آموزش مقدماتی نرم‌افزار کامسول (COMSOL Multiphysics)

کامسول (COMSOL Multiphysics) یک مجموعه کامل شبیه‌سازی است که می‌تواند معادلات دیفرانسیل سیستم‌های غیر خطی را توسط مشتق‌های جزئی به روش المان محدود (FEM) در فضاهای یک، دو و سه بعدی حل نماید. کامسول همانطور که از اسم آن پیداست، چند فیزیکی است یعنی شما می‌توانید بر اساس کاربرد خود فیزیک‌های مختلف را به شبیه سازی خود اضافه کنید. در این پست با مقدمات شبیه‌سازی در کامسول آشنا خواهید شد.

کامسول یکی از پرکاربرد‌ترین نرم‌افزار‌های تحلیل مهندسی یا (CAE) است که به دلیل کاربردپذیری و سادگی یا به اصطلاح کاربرپسند بودن، به تازگی فراگیر شده است. یادگیری این نرم‌افزار برای علاقمندان به تحلیل المان محدود (FEA)  و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به شدت توصیه می‌شود.

کاربرپسند بودن در عین قدرتمندی و گستردگی باعث شده است که در سال‌های اخیر کامسول حتی با انسیس نیز رقابت کند.

در خط مهندسی قصد داریم که با آموزش رایگان کامسول برای همه، به پیشرفت مهندسی در ایران کمک کنیم. در ادامه با اولین آموزش از سری آموزش‌های رایگان کامسول با ما همراه باشید :

ایجاد مدل اولیه در کامسول (COMSOL)

در ابتدا بعد از باز کردن کامسول شما باید انتخاب کنید که قصد ایجاد یک مدل خام (Blank Model) را دارید و یا با راهنمای قدم به قدم (Model Wizard)، مدل اولیه خود را ایجاد می‌کنید. پیشنهاد ما برای تازه کاران استفاده از Model Wizard است.

در ویدیو زیر آموزش ایجاد مدل اولیه در کامسول را مشاهده می‌کنید:

 

در مرحله بعد از شما ابعاد هندسه مورد نظرتان (سه بعدی، دو بعدی، دوبعدی تقارن محوری و …) پرسیده می‌شود.

دقت در این مرحله بسیار با اهمیت است زیرا ایجاد مدلی با بعد هندسی بالاتر از حد نیاز، حجم محاسبات شما را به شدت افزایش می‌دهد.

پس از آن فیزیک مورد نظر را از بین فیزیک های نصب شده نرم افزار کامسول در هنگام نصب (انواع جریان سیال، انتقال حرارت، پلاسما، انتقال محلول های شیمیایی و …) اضافه نمایید. در ادامه می توانید نوع مسأله را از نظر حل (پایا، وابسته به زمان، مقدار ویژه، تحلیل فرکانسی و …) انتخاب نموده و سپس وارد محیط اصلی نرم افزار کامسول (Model Builder) شوید.

بخش پیش پردازش هر مدل در نرم افزار کامسول به طور معمول دارای یک یا چند مؤلفه (Component) است که شامل تعریف ها (Definitions)، هندسه (Geometry)، مواد (Materials)، فیزیک ها (Physics) و مش (Mesh)  می باشد که در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است.

ایجاد هندسه در کامسول (COMSOL)

قدم اول در همه مسائل طراحی مهندسی ایجاد هندسه است. خوشبختانه کامسول به‌طور پیشفرض ابزار‌های مدل سازی هندسی مناسبی را در اختیار شما قرار می‌دهد. در ویدیو زیر آموزش وارد کردن یک مدل هندسی از نرم‌افزار های دیگر به کامسول را مشاهده می‌کنید:

 

توجه داشته باشید که کامسول نرم‌افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) نیست و در طراحی به قدرتمندی نرم‌افزار‌هایی مانند Catia و SolidWorks عمل نمی‌کند. ولی برای ایجاد مدل‌های اولیه و تحقیقاتی مناسب است. همچنین شما می‌توانید مدل‌های هندسی تولید شده در نرم‌افزار‌های دیگر را به کامسول وارد (Import) کنید.

به علاوه کامسول قابلیت برقراری ارتباط دوطرفه، با SolidWorks را دارد به نحوی که امکان تغییرات در هندسه وروردی از SolidWorks در هنگام اجرای مدل کامسول و تحلیل پارامتری بر روی هندسه وجود دارد.

انتخاب ماده و تعیین خواص متریال در کامسول (COMSOL)

برای هر تحلیل مهندسی، دانستن خواص ماده سازنده مدل ضروری است. کامسول به‌طور پیشفرض کتابخانه قدرتمندی از مواد پرکاربرد در مهندسی را دارا است. شما می‌توانید خواص هر ماده را به دلخواه خود عوض کنید و همچنین ماده ای با خواص جدید و حتی ویژگی‌های متغیر تعریف کنید. در ویدیو زیر آموزش انتخاب ماده برای یک چیپ الکترونیکی را مشاهده می‌کنید:

تعیین فیزیک مسئله و شرایط مرزی در کامسول (COMSOL)

پس از انتخاب ماده لازم است فیزیک حاکم بر مسئله را تعیین نمایید. به عنوان مثال قصد بررسی جریان سیال را دارید یا می‌خواهید توزیع تنش در دیواره‌ها را مطالعه کنید؟

کامسول در این بخش بسیار قدرتمند عمل کرده و قابلیت اعمال فیزیک‌های متعدد و بررسی همزمان آن‌ها را به خوبی فراهم کرده است. در ویدیو زیر با انتخاب معادلات حاکم بر مسئله در کامسول و تعیین شرایط مرزی آشنا خواهید شد:

 

در زیرمجموعه هر فیزیک، باید شرایط مرزی روی مرزهای محدوده انتخاب شده برای فیزیک مشخص گردد. هر فیزیک، به طور پیشفرض، شروط مرزی خاصی را در نظر می گیرد که شما نمی‌توانید آن ها را حذف نمایید. اما پس از اضافه کردن شروط مرزی جدید، شرط پیشفرض به صورت خودکار غیرفعال می گردد.

