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COMSOL総合カタログ - 計測エンジニアリングシステム

が提供する
有限要素法マルチフィジックス解析ソフト
COMSOL総合カタログ
Version 5.2
計測エンジニアリングシステム株式会社
本カタログについて
このカタログは 計測エンジニアリングシステム(KESCO)が提供する、COMSOL MultiphysicsおよびCOMSOL Serverに関する総合
カタログです。
基本モジュールおよび各オプションモジュールを選択するために必要な機能概要、仕様、できるだけ多くの事例が紹介されています。
さらに詳細な製品情報やユーザ事例などをご希望の際は、下記までお気軽にお問い合わせください。
問い合わせ先
社名
住所
計測エンジニアリングシステム株式会社
〒101-0047 東京都千代田区内神田1-9-5
電話番号
FAX番号
E-mail
井門内神田ビル 4F
03-5282-7040
03-5282-0808
[email protected]
地図
COMSOL Multiphysi
・ 圧倒的に多い対応フィジックス
・ 無制限の組合せによる完全連成が可能
・ 化学反応との連成で、
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詳細は p.31～「II. オプションモジュール」
COMSOL Multiphysicsは
・ 洗練されたGUIを使ったモデル構築が可能です
・ 設定した内容が全て、偏微分方程式として表現されます
ブラックボックス化されることは一切ありません
は方程式が見える！書ける！
詳細は p.15「I. COMSOL Multiphysics」
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MATLABアドオンから発展したCOMSOL Multiphysicsなので複雑なモデル構築
にも対応できます
・ 最新論文を即再現できる
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・ Windows専用のApplication Builder機能を使えば誰にでも使いやすいアプリケーションモデルとして作り替えできます
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詳細は p.27「I-6 Application Builder」
無料
COMSOLの各種セミナーを東京、名古屋、大阪で定期開催しています。
専門コースを含め全て無料ですので、ぜひご参加ください。
入門コース
COMSOL Multiphysicsの概要、基本的な使い方、単独フィジックス解析、複数フィジックス連成解析の基本的事項を習得を目的として
います。
Application Builderハンズオン
Application Builderを使った基本～本格的なアプリの作成をハンズオン形式で実習します。充実したテキストも好評です。
初級・中級コース
本格的な形状モデリング、メッシュ作成、利用上での諸事項について解説いたします。特に中級では、効率的に精密なデータを得られる
COMSOL特有の手法をご紹介しております。
レッツトライコース
入門コースではカバーできなかった個別分野の解析モデリングの流れを簡単な例題で説明します。機能紹介を目的としていますので、
入門コースレベルの基本操作内容を理解されていることが望ましいです。
(理論まで踏み込んだ内容を希望される方は、専門コースをご受講ください)
専門コース
各専門分野コースの理論概要、解析概要、利用上のポイントの習得を目的としています。COMSOLをお使いの方を主体としております
ので、基本的な操作説明は行っておりません。
これからご導入をご検討の方は、入門・初級・中級コースも併せてご検討ください。
専門コースに限り、国内のサブスクリプションユーザ様のみ対象です。
下記から最新セミナー情報をご確認ください！
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トライアルライセンス
無料
有効期間30日間の無料トライアルライセンスを発行しております。
トライアルライセンスでは全機能を評価できますので、お気軽にお申し込みください。
・ 30日間無料
・ 全モジュール付属
