کامسول چیست؟ راهنمای کامل نرم افزار کامسول و کاربردهای آن

شبیه‌سازی کامپیوتری به یک بخش مهم علم و تحلیل کامپیوتری مهندسی قطعات تبدیل شده است. امروزه طیف گسترده‌ای از نرم افزارها برای شبیه‌سازی و مدلسازی در دسترس مهندسان و متخصصان می‌باشد. محققان از همه‌چیز، از زبان‌های برنامه‌نویسی پایه تا پکیج‌های سطح بالا که از روش‌های پیشرفته استفاده می‌کنند، برای مدلسازی و شبیه سازی شرایط مختلف بهره می‌برند. یک محیط شبیه‌سازی کامپیوتری، انتقال قوانین فیزیکی دنیای واقعی به شکل مجازی آنها می‌باشد. این مطلب که چه مقدار ساده‌سازی صورت گرفته می‌تواند دقت نتایج مدل را تعیین نماید.

ایده‌ال این است که تمام فیزیک‌هایی که در مدل شما مؤثرند اضافه گردند. اینجاست که اهمیت استفاده از نرم افزار کامسول (COMSOL) مشخص می‌شود. کامسول چیست؟ کامسول یک پلتفرم انعطاف‌پذیر است که اجازه می‌دهد حتی کاربران تازه‌کار تمام جنبه‌های فیزیکی مرتبط با طراحی‌شان را مدل نمایند. کاربران متخصص‌تر می‌توانند عمیق‌تر شوند و از دانش خود برای توسعه‌ی راه‌حل‌های ویژه که برای شرایط منحصر‌به‌فرد آنها قابل استفاده است، بهره ببرند. با این محیط مدل‌سازی که دربردارنده‌ی همه چیز است، کامسول به شما این اطمینان را می‌دهد که مدل‌تان را به دقت دنیای واقعی بسازید به همین دلیل انجام پروژه با کامسول برتریهایی در مقایسه با سایر نرم افزارها دارد. در این مقاله به بررسی جنبه‌های مختلف نرم افزار کامسول خواهیم پرداخت.

کامسول چیست؟

نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس (Comsol) ابزاری قدرتمند برای شبیه‌سازی بسیاری از پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی است که بر پایه روش حل عددی اجزا محدود (Finite Element Method) ، قابلیت حل معادلات دیفرانسیل را دارد و کاربران می‌توانند با استفاده از ماژول‌های موجود در این کامسول، بسیاری از فرآیندهای موجود در طبیعت را شبیه‌سازی کنند؛ در حال حاضر بسیاری از دانشگاه‌ها و شرکت‌های معتبر دنیا مانند NASA، General Electrics، Millipore و غیره، از نرم افزار کامسول جهت انجام پروژه‌های شخصی، صنعتی و تحقیقاتی خود استفاده می‌کنند.

نرم‌افزار کامسول مجموعه کامل شبیه‌سازی چند فیزیکی است که قادر به حل معادلات دیفرانسیل جزئی (PDE) و کامل (ODE) برای تحلیل و بررسی رفتار سیستم‌های خطی و غیر خطی به روش المان محدود (FEM) در فضاهای یک، دو و سه بعدی است. زمینه کاربردی این نرم‌افزار در حل انواع معادلات دیفرانسیل جفت شده، طراحی و شبیه سازی سامانه های فیزیکی، نانو فیزیکی، مهندسی برق، مهندسی مکانیک، علوم زمین، مهندسی شیمی، نجوم و بررسی سامانه‌های کوانتومی است. ساختار این نرم‌افزار به گونه‌ای است که می‌تواند شبیه‌سازی به شکل تک فیزیکی یا چند فیزیکی (با کوپل شدن دو یا چند فیزیک) برای شبیه‌سازی فرایند‌های مختلف و بررسی همزمان آثار آنها، انجام گردد.

