COMSOL präsentiert Version 4.2a auf der Anwenderkonferenz

COMSOL hat auf seiner fünften jährlichen Europäischen Anwenderkonferenz mit der Version 4.2a ein umfassendes Update seiner marktführenden Modellierungs- und Simulationsumgebung COMSOL Multiphysics vorgestellt.

Mit Version 4.2a wurde das Anwendungsspektrum multiphysikalischer Analysen erneut erweitert und deckt nun ein noch breiteres Spektrum der Ingenieurs- und Forschungsgebiete ab. Damit hat COMSOL ein eine integrierte Analyseplattform geschaffen, die in ihrer Anwendungsbreite in der Branche unübertroffen ist. Mit Version 4.2a erscheinen zwei neue Produkte, das Particle Tracing Modul und der LiveLink für Creo Parametric, sowie zahlreiche andere neue Funktionen, die den Anwendern von COMSOL Multiphysics und seiner Zusatzmodule eine leistungsfähigere Modellierung bieten.

Bild-zu-Material-Konvertierung ersetzt die Geometrieerstellung und beschleunigt die Simulation

Mit der Bild-zu-Material-Konvertierung kann die Lösungsfindung für bildbasierte Simulationen drastisch verkürzt werden. Mit dieser neuen Funktion können Ingenieure und Forscher aus dem Bereich Life Science und der Halbleiterindustrie jetzt auf die Geometrieerstellung und die rechenintensive Vernetzung mikroskopischer Details verzichten. Diese Anwender können Bilddaten verwenden, um 2D Materialverteilungen darzustellen oder um Bereiche unterschiedlicher Materialien anhand ihrer Farb- oder Graustufen zu identifizieren. Die hierzu eingesetzten Bilder können aus unterschiedlichsten Quellen stammen, z. B.  Rasterelektronenmikroskopie (REM), Computertomographie (CT) oder Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT).

Das Bild zeigt eine Strömungssimulation basierend auf der Bild-zu-Material-Konvertierung, in der die äquivalenten Strömungswiderstände für eine poröse Struktur berechnet wurden. Durch die Schnelligkeit dieses Simulationsverfahrens können tausende ähnlicher Berechnungen sehr einfach durchgeführt werden.

Eine wichtige Anwendung des Bildimportes ist die einfache Berechnung volumengemittelter Materialeigenschaften stark heterogener oder poröser Materialien. Dazu gehören Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Permittivität, Elastizität oder Porosität, deren räumlich variierenden Werte in einen einzigen repräsentativen Durchschnittswert umgewandelt werden können. Solche äquivalenten Materialeigenschaften eignen sich dann für die Simulation größerer Strukturen, wobei dann auf detaillierte mikroskopische Informationen verzichtet wird. Dieser Modellierungsansatz bietet zahlreiche Vorteile, wie beispielsweise die Vermeidung oftmals schwieriger Bildsegmentierungsprozesse und der Bild-zu-Geometrie-Konvertierung. Zudem ermöglicht er eine erheblich einfachere Vernetzung, reduziert den Speicherbedarf und sorgt für kürzere Rechenzeiten – alles kritische Faktoren, wenn die Analyse für viele verschiedene Bilder wiederholt werden muss.

Ein importiertes Bild wird als allgemeine COMSOL Interpolationsfunktion zur Verfügung gestellt und kann für jeden Modellierungszweck verwendet werden. Bestimmte 3D Analysen werden durch das Importieren mehrerer Bilder möglich, wenn diese Schnitte einer 3D Struktur darstellen.