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I. COMSOL Multiphysics
物理学に基づいたモデリングとシミュレーションの プラットフォーム
III. COMSOL Server
シミュレーションアプリを配布、管理、実行するためのプラットフォーム
II-1・ 電磁気・光学系
・ 電場、磁場、電磁場、光学MEMS
・ 領域での各種解析、
プラズマ解析、
・ 半導体解析
II-4・ 化学系
II-3・ 流体系
II-5・ 汎用
最適化計算
様々な材料物性のデータベース
粒子トレーシングによるポスト処理の拡張
II-2・ 機械・構造系
・ 伝熱、構造力学、非線形構造材料、
・ ジオメカニクス、疲労解析、マルチ
・ ボディダイナミクス、音響解析
II-6・ インタフェース
・ MATLAB、Excel、主要3D CAD
・ との連携モジュール
目次
I. COMSOL Multiphysics・ ・・・・・・・・・・・・・・・・ 16
II-4 化学系・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 103
I-1 概要紹介・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 16
II-4-1・ 化学反応工学モジュール・ ・・・・・・・・・ 104
I-2 モジュール導入の目安・・・・・・・・・・・・・・・ 19
II-4-2・ バッテリ&燃料電池モジュール・ ・・・・・・・ 108
I-3 事例紹介・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 20
II-4-3・ 電気めっきモジュール・ ・・・・・・・・・・ 112
I-4 仕様表、CAD仕様表・ ・・・・・・・・・・・・・・・ 22
II-4-4・ 腐食モジュール・ ・・・・・・・・・・・・・ 116
I-5 動作環境・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 25
II-4-5・ 電気化学モジュール・ ・・・・・・・・・・・ 119
I-6 Application Builder・ ・・・・・・・・・・・・・・・ 27
II-5 汎用・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 123
I-7 ライセンス形態・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 30
II-5-1・ 最適化モジュール・ ・・・・・・・・・・・・ 124
II. オプションモジュール・ ・・・・・・・・・・・・・・・・ 31
II-5-2・ 材料ライブラリ・ ・・・・・・・・・・・・・ 127
II-1 電磁気・光学系・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31
II-5-3・ 粒子トレーシングモジュール・・・・・・・・・ 128
II-1-1・ AC/DCモジュール・ ・・・・・・・・・・・・・ 32
II-6 インタフェース・ ・・・・・・・・・・・・・・・・ 131
II-1-2・ RFモジュール・ ・・・・・・・・・・・・・・・ 35
II-6-1・ LiveLink™ for MATLAB®・・・・・・・・・・・ 132
II-1-3・ 波動光学モジュール・ ・・・・・・・・・・・・ 39
II-6-2・ LiveLink™ for Excel®・ ・・・・・・・・・・・ 134
II-1-4・ 光線光学モジュール・ ・・・・・・・・・・・・ 42
II-6-3・ CADインポートモジュール・・・・・・・・・・ 135
II-1-5・ MEMSモジュール・ ・・・・・・・・・・・・・ 45
II-6-4・ デザインモジュール・ ・・・・・・・・・・・ 138
II-1-6・ プラズマモジュール・ ・・・・・・・・・・・・ 49
II-6-5・ ECADインポートモジュール・ ・・・・・・・・ 140
II-1-7・ 半導体モジュール・ ・・・・・・・・・・・・・ 52
II-6-6・ LiveLink™ for SOLIDWORKS®・ ・・・・・・・ 142
II-2 機械・構造系・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 57
