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LaborgeräteNeue Simulationsumgebung

Erweiterte multiphysikalische Anwendungsmöglichkeiten mit COMSOL Version 4.2
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Laborgeräte: Neue Simulationsumgebung
Die COMSOL Multiphysics GmbH kündigt die Veröffentlichung der neusten Version ihrer Simulationsumgebung COMSOL Multiphysics an. Die Version 4.2, die die Bandbreite der von COMSOL abgedeckten Anwendungen erweitert, ist ab sofort verfügbar und wird allen Kunden mit Wartungsvertrag automatisch zugeschickt.

((Bilder 1, 2 + 3))

Die Vision hinter Version 4 war es, unseren Kunden eine Basis zu liefern, mit der ein breites Publikum angesprochen werden kann”, sagte Svante Littmarck, Präsident und CEO bei COMSOL. „Daraus folgt – und dies bieten wir mit der Version 4.2 – ein erweitertes Produktangebot für unsere Plattform.”

Version 4.2 erweitert die durch COMSOL abgedeckten Anwendungsbereiche um drei neue Anwendungsmodule – Microfluidics, Geomechanics und Electrodeposition – und neuen LiveLinks für AutoCAD® und SpaceClaim®. „Dieses Release untermauert unsere Angebote, um den Marktanforderungen in mehrerer Hinsicht zu entsprechen”, sagte Littmark. „Mechanik-, Elektromagnetik-, Chemie-, Strömungs- und CAD-Interoperabilität werden mit diesem Release abgedeckt. Sogar die Bereiche, die nicht explizit adressiert wurden, werden von der verbesserten Löser-Technologie profitieren.”

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„Die Liste der Funktionen der Version 4.2 ist wirklich beeindruckend”, fügt Littmark hinzu. „Diese Version ist in jeder Hinsicht ein Hauptrelease. Die Geometrieerstellung und Vernetzung, das Postprocessing und die von den COMSOL Kunden erwarteten Erweiterungen der Anwenderoberfläche wurden eingefügt und verbessert. Diese neuen Funktionen ziehen sich durch sämtliche Produkte der COMSOL Umgebung, sowohl existierende als auch neue.”

Grundlegende multiphysikalische Möglichkeiten

Im Mittelpunkt des Releases stehen die zentralen Entwicklungsinitiativen von COMSOL. Im Ergebnis steht allen Anwendern eine verbesserte und erweiterte multiphysikalische Simulationsleistung zur Verfügung. Die neuen Möglichkeiten zielen auf Geometrie-, Netz- und Löserfunktionalitäten. Die Auswirkung davon ist in erster Linie etwas, das ohnehin schon eine der Stärken von COMSOL darstellt: Die Geschwindigkeit.

Version 4.2 enthält neue virtuelle Geometriewerkzeuge zur Netzerstellung, die die wesentlichen Bauteile des ursprünglichen CAD-Modells identifiziert, um eine schnellere und speichereffiziente Lösung zu ermöglichen. Zeitabhängige adaptive Vernetzung und automatisches Remeshing verknüpfen Löser- und Vernetzungsalgorithmen eng miteinander und ermöglichen so jedwede Analyse bewegter Netze. Modelle mit beweglicher Diffusionsgrenze werden ebenso effizienter gelöst wie Simulationen, bei denen die Entfernung oder Beschichtung von Material eine Rolle spielt.

Die neue Funktion für parametrische Oberflächen ermöglicht die Erzeugung von Oberflächen basierend auf analytischen Ausdrücken oder Look-Up-Tabellen. Dies ist insbesondere für den Import von topografischen Daten für geowissenschaftliche Anwendungen entscheidend.

Die in COMSOL verfügbaren direkten Löser sind schon seit mehreren Jahren Multicore- und Clusterfähig. Mit Version 4.2 wurden nun auch die Algorithmen für den Aufbau des Gleichungssystems und die iterativen Löser parallelisiert und bieten so schnellere und speichereffizientere Berechnungen auf nahezu jeder Rechenplattform, vom Laptop bis hin zum Cluster.

„Der parallelisierte Aufbau bedeutet, dass vielen Anwendern eine enorme Geschwindigkeit zur Verfügung steht”, kommentiert Bjorn Sjodin, Vice President of Product Management bei COMSOL. „Benchmark-Tests zeigen bei statischen Mischreaktoren mit laminarer Strömung einen Geschwindigkeitszuwachs von 425 % und bei einer mikrofluiden Lab-on-a-Chip-Simulation eine Steigerung von 164 %.”