علاوه بر موارد فوق، کامسول امکان تحلیل و شبیه‌سازی و بهینه‌سازی هر نوع ساختاری در قالب یک معادله دیفرانسیل دلخواه ریاضی یا فیزیکی (با انتخاب یک یا چند مدل فیزیکی) را به شکل وابسته به زمان، پایا و ویژه مقداری، به کاربر می‌دهد.

در کنار فیزیک‌های ارائه شده در نرم‌افزار کامسول، ماژول‌های دیگری نیز امکانات بیشتری در اختیار کاربر قرار می‌دهد. به عنوان مثال ماژول بهینه‌سازی (Optimization) برای بهینه‌سازی نتایج طراحی و شبیه‌سازی و بررسی میزان حساسیت نسبت به شرایط را می توان نام برد. ماژول ردیابی ذره (Particle Tracing) برای شبیه‌سازی مسیر حرکت سامانه‌های ذرات در سیالات یا تحت میدان‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. بعلاوه کتابخانه مواد کامسول به طور نسبی اطلاعات کاملی را از مواد در خود جای داده است که می‌توان در فیزیک‌های مورد شبیه‌سازی آن را بکار گرفت.

محیط طراحی کامسول امکان طراحی هندسه‌های ساده و پیچیده را به کاربر می‌دهد و امکان تعریف توابع و عملیات مختلف ریاضی در آن وجود دارد. در کامسول نتایج را می‌توان به شکل‌های دلخواه و در هندسه‌های گوناگون رسم نمود. با اینحال کامسول جهت سهولت در طراحی و شبیه‌سازی از رابط‌های مختلفی بهره برده است که می‌توان به مواردی مانند ارتباط (Live Link) با متلب (MATLAB)، اکسل (Excel)، اتوکد (AutoCAD)، سالیدورک (SolidWorks)، سالید اج (Solid Edge)، رویت (Revit)، کتیا (CATIA) و اینونتور(Inventor) اشاره کرد. علاوه بر این قابلیت‌ها، کامسول قابلیت نصب بر روی ابررایانه به عنوان سرور را دارد که امکان اتصال کاربران به سرور از طریق شبکه به شکل گرافیکی یا متنی وجود دارد.

این نرم افزار دارای تحلیلگر مدرن است که مشکلات پیچیده را به سرعت و با دقت رفع می‌کند، در حالی که از نظر ساختار بصری به منظور سهولت در استفاده، بسیار انعطاف پذیر طراحی شده است.

تاریخچه نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس

در سال ۱۹۸۶، اسوانت لیت مارک (Svante Littmarck) که در آن زمان دانشجوی دکترا در زمینه ی آنالیز عددی و علوم کامپیوتری در مؤسسه سلطنتی فناوری استکهلم سوئد (KTH) بود، به همراه هم دانشگاهی ایرانی خود به نام فرهاد سعیدی شروع به دریافت و انجام سفارشات برنامه نویسی نمودند.

آنها پس از مدتی اقدام به تاسیس شرکت، بازاریابی و فروش تولیدات خود در زمینه ی آنالیز عددی گرفتند. عقد قرارداد با شرکت آمریکایی MathWorks (شرکت صاحب امتیاز نرم افزار متلب) سبب شکوفایی و توسعه ی شرکت آنها گردید. پس از اتمام همکاری با شرکت Mathwork، اسوانت و سعیدی تصمیم گرفتند که سود عاید از قرارداد های قبلی خود را در زمینه ی توسعه ی محصول نرم افزاری به نام FEMLAB سرمایه گذاری کنند. این طرح با موفقیت رو به رو شد و FEMLAB توانست جایگاه خوبی در میان سایر نرم افزارهای حل عددی پیدا کند. امروزه دفتر اصلی شرکت در استکهلم سوئد واقع گردیده و در کشورهایی نظیر امریکا و هند نیز دارای نمایندگی فروش و توسعه است.

