集成材料和工藝模擬與仿真平臺

在眾多材料和工藝仿真方面的軟件中，COMSOL Multiphysics以其多物理場耦合方面的優(yōu)勢和靈活的外部應用程序接口(API)，使得COMSOL Multiphysics在多物理場求解方面展現(xiàn)出了非凡的解決問題的能力。中山大學黃智恒教授一直致力于集成材料/工藝模擬與仿真方面的研究，最近黃教授巧妙地將材料熱力學計算軟件MTDATA以及科學計算軟件MATLAB，成功地應用到了COMSOL Multiphysics多物理場耦合計算中，解決了一系列材料動力學問題，在此基礎上構(gòu)建了以COMSOL Multiphysics 為核心的集成材料與工藝仿真平臺。

　　一、COMSOL Multiphysics與MATLAB的接口

　　COMSOL Multiphysics提供了與MATLAB的完美接口—— LiveLink for MATLAB。在整體環(huán)境下，用戶可以像在MATLAB中那樣保存和運行文件，為用戶使用其他建模方法自由地對基于模型的偏微分方程、模擬運算和結(jié)果分析進行整合提供了方便。

　　運行COMSOL with MALTAB模式，不但可以讓COMSOL Multiphysics調(diào)用MALTAB內(nèi)核及其所包含的所有工具箱，更能夠使用命令行的形式操作物理模型，如圖1所示。

　　二、COMSOL Multiphysics與MTDATA的接口

　　由于COMSOL Multiphysics與MATLAB的無縫鏈接，任何一個COMSOL Multiphysics創(chuàng)建的模型(.mph文件)都可以保存為MATLAB m文件，并在MATLAB環(huán)境中運行。所以，MATLAB與 MTDATA的接口可以應用于COMSOL Multiphysics中。需要注意的是，COMSOL Multiphysics模型在調(diào)用MTDATA DLL中的函數(shù)和子程序時，只需被載入(load)一次。如果MTDATA DLL已經(jīng)被載 入內(nèi)存中，而再次重復載入時就會提示鏈接錯誤。

　　COMSOL Multiphysics與MTDATA、MATLAB三種軟件之間的鏈接機制，如圖2所示。

焊料組分和尺寸效應對銅焊點溶解的影響，如圖5所示。

　　以Cu-Sn兩元素四相(Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn以及Cu)系統(tǒng)為例，首先在COMSOL Multiphysics中創(chuàng)建有限元幾何模型和劃分網(wǎng)格，如圖3所示。

　　擴散方程通過COMSOL Multiphysics中的PDE模式的一般形式(General From)進行定義和求解?；瘜W勢與摩爾體積利用MATLAB與MTDATA的接口進行計算，從而求解動力學過程圖。在浸焊過程中，銅溶解動力學過程仿真結(jié)果，如圖4所示。

　　利用COMSOL Multiphysics模擬的材料晶體生長過程，如圖6所示。 界面微結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果，如圖7所示。

　　相場晶體模型模擬結(jié)果，如圖8所示。

　　四、COMSOL Multiphysics靈活的API

　　COMSOL Multiphysics是一款業(yè)界領先的科學仿真軟件，主要是利用偏微分方程來對系統(tǒng)建模和仿真。它的特別之處在于它的多物理場耦合處理能力。從事專業(yè)科學研究的科研人員也可以開發(fā)具有專業(yè)用戶界面和方程設置的附加模塊。現(xiàn)在，已經(jīng)有的模塊包括化工、地球科學、電磁場、熱傳導、微機電系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)力學等模塊。軟件可以在多種操作系統(tǒng)上使用，包括Windows、Linux、Solaris和HP-UX等系統(tǒng)。其他可選軟件包有CAD輸入模塊以及COMSOL化學反應工程實驗室等。