Интеграция COMSOL Multiphysics® в Цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®
COMSOL Multiphysics® – программное обеспечение, предназначенное для моделирования конструкций, устройств и процессов во всех областях инженерных, производственных и научных исследований. С помощью платформы COMSOL Multiphysics® можно анализировать как отдельные, так и взаимосвязанные физические процессы. Среда разработки моделей (в англ. Model Builder) позволяет пройти все этапы от построения геометрической модели, задания свойств материалов и описания физики задачи до выполнения расчёта и анализа полученных результатов моделирования.
Модули расширения COMSOL Multiphysics® содержат специальные функции для моделирования электромагнитных и акустических полей, расчёта напряженно-деформированного состояния твёрдых тел, численного анализа гидродинамических, теплообменных и химических процессов. Модули интеграции обеспечивают совместную работу со сторонними CAD-системами и другими программами. Все модули COMSOL Multiphysics® функционируют как единое целое вне зависимости от того, какие физические явления моделируются.
Интеграция решателя COMSOL Multiphysics® 6.1 в разработку экосистемы технологического развития СПбПУ Петра Великого, Цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench® (далее - "ЦП CML-Bench®") выполнена на основе исследовательской задачи по разработке технологии индукционной плавки золота для ювелирной промышленности в двухмерной осесимметричной и трехмерной постановках.
Технологический процесс индукционной плавки металлов представляет собой решение мультифизической задачи, включающей в себя в базовой постановке описание магнитной и тепловой задач. Для повышения адекватности разрабатываемой модели к описанию процессов возможно подключение вычислительной газовой динамики для описания конвективного теплоотвода и/или гидродинамики для моделирования перемешивания расплава (учет эффекта Марангони).
Решение задач по определению распределения магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности, в программной платформе COMSOL Multiphysics® в низкочастотной области осуществляется с помощью физического интерфейса «Magnetic Fields» модуля «AC/DC». При этом катушка индуктивности (индуктор) может быть представлена как в виде явных витков, так и с приблизительно эквивалентной (гомогенизированной) геометрией.
Решение тепловой задачи представляет собой решение уравнения теплового баланса, в состав которого входят все механизмы теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Решение подобного рода задач в COMSOL Multiphysics® реализовано с помощью физического интерфейса «Heat Transfer in Solids», при этом теплообмен за счет механизма конвекции задается через «Fluid» и выбор соответствующих частей расчетной области, являющихся жидкостью/газом. Излучение с поверхности может быть задано с помощью граничного условия «Surface-to-Surface Radiation» и выборов соответствующих внешних границ каждого компонента. В промышленных индукционных печах охлаждение индуктора осуществляется за счет циркуляции воды. На каждом витке объемные конвективные потери можно рассчитать, зная массовый расход жидкости, удельную теплоемкость воды, входную температуру воды и внутренний радиус катушки. Полученное значение (выражение) мощности можно задать в качестве удельных объемных потерь в элементах расчетной области, соответствующих домену воды.
Моделирование циркуляции воздушных масс реализуется с помощью физического интерфейса «Laminar Flow» модуля «CFD» («Вычислительная гидродинамика»). При этом имеются три варианта определения свойств среды:
- Сompressible flow (Сжимаемый поток для числа Маха меньше 0,3)
- Weakly compressible flow (Слабосжимаемый поток)
- Incompressible flow (Несжимаемый поток)
Взаимосвязь между рассмотренными физическими интерфейсами осуществляется с помощью интерфейса мультифизики.
При моделировании электромагнитных процессов важно убедиться, что условие изоляции расположено на достаточном расстоянии и не влияет на решение задачи.
Для этой цели удобно использовать область Infinite Elements (Бесконечные элементы), которую можно задать через узел Definition (Определение) компонента. Этот метод масштабирует систему координат в специальном "виртуальном" слое, которым окружаются физические области моделирования, и таким образом становится возможным ограничить область моделирования и размер задачи.
Решение междисциплинарных задач с корректно поставленными граничными и начальными условиями и верно подобранной численной схемой может не сойтись из-за грубой или неверной расчетной сетки. Поэтому определение оптимальных параметров расчетной сетки является одной из ключевых задач при численном моделировании физических процессов. Таким образом, расчетная сетка нелинейной нестационарной конечно-элементной задачи напрямую связана с вопросом сходимости решения. Кроме того, при решении электромагнитных задач необходимо корректно задавать толщину скин-слоя, чем выше частота, тем тоньше скин-слой. С точки зрения численного моделирования это означает, что сетка должна иметь более высокое разрешение, чтобы обеспечить точный расчет для каждого проводящего материала.
Расчет выполнен с использованием цифровой платформы CML-Bench®, позволяющей автоматизировать процесс работы с инженерными вычислениями и осуществлять администрирование инженерной деятельности, в том числе организовывать совместную работу над проектом нескольких инженеров, что существенно повышает эффективность процесса разработки. ЦП CML-Bench® относится к классу Simulation Processes and Data Management (SPDM) систем и позволяет управлять расчетными моделями, определять очередь и приоритет запуска задач на расчет.
Процесс разработки и отладки модели осуществляется на локальном компьютере пользователя с использованием графического интерфейса программного обеспечения. По окончании отладки, построения расчетной сетки и выбора типа исследования полученная компьютерная модель сохраняется в формате . Данный файл является исполнительным файлом для запуска расчета на ЦП CML-Bench®. ЦП CML-Bench® представляет собой клиент-серверное веб-приложение, позволяющее удаленно управлять моделью.
После запуска на расчет, по его окончании, формируется раздел основных, который может включать в себя анимации, изображения, графики функций, презентации и базы данных.
Одним из основных результатов является визуализация фазового перехода в процессе нагрева, позволяющая идентифицировать время полного расплавления загрузки.
Таким образом, программная платформа COMSOL Multiphysics®, представляющая собой мощный математический инструмент мультифизического моделирования, является одним из лидеров среди разработчиков программного обеспечения для математического моделирования, а его интеграция с ЦП CML-Bench® позволяет решать фронтирные инженерные задачи и создавать глобально конкурентоспособную продукцию в кратчайшие сроки.
