L ultiph sics in . Mircea Băduţ

COMSOL Multiphysics

MIRCEA BĂDUŢ inginer, consultant CAD/IT

cad_consultant@hotmail.com S pecialiștii în proiectare (având ca teme produse de larg consum, aparate/dispozitive industriale, piese, automobile, aeronave, clădiri, construcții, poduri, instalații uzinale, etc.) știu că uneori trebuie să calculeze anumite aspecte critice ale respectivelor entități – rezistența mecanică (stabilitatea structurală, sau poate un minim dimensional), comportarea termică, eficiența electromagnetică, dinamica fluidelor, evoluția proceselor chimice, ș.a. – sens în care fie se vor înhăma la calcule laborioase, fie vor recurge la software-uri din categoria CAE (ca aplicații independente sau ca module asociate mediului CAD în care dezvoltă respectivul proiect). Deși în general aceste aplicații informatice sunt strict specializate pe domeniul respectiv, iată că în ultimii ani se manifestă tot mai eficient aplicațiile capabile să rezolve simultan aspecte din mai multe domenii.

Analize în câmp cuplat

Dacă până nu demult ANS S constituia referinţa principală în domeniul CAE vedeţi eventual recenzia ,,ANS S Discovery Live din revista și de acolo am auzit prima oară vorbindu-se despre abordarea multi-physics sau în câmp-cuplat , în ultimul timp găsim tot mai multe referinţe de acest gen provenind de la COMSOL. De altfel, simulările analizele vizând simultan mai multe domenii folosesc tot metoda elementului finit abreviată românește MEF, sau având acronimul universal FEA , adică recurg la modelarea entităţii vizate de temă componenta critică de analizat prin echivalarea acesteia cu o reţea de elemente minimale descompunere spaţială în triunghiuri tetraedre și prin distribuirea respectivelor solicitări către aceste micro-elemente. Dacă în primii ani ai disciplinei CAE reţeaua de elemente finite era supusă analizată aproape exclusiv la solicitări mecanice distribuind sarcini forţe statice dinamice în noduri și calculând gradele de rezistenţă, rezilienţă sau deformare , iată că acum hardware-ul a ajuns destul de puternic ca viteză de prelucrare și capacitate de vehiculare stocare pentru a considera simultan mai multe solicitări, devenind posibile abordări care fuzionează solicitarea structurală cu alte genuri de solicitări și fenomene fizice termică, electrostatică, electromagnetică, acustică, optică, ș.a. De asemenea, dacă în anii de început aplicările erau aproape exclusiv industriale în industriile constructoare de mașini, de prelucrare a maselor plastice, în energetică, etc , în ultimul timp au apărut și aplicări cuplate cu domenii mai ,,civile chimie, biologie, medicină, cercetare, etc.

Dar de ce am avea nevoie de analizele în câmp cuplat? În primul rând pentru că în viaţa reală solicitările sunt rareori uni-laterale, iar distanţa de la model simplificare la realitate nu e chiar ignorabilă. Dar și pentru că tot mai multe dispozitive și aparate sunt destinate voit să lucreze cu aspecte multi-disciplinare în medii mixte, sau folosind principii hibride .

Aplicaþiile COMSOL Multiphysics

Soluţiile software care constituie platforma ,,COMSOL Multiphysics se prezintă în trei componente

n Model Builder aplicaţia principală; ea conţine toate funcţionalităţile pentru construirea modelului componenta de proiect analizată , pentru simularea comportamentului aplicarea solicitărilor și calcularea efectelor și respectiv pentru post-procesare afișarea, analizarea și interpretarea rezultatelor ; n Application Builder este destinat să pună la dispoziţie uneltele necesare pentru construirea de aplicaţii croite pe necesităţile beneficiarului; n Model Manager este o unealtă pentru managementul datelor de simulare.

Cu ajutorul lui ,,Model Builder se poate parcurge întreg fluxul unei analize, începând cu definirea formelor geometrice, cu asignarea proprietăţilor de material, continuând cu descrierea fenomenelor fizice implicate urmărite constituind ,,stimulii de intrare , apoi cu aplicarea procesării sau ,,rezolvarea simulării, așa cum se numește în jargonul CAE-FEA și încheiind cu ,,postprocesarea , adică extragerea și afișarea rezultatelor simulării analizei. Poate că atuul lui ,,COMSOL Multiphysics rezidă în chiar faptul că indiferent de aplicare industrială, inginerească, de cercetare și de natura fenomenelor fizice studiate mecanice, termice, electrice, magnetice, optice, fizica particulelor, etc , interfaţarea cu utilizatorul și deci abordarea problemei este aceeași, iar ,,Model uilder asistă în mod coerent utilizatorul la derularea întregii analize. Atunci când utilizatorul de ,,COMSOL Multiphysics a realizat un model și sau a derulat o analiză pentru care se întrevede o extindere a utilizării fie implicarea persoanelor din exterior; fie aplicare ulterioară la rezolvarea unor probleme similare , atunci poate recurge la ,,Application Builder pentru a transforma acea modelare într-o aplicaţie de simulare, având o interfaţă grafică dedicată, și care va putea fi folosită inclusiv de colaboratori contractori sau de clienţi care nu sunt specialiști în CAE.