از سال ۲۰۰۵، نام FEMLAB به COMSOL Multiphysics تغییر داده شد. در حال حاضر کاربرد این نرم افزار با سرعت چشم‌گیری در میان طرفداران تکنولوژی‌های سطح بالا (High Tech) در حال گسترش بوده و دانشگاه‌های معتبری نظیر استنفورد و MIT از این محصول در آزمایشگاه های خود استفاده می‌کنند. هم چنین بزرگ ترین مشتری تجاری این نرم افزار سازمان فضایی امریکا (NASA) می باشد. از دیگر مشتریان مطرح کامسول می توان به شرکت های General Electrics و شرکت Millipore اشاره نمود. شرکت General Electrics از این نرم افزار جهت طراحی و شبیه سازی باتری های هیبریدی و شرکت Millipore به منظور توسعه محصولات بیوتکنولوژی خود از این محصول استفاده می کنند.

1986	تاسیس شرکت
1998	انتشار FEMLAB
2005	تغییر نام به کامسول مولتی فیزیکس
2014	انتشار نسخه ۵ کامسول به همراه اپلیکیشن ساز و انتشار نسخه سرور نرم افزار
2018	انتشار کامپایلر کامسول

مزایای نرم افزار کامسول

شاخص‌ترین قابلیت نرم‌افزار کامسول، قابلیت چند فیزیکی (Multi physics) آن است که در آن کاربرد می‌تواند در یک محیط کاری، چندین پدیده‌ را با یکدیگر بررسی کرده و بین آنها ارتباط (Link) برقرار کند. همچنین در کامسول تمام مراحل سه‌گانه شبیه‌سازی یعنی پیش‌پردازش (Preprocessing)، پردازش (Processing) و پس‌پردازش (Post processing)، همگی در محیط نرم‌افزار انجام می‌گیرد و نیازی به نرم‌افزارهای جانبی نیست.

البته در صورت نیاز، میتوان از قابلیت ارتباط همزمان (Live Link) نرم افزار کامسول با بسیاری از نرم افزارها مانند: اکسل، اتوکد، متلب، سالیدورکس، سالید اج، کتیا، اینورتر و رویت استفاده نمود که به هنگام نصب نرم افزار در صورت موجود بودن نرم افزارهای ذکرشده روی سیستم شما، پلاگین‌های (plug in) نرم افزار به صورت خودکار در نرم افزارهای مقصد بارگذاری می شود. مجموعه‌ای از این خصوصیات و موارد دیگر، باعث برتری این نرم‌افزار نسبت به نرم‌افزارهای مشابه گردیده که لزوم یادگیری و استفاده از آن را برای انجام پروژه های تخصصی و مهندسی بیان می‌کند.

بطور کلی مزایای نرم افزار کامسول را بصورت زیر میتوان بیان نمود:

• امکان به اشتراک‌گذاری شبیه‌سازی در قالب برنامه‌ها با افرادی که در زمینه تجزیه و تحلیل عددی متخصص نیستند.
• محیط کار آسان و کاربردی
• روند طراحی سریعتر
• بستر واحد برای همه ترکیبات فیزیکی همراه
• تولید برنامه‌های شبیه‌سازی آسان جهت استفاده تمامی افراد سازمان
• الگوریتم‌هایی با عملکرد بالا و الگوریتم‌های عددی
• حل کننده‌های پیشرفته‌ای که می توانند مشکلات پیچیده را به سرعت و با دقت حل میکنند.
• تعداد زیادی ابزار و قابلیت پردازش جدید پس از پردازش قبلی
• ابزارهای توسعه و استقرار برنامه ها

تفاوت کامسول با متلب

کامسول نرم افزار بسیار کاربردی برای دانشجویان و محققان حوزه های مرتبط به مخابرات میدان و نوری و فیزیک می باشد. این نرم افزار همانند متلب قابلیت شبیه سازی مسائل مختلف و گسترده ای را دارد؛ با این حال مزیت بزرگ انجام پروژه با کامسول نسبت به انجام پروژه با متلب این است که برخلاف متلب، کار با نرم افزار کامسول نیاز به کدنویسی را به حداقل می رساند و با کار در یک محیط گرافیکی می توان پروژه های مهندسی و علمی مختلفی را شبیه سازی نمود.