Import digitaler Höhenmodelle ermöglicht schnelle Geometrieerstellung für geophysikalische Simulation

Mit Version 4.2a erhalten Anwender eine neue Interpolationsfunktion für digitale Höhenmodelle, die die direkte Übernahme topografischer Oberflächendaten unterstützt, die im U.S. Geological Survey's (USGS) Digital Elevation Map (DEM) Datenformat vorliegen. Diese DEM Oberflächen können beliebig mit anderen Flächen und Körpern kombiniert werden, um eine volumetrische Darstellung von Geometrie und Netz zu erhalten. Mehrere DEM Flächen können kombiniert, geschnitten oder in andere geometrische Objekte eingebunden werden, um zusammengesetzte Strukturen zu generieren. Geometrische Strukturen aus einem DEM-Import werden in der COMSOL Umgebung genau wie mechanische CAD-Strukturen verwendet. Das heißt, dass der gesamte Leistungsumfang von COMSOL Multiphysics bei einer DEM-Geometriedarstellung zur Verfügung steht, und sie für jede Einzel- oder Multiphysik-Simulation – wie etwa Untergrundströmungen, Elektromagnetik, Akustik und Geomechanik – eingesetzt werden kann.

Ein Tetraeder-Volumennetz wird aus einer Geometrie erzeugt, die rechteckige Körper mit importierten DEM Daten derTopographie des Mount McKinley kombiniert. Diese Art der Geometriedarstellung kann für jeden Simulationstyp in COMSOL Multiphysics verwendet werden.

CAD Modellierung und neuer LiveLink für CreoParametric

Bei COMSOL hat die Zusammenarbeit, sowohl innerhalb von Designteams als auch abteilungsübergreifend, einen hohen Stellenwert. Die Erweiterung der COMSOL LiveLink CAD Interoperabilitätsprodukte auf Creo Parametric Design Software von PTC ist ein weiterer großer Schritt in dieser Richtung. Mit dem neuen LiveLink für Creo Parametric kann COMSOL Multiphysics nahtlos mit der neuesten Design Software von PTC kombiniert werden. Indem eine assoziative Verbindung zwischen den beiden Anwendungen hergestellt wird, werden sämtliche Änderungen im Creo Parametric CAD-Modell automatisch in der COMSOL Multiphysics Geometrie übernommen ohne die physikalischen Einstellungen zu verändern.

Zusätzlich können alle in Creo Parametric spezifizierten Parameter interaktiv mit der Simulationsgeometrie gekoppelt werden, so dass multiphysikalische Simulationen mit Geometrieparametrisierungen und Designoptimierungen durch die  Synchronisation mit dem CAD-Programm ermöglicht werden. Der LiveLink für Creo Parametric verfügt über alle Funktionalitäten des COMSOL CAD-Importmoduls und ermöglicht den Import und die Bearbeitung von CAD-Daten aller gängigen CAD-Pakete.

Dieses mit dem LiveLink für Creo Parametric erzeugte Bild zeigt die Simulation einer elektrischen Stromschiene. Da der LiveLink die geometrischen Abmessungen zwischen COMSOL Multiphysics und Creo Parametric synchronisiert, können Anwender Parameterstudien für Designoptimierungen in ein und derselben Simulation durchführen.

Der Parasolid Geometrie-Kernel der Siemens PLM Software ist mittlerweile der Standard-Geometrie-Kernel für Anwender des CAD Import Moduls und der LiveLink Produkte für CAD. Parasolid ermöglicht den Anwendern aller LiveLink Produkte, einschließlich aller Versionen für AutoCAD, Autodesk Inventor, Creo Parametric, Pro/ENGINEER, SolidWorks und SpaceClaim, die Bearbeitung von komplexen Geometrieobjekten.

Die umfangreiche Modellbibliothek von COMSOL Multiphysics ist jetzt innerhalb des One-Window-Interfaces zugänglich, das im LiveLink für SolidWorks enthalten ist. Animationen und Bilder können nunmehr aus dem One-Window-Interface erzeugt werden. Darüber hinaus sorgt eine Reihe von Leistungsoptimierungen für eine schnellere Synchronisation großer Modelle.

Particle Tracing Modul ab sofort erhältlich

Das Particle Tracing Modul erweitert die Funktionalitäten der COMSOL Multiphysics Umgebung auf die Berechnung von Teilchenbahnen in Fluiden oder elektromagnetischen Feldern, einschließlich der Wechselwirkungen von den Feldern und  der Teilchen.