در صورتی که محدوده حل یک فیزیک، دارای چندین زیربخش با خواص متفاوت باشد (به عنوان مثال چندین ماده در تماس با یکدیگر)، می توانید خواص هر یک از این محدوده‌ها را با اضافه کردن Domain جدید تعیین نمایید. علاوه بر این موارد، در زیرمجموعه هر فیزیک، گزینه شرایط اولیه نیز وجود دارد که در حل های وابسته به زمان، به عنوان مقدار در زمان اولیه و در حل های مستقل از زمان، به عنوان حدس اولیه حل استفاده می گردد.

ایجاد شبکه بندی یا مش زدن در کامسول (COMSOL)

قدم اول در حل هر مسئله عددی ایجاد شبکه‌ای منسجم و قابل اعتماد است به‌طوری که بسیاری از کارشناسان پر‌هزینه‌ ترین بخش در پروژه‌های شبیه سازی عددی را مش زدن یا ایجاد شبکه می دانند. شبکه‌ها انواع مختلف ساختاریافته و بدون ساختار را شامل می‌شوند که در آینده به آن‌ها خواهیم پرداخت.

کامسول امکانات خوبی را برای مش زدن در اختیار کاربر قرار می‌دهد. مش زدن در کامسول از هر نرم‌افزار دیگری که من (نویسنده) با آن کار کرده‌ام ساده‌تر است و کیفیت مش نیز در نهایت راضی کننده است. در ادامه با تماشای ویدیو زیر با مش زدن در کامسول آشنا خواهید شد:

 

کامسول می تواند بسته به نوع فیزیک های اضافه شده به مسأله، یک مش اولیه پیشنهاد کند (Physics-controlled mesh) و شما در مرحله اولیه تنها مقدار ریز و درشت بودن مش را تعیین خواهید کرد. همچنین در صورتی که نیاز به شبکه خاص برای حل مسأله داشته باشید، می توانید بصورت دستی و با استفاده از ابزارهای موجود در بخش مش، شبکه مورد نیاز خود را ایجاد نمایید.

از آن جا که ماهیت نرم افزار کامسول محاسباتی است، امکان درون ریزی (Import) مش در کامسول از سایر نرم افزارهای تولید مش وجود دارد. موارد گفته شده تا این بخش، قبل از حل اصلی مسأله و جزء فرآیند پیش پردازش محسوب می گردند.

انجام یک محاسبه (حل) در کامسول (COMSOL)

پس از تعیین معادلات حاکم و ایجاد شبکه (پیش پردازش)، به سراغ شبیه سازی (پردازش) می‌رویم. در این مرحله نرم‌افزار کامسول به کمک روش‌های حل عددی و روش المان محدود (FEM) پردازش را انجام می‌دهد و داده‌های خروجی را ذخیره می‌کند. در ویدیو زیر با اجرای یک شبیه سازی و حل عددی به کمک کامسول آشنا خواهید شد:

تحلیل نتایج پردازش (پس پردازش) در کامسول (COMSOL)

پس از حل مسئله باید نتایج را تحلیل کنیم. در قدم اول باید از قابل اعتماد بودن نتایج اطمینان حاصل کنیم (به اصطلاح نتایج را اعتبار سنجی کنیم) سپس داده‌های مورد نظر خود را استخراج کنیم. کامسول قابلیت‌های متنوعی برای ایجاد فایل‌های خروجی در اختیار کاربر قرار می‌دهد که شما را از نرم‌افزار‌های دیگر پس پردازش مانند TecPlot بی نیاز می‌کند.
در ویدیو زیر با قابلیت‌های پس پردازش در کامسول آشنا خواهید شد:

در کامسول می‌توانید داده های خود را به شکل های مختلف نمودار، کانتور، جدول و یا میانگین‌ها و انتگرال‌های محاسباتی استخراج کرده و در فایل‌هایی با فرمت های مختلف ذخیره نمایید

همچنین کامسول قابلیت اتصال بر‌خط (Live Link) با نرم‌افزار‌های پرکاربرد مهندسی از جمله Matlab ، SolidWorks  و Excel را در اختیار شما قرار می‌دهد که در نوع خود منحصر به‌فرد است.

نرم‌افزار کامسول یا COMSOL Multiphysics ، همانطور که گفته شد، یکی از پرکاربرد ترین نرم‌افزار های مهندسی است و در پروژه‌های تحقیق و پژوهش در سراسر جهان استفاده می‌شود.

کامسول قابلیت تحلیل بازه‌ی گسترده ای از مسائل از جمله مسائل فیزیک، مهندسی مکانیک، مکاترونیک، مهندسی پزشکی، بیومکانیک، مهندسی شیمی، نفت و گاز و پتروشیمی، بیومکاترونیک ، فرآیند‌های شیمیایی، مهندسی برق و ترموالکتریک، انرژی، سیستم‌های الکترومکانیکی در مقیاس میکرو و نانو (MEMS) و بسیاری مسائل دیگر را دارا است.

در ادامه برای آموزش‌های بیشتر نرم‌افزار‌های مهندسی با خط مهندسی همراه باشید و با نظرات خود ما را یاری نمایید.

منبع : خط مهندسی