CAE软件操作小百科(60)

田甜

(同济大学 应用力学所，上海 200092)

1 COMSOL中APP开发器的使用

在使用COMSOL进行复杂模型的模拟仿真时，为实现几何上的精细化建模，通常会导入大量外部数据至参数列表进而创建几何模型，或者采用导入CAD文件的形式创建模型。面对大量几何数据(如创建成百上千个球形粒子等)时，前者的操作过于繁复，而后者可能会因导入的格式问题在网格划分时出现不支持自相交等情况。构建此类模型可以使用软件内部APP开发器中的方法模块。方法编辑器可以通过参数化CAD模型创建几何，借此提前导入所需要的数据。使用Java语言编写方法，软件还提供系列内置工具，见图1。

图 1 编辑器工具

在编辑工具栏通过选择GUI命令可以直接在方法中添加相应语句，也可以通过选择模型组件等得到该部分的定位位置，便于编译方法。例如上述提到的球形粒子的几何建立，只需调取数据文件，从中获得每个球的边界定位坐标xmin、xmax、ymin、ymax、zmin、zmax，在方法中添加创建几何命令至指定几何位置；为方便网格划分，也可以在方法中添加判断语句，对几何边界进行处理；在模型开发器中直接调用方法，即可得到几何模型。对于有大量原始数据的模型，该方法能迅速构建几何，且只需调整原始数据，再次调用方法即可改变几何。图2为读取数据的代码示范。

图 2 读取数据的代码示范

除前处理中方法编辑器的使用外，还可以使用表单编辑器对参数和变量进行分析和处理，包含多个图形窗口，能显示交互式三维图形等。

2 设置求解器加快计算速度

当求解模型有多个物理场接口，甚至用到多物理场耦合时，对模型进行瞬态求解所需的时间一般较长。COMSOL中自带的瞬态求解器使用迭代方式，可以在瞬态求解器中改为全耦合，使计算速度更快。如图3所示，非线性方法设置为恒定(牛顿)，阻尼系数为1，用最小雅可比矩阵更新和容差终止，最大迭代次数为4，容差因子数为1。此外针对模型特性不随着时间改变的模型，可以更多采用稳态求解器，其计算速度也大于对模型的瞬态求解。

理论上，不同求解器得到的结果有少许精度差异，但选择合适的求解器可以大大减少模型的计算速度，并且在工程计算中只要结果收敛，求解器之间的差距并不大。

图 3 瞬态求解器

3 设置求解器解决解不收敛的问题

当所要求解的模型在长时间步后不收敛时，如电池放电超过截止电压时，可以通过调整求解器计算。在组件中插入探针，方便实时观测计算结果，在求解器中对需要监控的变量设置终止条件，见图4。注意，终止条件的表达式要完整写出变量名称，局部变量要在表达式中添加其所在位置。

图 4 设置终止条件

在进行锂电池模型仿真时，也容易在瞬态求解时得到不收敛的结果。这很可能是初始值不合理，可以在瞬态求解前进行电流分布初始化的操作。

4 添加探针对模型的瞬态研究进行监测

在对模型进行瞬态研究时，常希望能得到模型某个特殊位置上随时间改变的物理量数据，可以通过提前添加探针实现。探针有域探针、边界探针、边探针、域点探针、边界点探针和全局变量探针等。全局变量探针是最常用的一种探针，可以通过对特殊标记点添加全局变量探针，并更改其表达式，从而获得该点变量随时间变化的曲线和相关数据。如图5所示，表达式可以通过右上角的工具箱查询，以此得到相应物理场的物理量。

探针图表会随着计算进程一同绘制，计算完成后也可在结果栏中查询。探针图表的数据也会出现在数据栏中，方便进一步结果后处理中的取用。添加一维绘图并选取探针数据后，还可以利用软件内置工具进行频谱变换和x、y轴的线性单元预处理。

图 5 全局变量探针

5 后处理中动画的演示与导出

通常，在模型的瞬态求解后，若要以动画形式展示模拟结果，可以在后处理的“结果”模块进行相应设置。添加动画指令后，可以选择导出文件或者播放器预览，目标结果展示基于物理场的选择，可以在工具栏模型树中选择方程视图查看变量。动画中采取的数据集通常在默认计算的结果里，如果想自定义数据集，应当提前添加相应的物理场并在结果栏中进行查看，相关设置见图6。

图 6 自定义数据集的设置

在动画编辑选项中，可使用动态数据扩展实现全谐波、半谐波或线性单元循环，更常用的是取用储存的解进行时间或所有解上的循环，并仍可对循环量进行改动、删减。此外，还可对动画进行帧数和每帧显示时间的设置，以达到更好的展示效果。

选择目标文件，即可导出演示动画，软件提供格式有GIF、Flash、AVI、WebM，窗口大小和图例布局等也可在相应指令框中进行设置。

(摘自同济大学郑百林教授《CAE操作技能与实践》课堂讲义)