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中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd.) 2010年10月

中仿科技公司 Cntech Co. Ltd. “第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件” COMSOL Multiphysics V4.x 操作手册丛书几何建模用户指南中仿科技公司(CnTech Co., Ltd.) 2010 年 10 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn

中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 前言 COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的 COMSOL 公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家誉为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。作为一款大型的高级数值仿真软件，COMSOL Multiphysics 以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真。COMSOL Multiphysics 以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里广泛应用于声学、生物科学、化学反应、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。在全球各著名高校，COMSOL Multiphysics 已经成为讲授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具；在全球 500 强企业中，COMSOL Multiphysics 被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。COMSOL Multiphysics 多次被 NASA 技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”，NASA 技术杂志主编点评到，“当选为 NASA 科学家所选出的年度最佳 CAE 产品的优胜者，表明 COMSOL Multiphysics 是对工程领域最有价值和意义的产品”。 COMSOL Multiphysics 提供大量预定义的物理应用模式，涵盖声学、化工、流体流动、热传导、结构力学、电磁分析等多种物理场，模型中的材料属性、源项、以及边界条件等都可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是一个代表实测数据的插值函数等。同时，用户也可以自主选择需要的物理场并定义他们之间的相互关系。用户也可以输入自己的偏微分方程（PDEs），并指定它与其它方程或物理之间的关系。本指南作为 COMSOL Multiphysics V4.x 操作手册丛书之一，详细介绍了在 V4.x 版本中，各种几何建模技巧及使用方法。COMSOL Multiphysics 提供丰富的工具，供用户在图形化界面中构建自己的几何模型；另外，通过镜像、复制、移动、比例缩放等工具对几何对象进行高级操作，还可以通过布尔运算方式进行几何结构之间的切割、粘合等操作。COMSOL Multiphysics 以 Parasolid 格式为 CAD 内核，可以完美地导入当前大部分专业 CAD 软件制作的几何结构。COMSOL Multiphysics 支持两种几何体，缺省的组合几何体和装配体，前者很方便地处理内部边界条件问题，后者很方便处理复杂结构的建模、网格、以及求解等问题。全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn －－ i

中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 印刷约定本书中的印刷约定遵循 COMSOL Multiphysics 的用户指南中的约定。其中粗体字表明该段文字确实会出现在 COMSOL Multiphysics 的程序界面中，例如模型创建器是用户刚打开 COMSOL Multiphysics 时出现的窗口的标题，选项>选择列表是其中一个菜单项等。全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn －－ ii

中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 目录前言 ..................................................................................................................................................................... i 印刷约定 ....................................................................................................................................................................ii 目录 ...................................................................................................................................................................iii 第一章基本说明 ................................................................................................................................................. - 1 - 1.1 几何体的表现形式 ................................................................................................................................ - 1 - 1.2 如何选用表现形式 ................................................................................................................................ - 1 - 第二章几何序列 ................................................................................................................................................. - 3 - 2.1 新增几何序列 ........................................................................................................................................ - 3 - 2.2 操作几何序列 ........................................................................................................................................ - 4 - 第三章几何特征 ................................................................................................................................................. - 6 - 3.1 基元几何特征 ........................................................................................................................................ - 6 - 3.2 几何操作特征 ...................................................................................................................................... - 15 - 第四章构建几何模型案例 ............................................................................................................................... - 26 - 4.1 2D 流体阀几何模型 ............................................................................................................................. - 26 - 4.2 3D 房间家具几何建模 ......................................................................................................................... - 28 - 第五章 CAD 导入.............................................................................................................................................. - 32 - 5.1 导入 CAD 文件.................................................................................................................................... - 32 - 5.2 修复 CAD 结构.................................................................................................................................... - 33 - 5.3 修复 CAD 结构案例............................................................................................................................ - 36 - 5.4 与 CAD 软件实时连接........................................................................................................................ - 39 - 第六章关于 COMSOL 与中仿科技................................................................................................................. - 41 - 关于 COMSOL............................................................................................................................................ - 41 - 关于中仿科技 ............................................................................................................................................. - 41 - 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn －－ iii

中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 第一章基本说明 1.1 几何体的表现形式 COMSOL Multiphysics 中有两种几何体，组合几何体（缺省）和装配体。所谓的组合几何体指重叠的几何对象自动分解为多个求解域（与几何无关），其内部界面上，几何结构、网格以及物理量等自动相互“粘合”。装配体则表示重叠的几何对象之间没有构成关系，因此从本质上而言，不存在内部界面。这两种几何体各有优缺点，组合几何体是 COMSOL Multiphysics 的缺省设定，优点在于：  在材料非连续处，物理量自动连续  在材料界面处，自动得到高精度解  在材料界面处，自动确认网格单元和节点其缺点在于：  网格越细，内存开销越大  对大的 CAD 模型网格剖分比较困难反过来，装配体的优点则在于：  在材料界面处可有意定义物理量不连续，例如接触阻抗  对大的 CAD 模型网格剖分比较容易  网格越粗，计算越快（但精度越低）装配体的缺点：  需要更多的手工操作  为了保证足够的高精度，需要注意边界上的网格密度 1.2 如何选用表现形式通常，COMSOL Multiphysics 缺省使用组合几何体，因为这种情况下内部边界可以采用缺省的连续边界。有时候，几何结构比较复杂，采用组合几何体时容易出现内部几何结构错误，或几何结构的各个部分有较大的差异（如薄壳与厚板等），或采用简化的方法模拟膜、壳等结构时需要设定该简化边界为阻抗型边界条件，或不同的求解域需要剖分成不同的网格，或采用 ALE 框架模拟旋转运动等的情况下，可采用装配体。用户可以在菜单绘图>使用装配体，选中为装配体，缺省为不选中，即组合几何体。全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 1 - －－

值得注意的是，当在不同表现形式间切换时，COMSOL Multiphysics 将自动调整求解域、边界等的编号，从而影响到相关的设定，用户需要检查所有的设定是否条例设计条件。中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 2 - －－

中仿科技公司 CnTech Co.,Ltd 第二章几何序列所谓几何序列，意指通过用户设定的一系列几何建模指令，最终生成一个用户需求的几何文件，其中用户可以指定几何的类型、布尔运算、变换、转换等。在同一个模型文件中，用户可以指定多个几何序列，生成不同的几何，并在进行计算时选择不同的几何序列有针对性地进行求解器的设定和优化等。本章说明在 COMSOL Multiphysics V4.x 中，如何对几何序列进行各种相关的操作。 2.1 新增几何序列当在模型树上添加一个新模型时，在几何 1 节点上默认会添加一个几何序列。有两种方法可新增几何序列：  右键在模型>几何节点下选择并添加可用的几何特征，在新增特征的设定窗口可编辑相应的编辑框，也可在编辑框中输入模型树的参数和全局定义下定义的表达式，点击设定窗口的创建选中的可显示创建的几何模型。  使用几何工具栏上的按钮添加几何对象，这种方法可添加一些 2D 基元几何特征与 2D 和 3D 的一些布尔运算和转换功能。在任意位置添加几何序列的方法：当添加新的几何特征时，COMSOL Multiphysics 会在当前几何节点的后面插入新的几何节点。判定当前几何节点的方法如下：在当前节点图标的前面会出现一个四边形的绿色边框。当添加新的网格特征后，在新网格节点下右键单击创建选中的（或者单击设定窗口的创建选中的图标（）），会在绘图窗口显示剖分后的结果，并且新增加的网格节点变成当前网格节点。全国统一客户服务热线：400 888 5100 网址: www.CnTech.com.cn 邮箱:info@cntech.com.cn - 3 - －－

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