II-6-7・ LiveLink™ for Inventor®・・・・・・・・・・・ 145
II-2-1・ 伝熱モジュール・ ・・・・・・・・・・・・・・ 58
II-6-8・ LiveLink™ for AutoCAD®・ ・・・・・・・・・ 148
II-2-2・ 構造力学モジュール・ ・・・・・・・・・・・・ 61
II-6-9・ LiveLink™ for Revit®・ ・・・・・・・・・・・ 151
II-2-3・ 非線形構造材料モジュール・ ・・・・・・・・・ 64
II-6-10・ LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™・ ・・・ 153
II-2-4・ ジオメカニクスモジュール・・・・・・・・・・・ 67
II-6-11・ LiveLink™ for PTC® Pro/ENGINEER®・・・・・・ 156
II-2-5・ 疲労モジュール・ ・・・・・・・・・・・・・・ 69
II-6-12・ LiveLink™ for Solid Edge®・・・・・・・・・・ 159
II-2-6・ マルチボディダイナミクスモジュール・ ・・・・・ 71
II-6-13・ File Import for CATIA® V5・・・・・・・・・・ 162
II-2-7・ 音響モジュール・ ・・・・・・・・・・・・・・ 75
II-6-14・ 各モジュールの動作環境・ ・・・・・・・・・ 163
II-3 流体系・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 79
III. COMSOL Server・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 165
II-3-1・ CFDモジュール・ ・・・・・・・・・・・・・・ 80
III-1 概要紹介・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 166
II-3-2・ ミキサーモジュール・ ・・・・・・・・・・・・ 85
III-2 動作環境・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 167
II-3-3・ マイクロフルイディクスモジュール・ ・・・・・・ 88
III-3 ライセンス形態・ ・・・・・・・・・・・・・・・ 169
II-3-4・ 地下水流モジュール・ ・・・・・・・・・・・・ 92
II-3-5・ パイプ流れモジュール・ ・・・・・・・・・・・ 95
II-3-6・ 分子流モジュール・ ・・・・・・・・・・・・・ 98
COMSOL, COMSOL Multiphysics, Capture the Concept, COMSOL Desktop, COMSOL Server, LiveLinkはCOMSOL ABの商標または登録商標です。MATLAB
は The MathWorks, Inc の登録商標です。Microsoft、Excelおよび Windowsは、
アメリカおよびその他の国々のマイクロソフト社の登録商標です。SolidWorks は
Dassault Systèmes SolidWorks Corp の登録商標です。AutoCAD、Inventor、および Revit は、
アメリカおよびその他の国々における Autodesk, Inc.、子会社、系
列会社のすべてまたはいずれかの登録商標です。PTC、Creo Parametricおよび Pro/ENGINEERはPTC社または、
アメリカおよびその他の国々の子会社の登録商
標です。Solid Edgeは、
アメリカおよびその他の国々における Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. またはその子会社の商標または登録商標
です。CATIAは、
ダッソー・システムズ（DassaultSystèmes）
もしくはダッソー・システムズの子会社のアメリカおよびその他の国における登録商標です。
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
COMSOL Multiphysics
I. COMSOL Multiphysics
I-1 概要紹介
I-2 モジュール導入の目安
I-3 事例紹介
I-4 仕様表、CAD仕様表
I-5 動作環境