قابلیت‌های کلیدی نرم‌افزار COMSOL

• طراحی و شبیه‌ سازی پروژه ‌های مهندسی برق، مکانیک، علوم زمین، شیمی، فیزیک، نجوم و کوانتوم به کمک نرم افزار کامسول
• حل معادلات دیفرانسیل سیستم‌ های غیرخطی توسط مشتق‌ های جزئی روش المان محدود در فضا های یک، دو و سه بعدی
• امکان شبیه سازی در حضور میدان‌ های الکترومغناطیسی، کشش، دینامیک سیالات و دینامیک گاز
• امکان مدل سازی و شبیه سازی پدیده های مختلف فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی و سیالاتی
• امکان تعامل با نرم‌افزارهای مهندسی دیگر مانند کتیا و متلب و سالیدورکس و اینونتور و اکسل و…
• دارای کتابخانه مواد و اطلاعات کاملی از خواص مواد
• وجود ماژول های مختلف در نرم افزار کامسول برای مدل سازی و شبیه سازی آسان پدیده های مختلف طبیعی

ماژول‌های نرم‌افزار کامسول مولتی‌فیزیکس

نرم افزار COMSOL Multiphysics همه منظوره بوده و با استفاده از روش‌های حل عددی پیشرفته اقدام به مدل‌سازی و شبیه سازی مسائل فیزیک محور می کند. با استفاده از این نرم افزار شما قادر خواهید بود که پدیده های شامل چند فیزیک و یا پدیده¬های جفت شده به هم (coupled) رابه کمک بیش از ۳۰ ماژول موجود در این نرم افزار تحلیل کنید.

ماژول‌های نرم‌افزار کامسول مولتی‌فیزیکس به شش بخش کلی Multipurpose ،Chemical،Fluid ،Mechanical ،Electrical و Interfacing تقسیم می‌شوند.
Electrical
• AC/DC Module
• RF Module
• Wave Optics Module
• Ray Optics Module
• MEMS Module
• Plasma Module
• Semiconductor Module
Mechanical
• Heat Transfer Module
• Structural Mechanics Module
• Nonlinear Structural Materials Module
• Geomechanics Module
• Fatigue Module
• Multibody Dynamics Module
• Acoustics Module
Fluid
• CFD Module
• Mixer Module
• Microfluidics Module
• Subsurface Flow Module
• Pipe Flow Module
• Molecular Flow Module
Chemical
• Chemical Reaction Engineering Module
• Batteries & Fuel Cells Module
• Electrodeposition Module
• Corrosion Module
• Electrochemistry Module
Multipurpose
• Optimization Module
• Material Library
• Particle Tracing Module
Interfacing
• LiveLink for MATLAB
• CAD Import Module
• ECAD Import Module
• LiveLink for Inventor
• LiveLink for Revit
• LiveLink for PTC Pro/ENGINEER
• File Import for CATIA V5
• LiveLink for Excel
• Design Module
• LiveLink for SolidWorks
• LiveLink for AutoCAD
• LiveLink for PTC Creo Parametric
• LiveLink for Solid Edge

به روزرسانی های عمومی نرم افزار COMSOL Multiphysics

1. ابزار طراحی جدید برای ایجاد آسان تر نقشه های ۲ بعدی
2. ابعاد و محدودیت های طراحی با ماژول
3. قرار گیری ایمن گره های مرتبط برای مشبک سازی
4. ابزارهای جدید برای ویرایش تولید افزودنی، چاپ سه بعدی و قالب های اسکن سه بعدی
5. واردات و صادرات PLY و ۳MF
6. فهرست متن در پنجره Graphics
7. گزینه فعال شده را می توان برای کادر انتخاب، کادر انتخاب غیرفعال و کادر بزرگ نمایی نگه دارید
8. نوار ابزار Graphics را سفارشی کنید
9. پیشرفت های عملکرد برای محاسبات خوشه ای
10. گرادیان‌های سفارشی بین دو رنگ در پس زمینه های رنگی
11. حرکت نقاط موجود در پس زمینه های رنگی
12. صادر نمودن مستقیم تصاویر به برنامه پاورپوینت
13. افزودنی‌های دلخواه خود جهت شخصی‌سازی گردش کار Model Builder
14. حداقل سازی پرونده های مستقل با COMSOL کامپایلر

