COMSOL Days 021：COMSOL 5.3aを使いこなそう (2018年2月1日開催)

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1 COMSOL Multiphysics Ver.5.3a 橋口 1 米 1 トン 1 山口 2 1: 第 1 技術部 2: システム部計測エンジニアリングシステム株式会社東京都千代田区内神田 井門内神田ビル5F

2 スケジュール 13:30-15:00 全般橋口 米 ( 途中休憩あり ) 15:00-15:15 プラズマ関連トン 15:15-15:30 Application BuilderとServer 山口 15:40-16:30 Q&A 2

3 13:30-15:00 第 1 部 全般的な説明 橋口 米 第 1 技術部 3

4 COMSOL Multiphysics COMSOL 社 ( スウェーデン ボストン ) の開発製品です 計測エンジニアリングシステム株式会社は日本国内販売総代理店です The company was founded in COMSOL Multiphysics in More than 460 employees in 21 officies worldwide. Germund Dahlquist スウェーデンの数学者 当時 KTH ( スウェーデン王立大学 ) の学生 COMSOL Multiphysics はマルチフィジックス解析環境を提供しています 解析は主として有限要素法に基づいています ( 他に 有限体積法 境界要素法 粒子追跡も利用する場合もある ) 4

5 COMSOL Multiphysics の統合型 GUI はモデルビルダーとアプリケーションビルダーを利用できます COMSOL Desktop 統合型 GUI ( プリ 任意のフィジックス メッシュ ソルバ ポスト処理 ) モデルビルダ モデル構築モデル開発 STL データ吐き出しで 3D プリンタへ アプリケーションビルダ アプリ化ユーザー数の急拡大開発へのフィードバック 任意の連成が可能 業務革新へ 5

6 5.3a リリースハイライト 6

7 主要なニュース [1] 境界要素法 FEM とのハイブリッド解析の導入 Boundary Element Method : BEM 2D 3Dで利用可 音響 圧力音響散乱場形式 AC/DC 磁場 ( 電流なし ) 静電場 (Ver.5.3 から ) 7

8 BEM の計算原理 基本解 (Green 関数 ) FEM BEM,, 1 4 解きたい式 0 ディリクレ境界条件 Ω 弱形式の導出後 試行関数として G(x,y) を利用する 解 既知,, Ω Ω G(x,y) は 0 割にはならない 8

9 音響の BEM-FEM 解析 FEM 体積メッシュ必須 開空間では境界を設定不要 BEM 計算時は境界メッシュのみ FEM 単極音源 0.01 m 3 /s 25 個周波数 200Hz 音速 343m/s ボックス表面 BEM ポスト処理用の体積メッシュを作成 遠方場計算可 9

10 静電場 ( 境界要素法 ) AC/DC における BEM 境界データ 1V ドメインデータ表示用データセット GND 10

11 AC/DC における FEM-BEM ハイブリッド 永久磁石間に働く磁気力 ( 斥力 ) 斥力 =1N であるように条件を決めている 11

12 FEM-BEM ハイブリッド解析 メッシュは緑線の内側と緑線上 ポイント : 領域は全ボイドとする 12

13 BEM のみによる磁場解析 緑の線の外側は 無限ボイドになる 13

14 GUI 操作デモ 23GB 1H 14

15 BEM の利用場面 FEM で取り扱う領域以外の広い領域を解析したい場合 FEM ベースの放射条件や PML の代替えに利用する場合遠方にある壁を解析する場合互いに遠方にある物体の相互作用を取り扱える場合 音響 磁場 磁場 1km 15

16 音響関連 16

17 音響モジュールと適用について FEM Hybrid FEM-BEM BEM 幾何音響 波長 ~ 波長 /6 メモリ上 仮にメッシュサイズがこれ以上小さくとれないとする 波動を解像しづらくなってくる PC で利用できるメモリ量によって制限される 17