I-6 Application Builder
I-7 ライセンス形態
15
COMSOL Multiphysics
I. COMSOL Multiphysics
I-1
概要紹介
特徴
・ プリ機能(ジオメトリ作成、材料物性定義、
メッシュ作成)、
ソルバ機能、ポスト機能を全て備えた統合シミュレーション環境
無制限、強連成、マルチフィジックス解析
・ また解析設定は全て偏微分方程式や常微分方程式として表現され、
自由に閲覧・編集が可能
・ 有限要素法をベースとして電磁界、構造、流体、化学反応など幅広い物理分野に対応したシミュレーションツール
・
・ (一部に有限体積法、ビーム伝搬法)
さらに既存物理との連成可能
・ 支配方程式を元にユーザ定義PDEを自在に構築可能、
・ 全ライセンスでSMPによるマルチコア計算実行が可能(コア数無制限)
・ FNLライセンスでDMPによるクラスタ/クラウド計算が可能、
また1ライセンスで利用できるノード数は無制限
・ バッチジョブ実行が可能
・
Javaファイル出力、MATLAB m-ファイル出力が可能
⇒ Java開発環境でシステム開発、MATLAB連携が可能
GUI概要
プリ、
ソルバ、ポスト機能を全て備えた統合シミュレーション環境。
形状作成、材料物性設定、物理インタフェース設定、PDEモデリング、
メッシュ生成、可視化を全て搭載。
複雑な連成解析の設定も、分かりやすく作成・編集・計算実行が可能。
ジオメトリ作成、CADインポート
3Dジオメトリカーネルとして業界標準のParasolidを採用。
メッシング
四面体メッシュ、六面体メッシュ、境界層メッシュ、スイープメッシュ
Solid Worksと同一カーネルなので、基本パッケージのみで3Dジオ など豊富なメッシュ法をツリー形式で使用可能。
メトリ作成が可能。パーツライブラリで複雑なパラメトリックパーツ またALEやアダプティブメッシュなども簡単に利用できます。
を再利用可能。更にデザインモジュールを導入することでフィレット、
中立面作成などが利用でき、詳細な3Dモデリング可能。
CADインポートモジュールなどによる各種主要3D CADデータのイン
ポートや、各種LiveLink製品によるCADとの同期読込が可能。
COMSOL Multiphysicsで対応
ジオメトリ
・ STLの入出力
・ VRML(v1)の入力
・ DXF(2Dのみ)の出力
メッシュ
・ NASTRANメッシュの入出力
・ STLメッシュの入出力
・ VRML(v1)メッシュの入力
16
※その他は別途CADインポートなどが必要
変数設定
ライブラリから材料を選択することで、簡単に設定可能。
全ての入力フィールドで従属変数や時間変数を用いた演算子利用、
関数参照や異方性材料など自在にカスタマイズも可能です。
数式、導関数などを自由に設定することが可能。関数として外部呼び
また材料ライブラリ導入で2500種類以上の各物理の材料データが 出しも自在に可能です。
利用できます。
COMSOL Multiphysics
材料物性
ポスト処理(1D、2D、3D、
レポート機能)
グラフ表示
3Dコンター図表示
3D等値面図表示
グラフ形式、
表形式での出力
極座標表示
3Dコンター・流線・アロー表示
連成解析設定
レポート作成機能
(Microsoft Word / HTML形式で詳細レポートが出力可能)
アプリケーションライブラリ / ドキュメント/ヘルプ
マルチフィジックスノードや各物理インタフェースで連成解析を設定。
またソルバ設定により、細かなソルバ調整も可能。
各モジュール毎に数十件の 各 モ ジュー ル 毎 に ユ ー ザ F1キーを押すと編集
サンプルと詳細PDFドキュ ガイドや理論、
リファレンス 中 の 操 作 に 関 す る
メントが同梱
が同梱(英語表記のみ)
ヘ ルプ が 即 時 表 示
されます
(英語表記のみ）
17
COMSOL Multiphysics
主な機能
物理ベースモデリング
次元
方程式ベースモデリング
・ 0D、1D、2D、3D
・ 非線形偏微分方程式(PDE)の一般的な二次 ・ 電流
スタディ
・ 弱形式の偏微分方程式
・ 定常解析
・ 代数方程式
・ ジュール加熱
・ 時間依存
・ 常微分方程式(ODE)
・ 層流
・ 固有周波数解析
・ 微分代数方程式(DAE)
・ 圧力音響
・ 周波数依存解析
・ 感度解析(アドオン最適化モジュールで利用 ・ 固体力学
系の各種テンプレート
可能な最適化)