Aktualisierter Model Builder

Mit der Version 4.2 hat COMSOL mit der Einführung eines neuen Bericht-Generators für die Veröffentlichung von Ergebnisdaten auf Kundenanfragen reagiert. Ausgehend von einem Modell können die Anwender dieses integrierte, anpassbare Werkzeug einsetzen, um damit umfangreiche HTML-Berichte mit variierendem Detailgrad, von einer Übersicht bis hin zu einem kompletten Modellbericht, zu erstellen. Einem Modell können mehrere Berichte hinzugefügt werden und ermöglichen es dem Anwender so, sämtliche wichtigen Daten in einem gut organisierten und einfach zu lesenden Format zu kommunizieren.

Der COMSOL Desktop mit dem Model Builder ist COMSOLs bahnbrechende Anwenderoberfläche, die erstmals mit Version 4.0 vorgestellt wurde. Der Modellbaum unterstützt nun auch „Drag-and-Drop” und ermöglicht so eine schnelle Bearbeitung des Inhalts. Auch die Darstellung der Simulationsergebnisse wurde aktualisiert. Im Model Builder sind die Defaultanzeigen daraufhin angepasst, die Physik im Modell mit beschreibenden Namen zu versehen. Neue Diagrammtypen umfassen Histogramme für statistische Analysen, Nyquist-Plots für Frequenzgangstudien und Ribbon-Plots für Strömungen.

CAD-Interoperabilität

CAD-Interoperabilität war für COMSOL Anwender schon immer von großer Bedeutung. Dieser Kernaspekt der Simulation wurde in Version 4.2 signifikant erweitert. Das LiveLink Interface für SolidWorks® wurde durch ein „One Window Interface” erweitert, so dass der SolidWorks Anwender innerhalb seiner SolidWorks Umgebung bleiben und synchron mit COMSOL Multiphysics arbeiten kann.

Das neue LiveLink Interface für SpaceClaim verbindet Direktmodellierung und Simulation in einer eng miteinander verknüpften Umgebung. Auf die gleiche Weise können Anwender beim neuen LiveLink für AutoCAD eine 3D-Geometrie aus AutoCAD in COMSOL Multiphysics übertragen. Bei beiden Produkten bleibt die synchronisierte Geometrie im COMSOL Modell assoziativ zur CAD-Geometrie in seinem Ausgangsformat. Dies bedeutet, dass physikalische Einstellungen oder Netzeinstellungen im Simulationsmodell bei einem Geometrieupdate erhalten bleiben. Das LiveLink Interface ist bidirektional und ermöglicht es Anwendern so, direkt aus dem COMSOL Modell heraus eine CAD-Geometrieänderung einzuleiten.

Anwendungsspezifische Neuerungen

Das Akustik-Modul bietet neue, auf thermoviskose Akustik zugeschnittene Modellierungswerkzeuge, die eine hochpräzise Simulation miniaturisierter Lautsprecher und Mikrofone in Mobiltelefonen und anderen mobilen Geräten ermöglicht. Dieser Typ Simulation wird in zunehmendem Maße wichtig, da der Markt auch bei kleiner Bauart ein vollständiges und qualitativ hochwertiges Klangerlebnis erwartet.

Die Module Structural Mechanics, MEMS und Acoustics bieten neue, leistungsstarke und einfach anzuwendende Werkzeuge für Eigenmoden-Analysen vorgespannter Bauteile und Frequenz-Antwort-Analysen. Strukturen, die mit dem Solid Mechanics Interface modelliert wurden, können durch mechanische, thermische oder beliebige andere multiphysikalisch basierte Lasten vorgespannt werden.

Das neue „High-Mach Number Fluid Flow” Interface im CFD Modul findet seinen Einsatz bei viskosen, kompressiblen Strömungen mit Geschwindigkeiten über der 0,3-fachen Schallgeschwindigkeit. Es ist nun möglich, blockierte Strömungen und auch Überschallströmungen inklusive der darin auftretenden Stoßwellen zu simulieren. Das Interface ist geeignet für das Design von Düsen, Rohrleitungsnetzwerken und Ventilen und für die Modellierung von aerodynamischen Phänomenen.

Für die Wärmeübertragung in dünnen Schichten bietet eine neue Multilayer-Option im Heat Transfer Modul eine einfach und schnell anzuwendende Möglichkeit, dünne Strukturen mit multiplen Schichten unterschiedlicher Konduktivität zu modellieren.

Das Chemical Reaction Engineering Modul und das Plasma Modul wurden durch neue Oberflächenreaktionswerkzeuge für Simulationen mit bidirektionalen Adsorptionen, bei denen Oberflächenspezies mit Spezies in der Umgebung reagieren, erweitert. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören Gasphasenabscheidung (CVD) sowie plasmagestütze CVDs.