18 車室内音場への適用例 有限要素解析 (FEM) AES_Modeling_Car_Cabin_Acoustics_2017.pdf 18

19 車室内音場への適用 境界要素法 (BEM) AES_Modeling_Car_Cabin_Acoustics_2017.pdf 19

20 幾何音響 車室内音場への適用 AES_Modeling_Car_Cabin_Acoustics_2017.pdf 20

21 音響解析における手法の使い分け AES_Modeling_Car_Cabin_Acoustics_2017.pdf 21

22 BEM の車外騒音への適用例 22

23 幾何音響 音線音響のポスト処理にインパルス応答プロットを追加 23

24 流体解析 (CFD) 主要なニュース [2] Realizable k-ε 乱流モデル 従来の乱流モデルにもリアライザビリティ拘束は含まれていた. 新しいリアライザブル k-ε 乱流モデルは, 生成された乱流がドメインの各点で方程式により拘束を受ける, すなわち, より厳密な平均拘束のやり方を採用 24

25 乱流モデルの歴史の一部 参考山本誠 RANS モデルの過去 現在 未来 ながれ 35 (2016)

26 COMSOL の Realizable 乱流モデル モデルの拡張 Realizability 条件を組み込んだモデル モデル Realizability 条件 可変パラメタに拡張 Realizable 26

27 乱流モデルの選択方法 27

28 2D バックステップ流れでの比較 Realizable k-ε x 方向流速成分 u 乱流エネルギー強度 k 実線 Realizable 点線 k-ε 28

29 流体力学関連 29

30 ハイライト 回転機械 多相流 混相流 気泡流 流体 - 構造相互作用と 全ての乱流モデルの組み合わせ 浮力による乱流発生のモデル 完全発達乱流の流入境界条件 温度の流入境界条件 30

31 主要なニュース [3] プラズマモジュール 容量結合性プラズマの新しいフィジックスインターフェースの追加 ここは第 2 部で紹介する 31

32 各モジュール毎のハイライト 32

33 伝熱関連 33

34 ハイライト 水分流れマルチフィジックス連成 前回のリリースでの水分モデリング機能を拡張して, 新しい 水分流れマルチフィジックス連成 ノードを追加 相対湿度 φ 密度 (p,t,φ) 粘性 (T,φ) 熱伝導係数 (T,φ) 定圧比熱 Cp(T,φ) 拡散係数 (T) 34

35 固体の不可逆転移 ハイライト 固体伝熱の固体ドメインノードの不可逆転移特性機能が拡張されて, 熱による不可逆転移をモデル化等価薄抵抗層による熱接触モデリング熱接触モデルのために 等価薄抵抗層 オプションが新しく導入 改善された熱 水分輸送機能 蒸発セクションに新しく導入された, 蒸発フラックスへの寄与チェックボックスを選択すると, 水分流束境界ノードで蒸発と, それに関連した潜熱元を考慮する. 蒸発か凝結による熱流束は 濡れ面, 湿潤面, 水分流束ノードで定義. 35

36 マルチフィジックスの実際例題 evaporative cooling 36

37 ハイライト 電磁加熱マルチフィジックス連成の新機能と改良された機能 ジュール熱のような電磁加熱, 誘導加熱, マイクロ波加熱, レーザー加熱をモデル化するときに使う. 37

38 ハイライト 熱電気効果マルチフィジックス連成 新しい 熱電気効果 マルチフィジックス連成ノードは体積および面の熱電気熱源を熱方程式に組み込んだ. ドメインや境界における温度差による電流密度に熱電気効果の寄与を加える. 例題 thermoelectric leg 38

39 構造力学関連 39

40 ハイライト 構造力学 / 非線形構造材料 形状記憶合金 多孔質塑性機能 40

41 形状記憶合金 形状記憶合金は医療アプリケーションで特に需要増. 医療における形状記憶合金の力学的な記述は複雑. 相転移は力学応力からも, 温度変化からも起こすことができる. Lagoudas と Souza-Auricchio による数学的モデルを追加. オーステナイトとマルテンサイト材料特性の定義, 開始と終了温度などの相転移特性の定義が可能. 伝熱モジュール形状記憶合金中の熱伝達のための新しいインターフェースを追加. 形状記憶合金 (SMA) の振舞いは温度と密接に関係. 構造変化 ( オーステナイト マルテンサイト ) によるエネルギー放出, または吸収による合金の熱特性を変化. 伝熱インターフェースの 形状記憶合金 機能はマルテンサイトとオーステナイトの体積比率を説明し, 各相の熱特性から有効熱特性を定義. この 形状記憶合金 機能は新しい非線形構造材料モジュールの 形状記憶合金 機能と組み合わされるように作成. 伝熱インターフェースノードの 合金の熱伝導 チェックボックスを選択. この機能は ドメイン境界条件 として働く. 41

