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32软件世界随着计算机应用技术的发展,材料计算技术有了长足的进步。科研人员开发出各式各样的材料热动力学数据库,通过选择合适的数据库就可以计算得到所需的材料设计信息。在集成材料和工艺仿真中,仅有热力学信息是不够的,体系的动力学信息也非常重要。常见的典型问题包括相变、固化、界面反应以及微结构演化等复杂物理过程,这些物理问题都涉及到了复杂的热力学和动力学过程。一般情况下,研究这一类物理问题需要创建动力学模型,而动力学模型中往往涉及热力学参数,因此对于集成材料与工艺仿真来说,热动力学软件与动力学模型的耦合计算至关重要。在众多材料和工艺仿真方面的软件中,COMSOLMultiphysics以其多物理场耦合方面的优势和灵活的外部应用程序接口(API),使得COMSOLMultiphysics在多物理场求解方面展现出了非凡的解决问题的能力。中山大学黄智恒教授一直致力于集成材料/工艺模拟与仿真方面的研究,最近黄教授巧妙地将材料热力学计算软件MTDATA以及科学计算软件MATLAB,成功地应用到了COMSOLMultiphysics多物理场耦合计算中,解决了一系列材料动力学问题,在此基础上构建了以COMSOLMultiphysics为核心的集成材料与工艺仿真平台。一、COMSOLMultiphysics与MATLAB的接口COMSOLMultiphysics提供了与MATLAB的完美接口——LiveLinkforMATLAB。在整体环境下,用户可以像在MATLAB中那样保存和运行文件,为用户使用其他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提供了方便。运行COMSOLwithMALTAB模式,不但可以让COMSOLMultiphysics调用MALTAB内核及其所包含的所有工具箱,更能够使用命令行的形式操作物理模型,如图1所示。二、COMSOLMultiphysics与MTDATA的接口由于COMSOLMultiphysics与MATLAB的无缝链接,任何一个COMSOLMultiphysics创建的模型(.mph文件)都可以保存为MATLABm文件,并在MATLAB环境中运行。所以,MATLAB与MTDATA的接口可以应用于COMSOLMultiphysics中。需要注意的集成材料和工艺模拟与仿真平台□蒙茂洲图1是,COMSOLMultiphysics模型在调用MTDATADLL中的函数和子程序时,只需被载入(load)一次。如果MTDATADLL已经被载入内存中,而再次重复载入时就会提示链接错误。COMSOLMultiphysics与MTDATA、MATLAB三种软件之间的链接机制,如图2所示。图233CAD/CAM与制造业信息化·2010年第6期栏目主持:侯琳 投稿信箱:houl@idnovo.com.cn三、集成材料与工艺仿真平台的典型应用以Cu-Sn两元素四相(Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn以及Cu)系统为例,首先在COMSOLMultiphysics中创建有限元几何模型和划分网格,如图3所示。图3图4扩散方程通过COMSOLMultiphysics中的PDE模式的一般形式(GeneralFrom)进行定义和求解。化学势与摩尔体积利用MATLAB与MTDATA的接口进行计算,从而求解动力学过程图。在浸焊过程中,铜溶解动力学过程仿真结果,如图4所示。焊料组分和尺寸效应对铜焊点溶解的影响,如图5所示。利用COMSOLMultiphysics模拟的材料晶体生长过程,如图6所示。界面微结构仿真结果,如图7所示。相场晶体模型模拟结果,如图8所示。四、COMSOLMultiphysics灵活的APICOMSOLMultiphysics是一款业界领先的科学仿真软件,主34软件世界要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块。现在,已经有的模块包括化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统以及结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用,包括Windows、Linux、Solaris和HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块以及COMSOL化学反应工程实验室等。COMSOLMultiphysics提供了灵活应用程序的外部接口,能与多种第三方软件进行对接,可以应用于从几何模型创建到图5图6图8图7多物理场求解等多个过程。在与其他软件的交互方面,COMSOLMultiphysics的API为用户提供了丰富的函数和方法。在此基础上,用户可以灵活地创建自己的几何模型、自定义方程等。用户通过COMSOLMultiphysics提供的API可以使用软件中全部特性和参数的接口,黄教授表示,“COMSOL提供一个灵活的、通用的模拟与仿真平台,如果用户加以适当开发,COMSOLMultiphysics可以应用于材料科学的很多计算领域中。”本文索引号:109
本文标题:【设计】集成材料和工艺模拟与仿真平台
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