Cea de-a treia componentă, ,,Model Manager , ajută la stocarea eficientă a modelărilor realizate în ,,COMSOL Multiphysics , la organizarea datelor și a aplicaţiilor, având inclusiv facilităţi de control al versiunilor. În finalul prezentării menţionăm și faptul că la platforma software ,,COMSOL Multiphysics se pot adăuga și produse add-on din familia mare, COMSOL, ceea ce va crește gradul de specializare pentru modelările cu cerinţe particulare. Utilizatorul poate vedea ecuaţiile definind funcţiile de emulare a fenomenelor fizice numite aici ,,interfeţe și la nevoie le poate modifica de exemplu, alterând coeficienţi pentru o eventuală particularizare la cazul analizat . i apropo de parametrizare, reiterăm un aspect esenţial în soluţiile CAE integrate faptul că avem modelul geometric în același mediu cu funcţiile de simulare oferă posibilitatea aplicării imediate de ajustări dimensionale când se detectează probleme, dar asigură premise și pentru optimizări prin scenarii what-if sau pentru analize de variante constructive conceptuale .

emple de aplicări

Ne putem imagina o mulţime de situaţii din practica inginerească, din producţie sau chiar din viaţa civilă în care proiectarea simularea unui produs ar putea beneficia de o analiză multi-laterală eventual combinându-le pe cele cu care deja ne-am confruntat, fie acestea de rezistenţă mecanică structurală, de încălzire, de curgere a unor fluide, de fenomene electro-magnetice etc . eoretic, combinarea analizelor ar fi doar o chestiune de imaginaţie, însă în realitate lucrurile sunt adesea restricţionate de aspecte practice fezabilitate, necesitate, costuri, timp disponibil.

Din portofoliul COMSOL am ales u e e le e a lic ri e ti multi-physics, ilustrative nu atât prin performanţele interne complexitatea algoritmică fiind adesea ascunsă utilizatorului , cât mai ales prin întrepătrunderea domeniilor.

Începem cu modelarea unei surse de alimentare electric , care include circuite electrice și electronice, radiatoare de răcire prin conducţie și convecţie, ventilator pentru răcire forţată, carcasă. Desigur, abordarea clasică ar putea presupune o analiză structurală pentru palele elicei de ventilator pentru dimensionare sau pentru confirmarea rezistenţei mecanice la solicitările forţei centrifuge și la presiunea aerului și apoi o analiză CFD simularea fluxului pentru fluidul de răcire angrenat de ventilator . i separat analize pentru comportarea termică a pieselor care se încălzesc în timpul funcţionării, și eventual pentru interferenţele electromagnetice ale circuitelor. Ei bine, în ,,Model uilder se poate face o modelare holistică, care să cuprindă toate aspectele, spre o rezolvare convergentă și operativă a produsului. În plus, abordarea multi-physics poate revela și aspecte care altfel pot scăpa atenţiei modelării, precum forţele apărute prin dilatarea termică, sau modificarea proprietăţilor electrice datorată creșterii temperaturii. Un alt exemplu de simulare în câmp cuplat un sistem de lentile (un iectiv tic e ti etzval estinat s lucreze n c s s la presiuni și temperaturi foarte scăzute , și modelat printr-o analiză S OP structuralthermal-optical performance . Modelarea S OP presupune cuplarea a trei

fenomene:

n calcularea temperaturii folosind interfaţa funcţia ,,Heat ransfer in Solids sau altă funcţie de transfer al căldurii care implică atât încălzirea operaţională a unor componente interne, cât și radiaţia, convecţia sau conducţia termică din vecinătăţi; n elarea e r rii structurale la solicitările de greutate, dilatare, de presiune, de montaj folosind interfaţa funcţia ,,Solid Mechanics sau altă funcţie de fizica structurii ; n modelarea fasciculelor optice prin ,,Ray-tracing’’ algoritm folosit și la randarea modelelor D în software-urile CAD MCAD utilizând interfaţa funcţia ,, eometrical Optics sau add-on-ul ,,Ray Optics . Interfaţa ,, eometrical Optics este cea care urmărește razele de lumină pe măsură ce ele se reflectă și se refractă la trecerea prin componentele optice.

Condiţiile de lucru ale dispozitivului proiectat modelat presupun nu doar temperaturi extreme, ci și variaţii mari de temperatură, ceea ce implică deformări ale geometriei structurii prin dilatări contractări, cu efect nedorit și în modul de reflexie și de refracţie a razelor de lumină prin sistemul de lentile adică abateri de la direcţiile originare teoretice ale fluxurilor optice . În plus, indicele de refracţie folosit de interfaţa ,, eometrical Optics depinde atât de lungimea de undă a luminii cât și de temperatură, astfel că traseul razei de lumină este influenţat și direct de fenomenul termic.

Desigur, putem afla inclusiv de pe web-site-ul www.comsol.com despre multe analize de tip multiphysics, însă esenţialul este să înţelegem că abordarea deși poate că nu ajunge întotdeauna la profunzimea analizelor separate este tot mai accesibilă și mai practică. A