42 多孔質塑性 多孔質塑性材料モデルがプラスティック硬化とボイド生成機能で強化 降伏関数 42

43 ボルトプリテンションの改良 ハイライト 3D と 2D 軸対称において, ボルト選択 サブノードにおいて, 時間や荷重履歴の関数であるボルトの事前変形を緩和させる指定ができるようになった 43

44 ハイライト 一般化平面歪の定式化の追加 2D 固体力学で平面歪と平面応力に加えて 一般化平面歪定式化を追加. 一般化平面歪近似は, 長くて一定の断面をもつ構造の中心部分をモデル化する. 標準の平面歪定式化とは異なり, 非ゼロの面外歪が存在する. p

45 ハイライト 接触問題の固有周波数解析および周波数領域摂動 45

46 MEMS 関連 46

47 ハイライト 一般化された移動メッシュ機能 移動メッシュ 機能が 移動メッシュ サブノードから利用できる. コンポーネントの下の 定義 ノードを右クリックするか, 定義 ツールバーからアクセスする. 移動メッシュ機能はモデルの中で空間座標を制御し, ドメインが変形, 移動するようなすべてのフィジックスに適用. 問題のダイナミクスに従って定常的または時間的に変形する場合に使うことができる. 例えば, 移動メッシュ ノードに加えられた 変形ドメイン 機能は FSI における流体ドメイン変形や, MEMS における静電的ドメイン変形に利用できる. 流体ミキサーや電気モーターなど, モデル内のパーツの回転を指定する機能もある. 定義 の下の移動メッシュ機能は移動メッシュを持つフィジックスインターフェースの新しいデフォルトのメカニズムである. 従来使用していた 移動メッシュ (ALE) フィジックスインターフェースは現在でも利用できるが, 新しい移動メッシュ機能によって置き換えられる. 47

48 コンポーネント : 定義の下での 移動メッシュの利用 48

49 化学反応工学関連 49

50 ハイライト 熱力学特性計算のビルトイン機能 50

51 ハイライト 熱力学特性計算のビルトイン機能 51

52 マルチボディダイナミクス ローターダイナミクス関連 52

53 ハイライト 集中機械系フィジックスインターフェース 新しい集中機械系フィジックスインターフェースでは非グラフィカルなフォーマット, つまり, 質量, ダンパー, スプリングなどにより, 離散機械系をモデル化. ラウドスピーカーなどの電気機械系の等価回路モデルの作成に特に便利. 0D から 3D までの任意のコンポーネントに追加できる. 集中コンポーネントは任意の次元の有限要素モデルと連結できる. 53

54 ハイライト カムフォロワージョイントの追加 54

55 ハイライト ロータダイナミクスに回転要素ベアリングの追加 6 つのタイプ : 深溝ボールベアリング角接触ボールベアリング自己位置調整ボールベアリング球ローラーベアリング円筒ローラーベアリングテーパーローラーベアリング 55

56 ハイライト ローターダイナミクス : チュートリアルモデルの追加ターボチャージャーの安定性 56

57 半導体関連 57

58 ハイライト 半導体平衡スタディの追加 この新しいスタディで平衡状態にある系や, 非平衡状態の系の初期条件を計算できる. 電力駆動ターミナルの追加 金属コンタクト境界条件に新しくターミナル電力を指定するオプションを電圧駆動, 電流駆動, 回路接続などのオプション群に追加. 捕獲機能の拡張 初期捕獲占有率と縮退度を離散, または, 連続エネルギー準位サブノードで入力できる シュレーディンガー方程式用 PML の追加 定常解析における外向き波の吸収をモデル化. 様々な散乱現象の解析に有効. 58

59 電磁気関連 59

60 COMSOL Multiphysics は低周波から光領域をカバー定常 周波数領域 時間領域の計算が可能 定常 ~ 低周波領域 AC/DCモジュール高周波領域 RFモジュール完全 Maxwell 方程式光領域 時間領域解析 波動工学モジュール Beam envelope method 幾何光学 光線光学モジュール Ray tracing 60