امکانات بخش جریان سیال و انتقال حرارت در کامسول مولتی فیزیک

• محصول جدید: ماژول جریان رسانه ای متخلخل
• محصول جدید: ماژول پردازش فلز
• معادلات مداری سیستم های حرارتی محدود
• باندهای طیفی متعدد در معرض تابش رسانه های شرکت کننده
• شبیه سازی گرد و غبار غیر گرمایی بزرگ(LES)
• فشرده سازی جریان اویلر
• جریان حبابی اویلر به شکل مجموعه سطح و مدل میدان فاز برای جریان در ماشین های چرخشی
• جریان ویسکوالاستیسیته
• تعداد دلخواه مراحل پراکنده

امکانات بخش الکترومغناطیس

• پوسته های پیزوالکتریک(اثر فشار برقی) و دی الکتریک
• ویژگی جدید نیروی لورنتز (الکترومغناطیس)
• پورت‌های مستقیم TEM از طریق شبیه سازی برد مدار چاپی
• پارامترهای حالت مخلوط
• ویژگی جدید محاسبه نرخ جذب ویژه(SAR)
• شرایط مرزی همسان و پراکنده برای پرتوهای گاوسی
• متغیرهای پورت دوره ای برای تعیین قطب
• الکترومغناطیس موج کامل جهت جفت شدن پرتوهای نوری
• محاسبه نمودار خودکار نقطه
• محاسبه عملکرد توزیع انرژی الکترون(EEDF) در مشکلات وابسته به فضا
• رابط تخلیه Corona برای مدل سازی رسوبات الکترواستاتیک
• رابط کاربری تشخیص خرابی الکتریکی برای پیش بینی اینکه آیا خرابی الکتریکی رخ خواهد داد یا خیر.

امکانات بخش مکانیک های ساختاری و آکوستیک ها

• تماس مکانیکی پوسته ها، کامپوزیت ها و غشاها
• پلاستیک و سایر مدل های مواد غیرخطی برای پوسته ها و کامپوزیت ها
• رابط های مکانیکی لوله جدید
• پوسته های پیزوالکتریک و دی الکتریک با ماژول AC / DC
• تجزیه و تحلیل لرزش تصادفی
• تعامل مایع با ساختار غیر غیر گرمایی(FSI)
• تجزیه و تحلیل موج خطی سریع الاستیک با اتصال ساختار مایع
• پورت برای تجزیه و تحلیل آکوستیک گرماسوز
• لوله‌های جفتی آکوستیک ۳D – 1D
• تعامل ساختاری-آکوستیک برای پوسته‌های کامپوزیت
• نقشه‌برداری صاف برای استفاده از نتایج CFD در هاله هوایی

امکانات بخش شیمیایی در نرم افزار کامسول مولتی فیزیک

• ایجاد مواد و رابط های شیمی از پایگاه داده ترمودینامیک
• واکنش های الکتروشیمیایی در رابط شیمی
• توزیع فعلی در لوله ها
• ویژگی‌های اتصال کوتاه از پیش تعریف شده برای شبیه‌سازی باتری توده

امکانات بخش بهينه سازی

• ابزارهای داخلی برای بهینه سازی شکل
• بهینه‌سازی شکل در پوسته
• مدل‌های هندسه صاف از نتایج بهینه سازی توپولوژی
• فواصل اطمینان جهت برآورد پارامتر
• ردیابی ذرات در نرم افزار کامسول
• برنامه‌های افزودنی به نیروهای داخلی جهت ردیابی ذرات جریان سیال از جمله نیروهای گرادیان جرم و فشار مجازی
• کاهش زمان محاسبه در بیش از ۵۰٪ برخی از مدل های ردیابی ذرات