Jedes COMSOL Zusatzmodul kann nahtlos mit dem Particle Tracing Modul kombiniert werden, so dass dem Anwender der Zugang zu weiteren Modellierungswerkzeugen und den Feldern, die die Teilchenbewegung beeinflussen, ermöglicht wird. Zu den Anwendungsgebieten zählen Strömungsvisualisierung, Mischen, Sprühen, Teilchenabscheidung, Massenspektrometrie, Ionenoptiken, Ionenstrahlphysik, Ionenenergieverteilungsfunktionen, akustische Ströme und Ray Tracing.

„Das neue Particle Tracing Modul ist ein Meilenstein”, erläutert Bjorn Sjodin, VP Produktmanagement. „Von nun an ist es möglich, Teilchenbahnen für jede beliebige Teilchen-Feld-Analyse zu berechnen und zu visualisieren. Das wird das Interesse vieler Ingenieure aus völlig neuen Disziplinen wecken, die das Particle Tracing nun sowohl für traditionelle CFD und elektromagnetische Analysen als auch für innovativere Kombinationen mit anderen Physiksimulationen einsetzen können. Darüber hinaus werden unsere Kunden die Geschwindigkeit des Particle Tracing zu schätzen wissen, da so hunderte und tausende Teilchen mühelos in ein und derselben Simulation bearbeitet werden können.”

Diese Strömungs- und Teilchensimulation einer Düse für medizinische Anwendungen berechnet den Druckverlust als Funktion der Fließgeschwindigkeit durch das System. Die Schubspannung und die Strömungskräfte werden ebenfalls berechnet und unterstützen so die Risikobestimmung für die Blutschädigung, die bei Strömungssteuerung in Medizinprodukten häufig berücksichtigt werden muss.

Auf die Teilchen können eine Vielzahl unterschiedlicher Kräften wirken, darunter Kräfte auf geladene Teilchen in elektrischen oder magnetischen Feldern, Strömungswiderstandskräfte im CFD, elektrophoretischer Kräfte in der Mikrofluidik, akustische Strömungskräfte und benutzerdefinierte Kräfte.

Zuwachs oder Verlust von Masse, Ladung oder ähnlichen Größen können für jedes Teilchen entlang seiner Bahnlinie als Hilfsvariablen und Gleichungen dargestellt werden. Die Teilchen können masselos oder massebehaftet sein, wobei die Bewegung durch Newtonsche, Lagrangesche oder Hamiltonsche Formeln aus der klassischen Mechanik gesteuert wird. Ein einfacher Zugang zum mathematischen Formalismus für anwendungsspezifische Simulationen ist somit gewährleistet.

Ergebnisse und Visualisierung

Die neue Join Data Set Funktion der Version 4.2a ermöglicht den Vergleich von Ergebnissen zu verschiedenen Zeitschritten oder Parameterwerten sowie aus Simulationen mit unterschiedlichen Netzen. Anwender können Lösungen kombinieren, indem sie die Summe, die Differenz, das Produkt, den Quotienten bilden oder andere allgemeine und spezielle Ausdrücke verwenden. Ein wichtiges Einsatzgebiet dieser neuen Funktion ist, die Differenz zweier Lösungen in einer Netzkonvergenzstudie graphisch darzustellen und zu evaluieren.

Jede gesuchte skalare Größe kann mit Schnittdarstellungen oder Isoflächenplots visualisiert werden. Die Darstellung der Größen kann mithilfe einer der zahlreichen vorgegebenen Ausdrücke definiert oder als benutzerdefinierter Ausdruck eingegeben werden. Eine neue Erweiterung zu den Schnitt- und Isoflächenplots stellt der Schieberegler für die Position der Schnitte und Oberflächen innerhalb des Plots dar.

Mehrfachschnittdarstellung der Temperatur in Kelvin der an einem Kühlkörper vorbeigeleiteten Luft. Der Mehrfachschnitt-Plot (hier in x-, y- und z-Richtung) gibt einen schnellen Überblick über die Temperaturverteilung im Strömungsgebiet.