61 ハイライト AC/DC での回転機械のための更新 AC/DC モジュールの 回転機械 ( 磁場 ) インターフェースでは移動メッシュ機能を更新. 移動メッシュ設定がフィジックス間で共有され, 重複設定を避けることができる. これにより移動ドメインにおけるマルチフィジックスのモデル化が前バージョンと比べてさらに簡単になった. 電磁気と回転機械の流体との連成も簡単になった. 61

62 ハイライト AC/DC における軟永久磁石用の材料モデル 軟永久磁石用の新しい材料モデルが磁場インターフェース, および磁場インターフェース, 磁場 ( 電流なし ) インターフェース, そして, 回転機械 ( 磁気 ) インターフェースに追加. 市販の材料例として, アルニコ 5 の特性を近似した材料, 非磁化可能非線形永久磁石が AC/DC 材料データベースに追加. 62

63 ハイライト RF 漸近波形評価 (AWE) による S パラメタの周波数スイープ高速化の例 利用例 RF_Module/Antennas/microstrip_patch_antenna_inset 63

64 ハイライト 波動光学 : 反射率, 透過率, 吸収率の評価とポストプロセスの式の簡略化新変数の追加ポート <x> での反射率旧表現 abs(ewfd.s11)^2 新変数 ewfd.rport_<x> 透過率 ewfd.tport_<x> 周期ポートと回折次数ポートにもモード数とモード偏光に基づく新変数例 ewfd.rorder_p1_op は 2D の 1 次モード, 面外偏光の反射率全反射率, 全透過率, 全吸収率のための総和変数も新しく追加 64

65 ハイライト 光線光学 反射光の出射制御 反射光線の生成なし 論理式による反射光線出射 回折格子の新しい設定オプション 0 次光がモデルにおいて重要ではない場合, それを省略することができる 鏡面反射専用の境界条件パーツライブラリの拡充 チュートリアルの追加 65

66 電気化学関連 66

67 ハイライト 電気めっきにおける新しい薄電極面ノードの追加 67

68 ハイライト 腐食解析における新しい薄電極面ノードの追加 68

69 ハイライト 腐食解析におけるチュートリアルモデルの追加 応力腐食 : 塑性変形領域での縦歪によっていかに腐食率が加速されるか 69

70 腐食 70

71 粒子追跡関連 71

72 ハイライト ヌル衝突法 荷電粒子追跡 インターフェースの衝突機能は, イオン, 電子, 希ガス分子の間の相互作用のモンテカルロモデリングのためのヌル衝突法をサポート. 72

73 粒子追跡 Null Collision Method The basic premise of the null collision method is to avoid inverting Equation 4-5 衝突が増えると粒子加速 時間刻み減る ヌル衝突を利用すると改善させる 73

74 ハイライト ランダム粒子出射時刻粒子出射時刻のリストを指定することに加えて, ランダム, 決定論的な粒子出射時刻の均一分布, 正規分布, 対数正規分布を選択できる. 74

75 ハイライト 境界からの粒子速度の熱分布 流入 機能で使用可能な 熱的速度分布 を使用して分布から放出された粒子速度をサンプリング. あるいは, 熱的再出射 壁面条件を使用して, 境界に吸着した分子をモデリングし, 表面温度に基づいて異なる速度でドメインに直ちに再注入. 75

76 粒子追跡 熱再放出 76

77 ハイライト バッテリー & 燃料電池モジュール 粒子挿入ノードの新しい拡散モデル 新しい Baker-Verbrugge 拡散モデルは電極粒子の拡散係数を挿入反応の平衡ポテンシャルに基づいて補正 新しいチュートリアルモデル : ヘテロリチウム電池 集中リチウム電池パラメーター推定 Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/lumped_li_battery_parameter_estimation 77

78 ハイライト 地下水流モジュール Kozeny-Carman 浸透性モデル, 亀裂流の 3 乗則透過性モデルを導入 2 相ダルシ 則 : 内部境界上の浸透性壁の定義可等方性 異方性 自由多孔質媒体流れインターフェースの改良層流, または, 乱流の自由流れと多孔質媒体流れを連成孔質電極のモデル化のための電気化学インターフェースとの連成 78