Das Batterie- und Brennstoffzellen-Modul bietet nun eine neue AC-Impedanzuntersuchung für die Simulation einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS). Eine neue Oberflächenreaktions-Schnittstelle ermöglicht die Modellierung von Oberflächenreaktionen an Grenzflächen. Die aktualisierte Batterien- und Brennstoffzellen-Materialbibliothek enthält nun auch typische Elektrodenmaterialien und Elektrolyte.

Das RF Modul bietet nun neue Werkzeuge für plasmonische Simulationen, bei denen die Koeffizienten für Refraktion, gerichtete Reflexion und Beugung erster Ordnung als Funktion des Einfallswinkels berechnet werden. Diese Analyse wird durch eine neue Art periodischer Floquet-Randbedingung ermöglicht.

Das Microfluidics-Modul

Das neue Mikrofluidik Modul bietet einfach anzuwendende Werkzeuge für die Untersuchung von mikrofluiden Komponenten und Strömungen in verdünnten Gasen. Unter den Hauptanwendungen sind Simulationen von Lab-on-a-Chip-Komponenten, digitale Mikrofluidik-, elektrokinetische und magnetokinetische Komponenten, Tintenstrahl- und Vakuumsysteme.

Zusätzlich zu den erweiterten Anwendungsmodi für einphasige Strömungen stehen dem Anwender des Mikrofluidik Moduls spezielle Modi für Zweiphasen-Strömungen wie Level Set, Phase Field und bewegliche Netze zur Verfügung. Alle diese Anwendungsmodi berücksichtigen Kräfte durch Oberflächenspannungen, Kapillarkräfte und Marangoni-Effekte.

Die universellen multiphysikalischen Funktionen von COMSOL vereinfachen die Erstellung gekoppelter elektrokinetischer und magnetodynamischer Simulationen wie z.B. bei Elektrophorese, Magnetophorese, Dielektrophorese, Elektroosmose und Electrowetting. Die Anwendungen für verdünnte Spezies für chemische Diffusion und Reaktionen sind im Mikrofluidik-Modul enthalten und ermöglichen die Simulation von Prozessen, wie sie auf einer Lab-on-a-Chip-Komponente auftreten. Für die Simulation von Strömungen in verdünnten Gasen werden spezialisierte Randbedingungen zur Verfügung gestellt, die eine Strömungssimulation für den Schlupfströmungsbereich aktiviert.

Ein neues Interface für freie molekulare Strömung, welches die schnelle Winkelkoeffizientenmethode (fast angular coefficient method) verwendet, ermöglicht Simulationen, bei denen die molekulare mittlere freie Weglänge wesentlich länger ist als die geometrischen Dimensionen. In Kombination mit den LiveLink-Schnittstellen von COMSOL für Industriestandard-CAD-Pakete ist dieses Werkzeug beim Design von Vakuumsystemen unbezahlbar, da es schnelle Parameterstudien der Kammergeometrien und Pumpenkonfigurationen ermöglicht.

Das Geomechanics-Modul

Das neue Geomechanik-Modul ist ein spezialisiertes Zusatzmodul zum Structural Mechanics Modul, das Simulationen geotechnischer Anwendungen wie beispielsweise für Tunnel, Erdarbeiten, Hangstabilität und Haltestrukturen ermöglicht. Das Modul bietet zugeschnittene Anwendungsmodi zur Untersuchung von Plastizität, Deformation und Versagen von Erdreich und Gestein sowie deren Interaktion mit Beton- oder anderen von Menschen geschaffenen Strukturen.

Hierfür wird eine Vielzahl von Materialmodellen zur Verfügung gestellt: Cam-Clay, Drucker-Prager, Mohr-Coulomb, Matsuoka-Naka und Lade-Duncan. Zusätzlich zu den integrierten Plastizitätsmodellen können Fließfunktionen mit Hilfe des von der COMSOL Multiphysics Umgebung bereitgestellten gleichungsbasierenden Anwenderinterfaces erzeugt werden. Bei der Materialdefinition können Abhängigkeiten von einem berechneten Temperaturfeld sowie jeder anderen Feldgröße berücksichtigt werden.

Das Geomechanik-Modul ist außerdem ein leistungsstarkes Werkzeug für die Modellierung von Beton und Gesteinsmaterial. Die eingebauten optionalen Modelle von Willam-Warnke, Bresler-Pister, Ottosen und Hoek-Brown können vom Anwender zu einer allgemeineren Klasse von sprödem Material angepasst und erweitert werden. Darüber hinaus kann das Geomechanik-Modul einfach mit Analysen aus anderen COMSOL Modulen, wie z.B. für die Durchströmung poröser Medien, Poroelastizität sowie Stofftransport des Subsurface Flow Moduls, kombiniert werden.