Einfallende Sonnenstrahlung im Heat Transfer Modul

Externe Strahlungsquellen können nun im Heat Transfer Modul als unendlich entfernte Quellen oder als Punktquellen in einer endlichen Entfernung definiert werden. Diese Option ist im Anwendungsmodus 'Heat Transfer' und jedem anderen Anwendungsmodus, der eine Fläche-zu-Fläche Strahlung unterstützt, verfügbar. Wenn eine unendlich entfernte Quelle definiert wird, geben Anwender die Leistung pro Einheitsfläche ein. Ein übliches Anwendungsgebiet ist die einfallende Sonnenstrahlung bei unterschiedlichen Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien.

Eine andere wichtige Funktion des Heat Transfer Moduls ist die Möglichkeit, die Strahlung auf beiden Seiten einer Grenzfläche zu definieren, wenn Fläche-zu-Fläche Strahlung verwendet wird. Auch diese neue Option ist in allen Anwendungsmodi verfügbar, die die Fläche-zu-Fläche-Strahlung unterstützen.

Elektromechanik-Modus im MEMS Modul

Ein neuer Elektromechanik-Anwendungsmodus verbindet die Festkörpermechanik und Elektrostatik mit einem beweglichen Netz, um die Verformung einer elektrostatisch gesteuerten Struktur zu modellieren. Zu den Anwendungen zählen Simulationen vorgespannter Resonatoren mit Modal- und Frequenzantwortanalyse sowie die Berechnung der Ansprechspannungen.

Dem Anwender stehen eine Reihe neuer elektromechanischer Tutorials zur Verfügung. Sie zeigen 2D und 3D Modelle eines vorgespannten Resonators für die stationäre Analyse, die Frequenzantwort, normale Moden, die Ansprechspannung und das Übertragungsverhalten.

Das Bild zeigt die Simulation eines vorgespannten Resonators mit dem neuen Eletromechanik-Modus, der Elektrostatik, Festkörpermechanik und bewegliche Netze in einem Modell kombiniert.

Neue Ingenieurs- und Forschergruppen

Die multiphysikalische Simulationstechnologie unterstützt Ingenieure und Wissenschaftler dabei, ihre kühnsten Designkonzepte zu realisieren und hilft Unternehmern bei der Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit. COMSOL Multiphysics Version 4.2a wird es neuen Anwendergruppen leicht machen, produktive Werkzeuge für ihre aktuellen Designherausforderungen zu finden.

Version 4.2a Highlights

• Schnelles Particle Tracing mit Teilchen-Feld-Interaktion für CFD, Elektromagnetik, Akustik und anderen Anwendungen in dem völlig neuen Particle Tracing Modul
• LiveLink für Creo Parametric bietet eine bidirektionale Schnittstelle mit der neuesten Design Software von PTC
• Äußerst effiziente Simulation mit Bild-zu-Material-Konvertierung, basierend auf fotografischen oder gescannten Daten; unterstützte Datenformate sind JPG, JPEG, BMP, PNG und GIF.
• Import digitaler Höhenmodelle (DHM) von topografischen Oberflächendaten für Anwendungen wie Flüssigkeitsströmung, Strukturmechanik oder Elektromagnetik
• Schnelles Postprocessing der Simulationsergebnisse mittels interaktiven Schnitt- und Flächenplots mit Schieberegler
• Neue Benutzeroberfläche für große parametrische Sweeps und schnellere Visualisierung von Response Surface Plots
• Überprüfung von Simulationsergebnissen durch den Vergleich von Lösungen zu verschiedenen Zeitschritten oder Parameterwerten sowie Ergebnissen aus Simulationen mit verschiedenen Netzen
• Interpolationskurven können aus x, y oder x, y, z Datentabellen in 2D und 3D erzeugt werden, um neue geometrische Objekte zu erstellen
• Externe Strahlungsquellen können nun im Heat Transfer Modul als unendlich entfernte Quellen oder als Punktquellen in einer endlichen Entfernung definiert werden – üblicherweise für einfallende Sonnenstrahlung angewendet
• Ein neuer Elektromechanik-Modus im MEMS Modul verbindet die Festkörpermechanik und Elektrostatik mit einem beweglichen Netz, um die Verformung von elektrostatisch gesteuerten Strukturen zu modellieren. Zu den Anwendungen zählen Simulationen vorgespannter Resonatoren mit Modal- und Frequenzantwortanalyse sowie die Berechnung von Ansprechspannungen.