79 共通 79

80 ハイライト マップトメッシュにおける改善 80

81 ハイライト スタディにおける縮小モデルの構築 1. 固有値 固有周波数解析の入ったものをスタディ 1 で計算する 2. 周波数領域の計算を行うスタディ 2 を右クリックし モデル縮小を選択 3. トレーニングスタディとしてスタディ 1 を選び 縮小モデルで周波数範囲も選択後 スタディ 2 を計算する 81

82 ソルバーの設定と使用例 縮小モデルにおけるモードの使用例 トレーニング対象 トレーニングスタディとして利用 82

83 ハイライト ソルバー Smoothed Aggregation 代数マルチグリッド (SA-AMG) の並列化 SA-AMG ソルバーは主に CFD シミュレーションで使用. SA-AMG の設定時にマルチコアと分散メモリの利点を生かせる. マルチコアプロセッサーでの計算が高速化し, クラスター上のピークメモリ量が減少. 83

84 ハイライト 重み付解の総和計算の追加 解連結 機能が時刻, 固有周波数, パラメーターなどに関して重み付の解総和系計算ができる. 固有周波数パラメトリックソルバーの追加 固有周波数 および 固有値 スタディステップが拡張され, 時間依存 スタディの機能と同様に, 補助パラメータースイープをサポート 84

85 ハイライト 3Dconnexion SpaceMouse のサポート ドライバーをインストールするだけで接続. 左手に3Dマウス 右手で通常のマウスを操作 85

86 ハイライト WebM アニメーションのエクスポート WebM としてエクスポートする際の可能な設定 コーデック : VP9 ( 推奨 ) or VP8 品質 : のスケール, 低 ~ 高品質 ロスレス : 最大品質でエクスポートするにはこのボックスをチェック 詳細パラメーター : 自動 がほとんどの場合で推奨. マニュアル設定の場合は COMSOL Multiphysics レファレンスマニュアルを参照 86

87 附録 87

88 COMSOL Multiphysics 5.3a を 使いこなそう 1. Ctrl+F Ctrl+ スペース 2. ノード右クリックコンテクストメニューノード左クリック設定ウィンドウへ行くこの方式に慣れたらリボンメニューを利用していくとよい 3. ジオメトリの選択方式グラフィックスウィンドウでのジオメトリ該当箇所をクリック選択をペーストで キーボード入力ウィンドウから選択リストを利用 4. はじめての COMSOL Multiphysics 5.3a トライアルを始める方は必須 5. 専門チュートリアルに従った操作モジュール拡大検討をされる方にとっても便利 6.comsol.jp の Video を視聴 7.Kesco のアプリケーション Webinar を視聴 88

89 COMSOL Multiphysics 5.3a を 使いこなそう COMSOL は豊富な例題をアプリケーションライブラリに掲載している アプリケーションライブラリは英語での mph になっているが 日本語環境で mph を読み込み 下記のモデルツリーノードテキストボタンをクリックし タイプにチェックを入れればモデルビルダのツリーも日本語表記される アプリケーションライブラリをもっと活用すれば トライアル期間を有効に使える 購入後のユーザーは編集することで自身の問題をすぐに解決できる機会が増える テキストボタン タイプ 89

90 COMSOL Multiphysics 5.3a を使いこなそう モデルメソッドによるグローバル定義パラメタの設定方法 実現したいこと パラメタではループ計算ができない モデルメソッドを使おう! 検算を簡単にするために S=S+1 としてデモしている モデルビルダのパラメータでの利用方法 モデルメソッドの編集 90

91 COMSOL Multiphysics 5.3a を 使いこなそうコンポーネント間 root を右クリックで ペースト 1 root からスタディを追加 2 91

92 COMSOL Multiphysics 5.3a を 使いこなそうフィジックス間 component を右クリックで ペースト

93 15:00-15:15 第 2 部 プラズマモジュールについて トン 第 1 技術部 93

94 15:15-15:30 第 3 部アプリケーションビルダとサーバー 山口システム部 94

95 Q&A 95