Das Electrodeposition- Modul

Modellierung und Simulation sind kosteneffiziente Wege zum Verstehen, Optimieren und Steuern von galvanischen Prozessen. Eine typische Simulation liefert die Stromdichteverteilung an den Elektrodenoberflächen sowie die Dicke und Beschaffenheit der aufgetragenen Schicht. Die Simulationen werden für die Untersuchung wichtiger Parameter – wie z.B. Beckengeometrie, Elektrolytzusammensetzung, Elektrodenkinetik, Betriebsspannungen und -ströme sowie Temperatureffekte – verwendet.

Das Galvanotechnik-Modul nutzt die Leistungsfähigkeit von COMSOL Multiphysics zur Simulation von galvanischen Prozessen. Es werden Anwendungsmodi für primäre, sekundäre und tertiäre Stromdichteverteilungsmodelle zur Verfügung gestellt, während präzise Geometrieabbildungen der aufgetragenen Schicht als Modellparameter einbezogen werden.

Das Galvanotechnik-Modul ist für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen einsetzbar, darunter Metallabscheidungen für Elektronik und elektrische Komponenten, Korrosion und Verschleißschutz, dekorative galvanische Beschichtung, Galvanoformung von Komponenten mit dünnen und komplexen Strukturen und Metallelektrogewinnung.

Die expandierende multiphysikalische Welt

COMSOL Multiphysics 4.2 repräsentiert eine signifikante Erweiterung der Softwareanwendungen, Möglichkeiten und Funktionalitäten. Version 4.2 ermöglicht den Anwendern, ihre Simulationsumgebung noch stärker und für eine größere Anwendungsbandbreite einzusetzen, während nun auch Nutzer aus neuen Industriebereichen erstmals in der Lage sind, die Vorteile multiphysikalischer Simulation zu nutzen. Mit diesem Release setzt COMSOL seinen Weg fort, seinen Nutzern aus unterschiedlichen wissenschaftlichen und technischen Märkten Simulationsprodukte auf dem neusten Stand der Technik, für eine wachsende Zahl an Anwendungen zur Verfügung zu stellen.

Die Highlights der Version 4.2

  • Das Microfluidics-Modul bietet einfach anwendbare Werkzeuge für die Untersuchung mikrofluider Komponenten und Strömungen in verdünnten Gasen.
  • Das Geomechanics-Modul ermöglicht die multiphysikalische Modellierung geotechnischer Anwendungen wie Tunnel, Erdarbeiten, Hangstabilität und Haltestrukturen.
  • Das Electrodeposition-Modul nutzt die Leistungsfähigkeit von COMSOL Multiphysics zur Simulation elektrochemischer Prozesse bei Verchromung, Elektrobeschichtung, Elektrofarbbeschichtung, Zierbeschichtung und Galvanotechnik.
  • Das LiveLink Interface für AutoCAD stellt AutoCAD-Anwendern COMSOL Multiphysics Simulationen in 3D zur Verfügung.
  • Das LiveLink Interface für SpaceClaim bietet die Verbindung von Direktmodellierung und multiphysikalischer Simulation in einer eng integrierten Umgebung.
  • Das „One Window Interface” des LiveLinks für SolidWorks ermöglicht es SolidWorks-Anwendern, innerhalb SolidWorks mit COMSOL Multiphysics zu arbeiten.
  • Der schnellere Aufbau des Gleichungssystems bietet schnellere und speichereffizientere Berechnungen auf nahezu jeder Rechenplattform, vom Laptop bis hin zum Cluster.
  • Der Bericht-Generator erzeugt HTML-Berichte mit variierendem Detailgrad, von einer kurzen Übersicht bis hin zu einem kompletten Modellbericht.
  • Kompressible Strömungen mit hohen Machzahlen für das Design von Düsen, Rohrleitungsnetzwerken und Ventilen sowie für die Modellierung von aerodynamischen Phänomenen.
  • Virtuelle Geometriewerkzeuge ermöglichen die Modifizierung von CAD-Modellen, ohne dabei die zugrundeliegende Oberflächenkrümmung zu verändern und erlauben so eine sehr effiziente Vernetzung.
  • Zeitabhängige adaptive Vernetzung löst automatisch scharfe Diffusionsgrenzen in Zweiphasen-Strömungssimulationen auf und bietet so schnellere und präzisere Simulationen.
  • Automatisches Remeshing ermöglicht extremere Deformationszustände bei Simulationen, in denen ein bewegliches Netz verwendet wird.
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