工程实验室(COMSOLReactionEngineeringLAB)CAD导入模块(CADImportModule)二次开发模块(COMSOLScriptTM)这样用户就可以在COMSOLMultiphysics用户界面内建立各种模型。另外一个更为灵活的地方是，COMSOLMultiphysics提供了与MATLAB的完美接口。在这种整体环境下，用户可以像在MATLAB中那样保存和运行文件，这样就给用户提供了一种可以使用别的建模方法自由地对基于模型的偏微分方程、模拟运算和结果分析进行整合的方便。1.COMSOLMultiphysics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、COMSOLMultiphysics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。COMSOLMultiphysics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：(1)声学(2)集中-弥散(3)热传导(4)AC-DC电磁场(5)静电场(6)静磁场(7)不可压缩流体(8)结构力学(9)Helmholtz方程(10)Schrödinger方程(11)波动方程(12)广义偏微分方程第六章计算机辅助材料设计与模拟第三节材料设计与模拟软件及应用当您在COMSOLMultiphysics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、COMSOLMultiphysics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COMSOLMultiphysics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，COMSOLMultiphysics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、COMSOLMultiphysics在科研方面：定义和耦合任意数量偏微分方程的能力使得COMSOLMultiphysics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、COMSOLMultiphysics在设计开发方面：COMSOLMultiphysics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、COMSOLMultiphysics在教育方面COMSOLMultiphysics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COMSOLMultiphysics软件成为一个有效的教学工具。使用COMSOLMultiphysics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。第六章计算机辅助材料设计与模拟第三节材料设计与模拟软件及应用7、使用COMSOLMultiphysics通过COMSOLMultiphysics的交互建模环境，用户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；COMSOLMultiphysics的集成工具可以确保用户有效地进行建模过程的每一步骤。通过便捷的图形环境，COMSOLMultiphysics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，即使用户改变几何模型尺寸，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：1.建立几何模型：COMSOLMultiphysics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。用户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。用户可以在COMSOLMultiphysics软件中引入其它软件创建的模型。COMSOLMultiphysics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COMSOLMultiphysics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COMSOLMultiphysics软件可以使用户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：COMSOLMultiphysics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：COMSOLMultiphysics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：COMSOLMULTIPHYSICS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COMSOLMULTIPHYSICS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COMSOLMULTIPHYSICS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。第六章计算机辅助材料设计与模拟第三节材料设计与模拟软件及应用COMSOLMULTIPHYSICS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，COMSOLMultiphysics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。1.结构力学模块：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COMSOLMultiphysics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。上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。第六章计算机辅助材料设计与模拟第三节材料设计与模拟软件及应用分析类型：结构力学模块标志着在COMSOLMultiphysics中保留同样强大的功能和