・ パラメトリックスタディ
・ 曲線座標計算
・ 静電学
・ 固体と液体における伝熱
・ 希釈種の輸送
・ その他のフィジックスインタフェースはアド
オンモジュールで利用可能
ジオメトリモデリング
・ ブロック、
コーン、
円筒、
球、
楕円球、
トーラス ソルバ
・ パラメトリック曲線、パラメトリックサー ・ 直接ソルバ：
MUMPS、PARDISO、SPOOLES
フェス
・ 内挿曲線
・ 反復ソルバ：
スイープ
・ 押し出し、旋回、
プリ
GMRES、FGMRES、BiCGSta、共役勾配、
・ ブール論理和、論理積、論理差、パーティ
コンディショナベース
ション
・ プリコンディショナ:
SOR、Jacobi、Vanka
・ CADインポート
・ CADリペア
・ 非線形ソルバ:
ガウス・ニュートン、ダブルレッグ法、完全
・ 可視化:
表面プロット、等値面、矢印断面プロット、
流線、
コンター
・ ポストプロセス:
体積、表面、線分、点上の任意の量の積分、
フィールド変数その
平均、最大・最小計算、
微分、空間座標、時間、複素量などを自由
にカスタマイズ
連成、分離
メッシュ化
・ 自動4面体メッシュ
結果
・ 時間依存ソルバ：
可変オーダBDF、一般化アルファ
・ スイープメッシュ(プリズム要素、
6面体要素)
インポート/エクスポート
・ テキスト、Excel、画像、ムービー、NASTRAN
メッシュ、CADフォーマット
・ 境界層メッシュ
・ ALE移動メッシュ
・ マップドメッシュ
・ 移動メッシュのリメッシュ
※ CAD入出力には要アドオン
材料
他の離散化スキーム
・ 等方性材料、異方性材料
・ 不連続ガラーキン法
・ メッシュコピー操作
・ 仮想ジオメトリ操作
有限要素
・ 空間的に変化する材料、時間的に変化する ・ 以下はアドオン製品にて使用可能:
材料
・ 次数が1、2、3、
以降のノードベースのアイソ
パラメトリック ラグランジュ要素
・ 非線形材料特性(任意の物理量を利用可能)
・ 次数が1、2、3のカール要素(別名ベクトル
要素、
またはエッジ要素、
アドオンモジュー
ルが必要)を曲線サーフェスや曲線エッジ
に適合
・ Hermite and Argyrisなど、分野が特化した
要素
・ 対流優勢モデルの安定化スキーム:
ストリームライン、等方性拡散 横風、
横風、
ストリームライン、等方性拡散
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有限体積法、境界要素法、粒子追跡法
アプリケーションビルダ(Windows専用)
モジュール導入の目安
COMSOL Multiphysicsの機能
電磁気・光学系
機械・構造系
・ 電流解析の定常・時間依存解析のみ
・ 固体と液体における伝熱
(周波数領域解析はAC/DCやRFなどが必要)
・ 静電場の定常・時間依存解析のみ
(周波数領域解析はAC/DCやRFなどが必要)
・ 2Dの磁場解析のみ
(3Dや周波数領域はAC/DCやRFなどが必要)
(輻射や共役伝熱などは、伝熱モジュールが必要)
COMSOL Multiphysics
I-2
・ ジュール加熱
・ 固体力学の応力・歪み・固有周波数解析のみ
(接触などは、構造力学モジュールが必要)
・ 圧力音響周波数領域のみ
流体系
化学系
・ 単相流の層流のみ
・ 希釈種輸送
(乱流や多相流はCFDモジュールが必要)
モジュール導入の目安
電磁気・光学系
流体系
・ AC/DCモジュール
・ CFDモジュール
低周波の電場・磁場・電磁場解析など
・ RFモジュール
マイクロ波設計とRF設計
・ 波動光学モジュール
光学的に大規模な構造における電磁波伝搬
・ 光線光学モジュール
光学的に大規模なシステムの光線追跡
・ MEMSモジュール
マイクロエレクトロメカニカル(MEMS)シミュレーション
・ プラズマモジュール
低温、非平衡放電のモデル化
・ 半導体モジュール
基礎研究における半導体装置の詳細解析
機械・構造系
・ 伝熱モジュール
共役伝熱、輻射の考慮、熱流体解析
・ 構造力学モジュール
バー/シェル/ビーム/膜・要素、接触解析、座屈、大変形
・ 非線形構造材料モジュール
非線形材料モデルによる構造力学解析の補強
・ ジオメカニクスモジュール
地質工学におけるジオメカニクス材料モデル
乱流モデル、多相流解析
・ ミキサーモジュール
流量とミキサー、撹拌槽反応器、回転機構のモデル化
・ マイクロフルイディクスモジュール
マイクロ流体装置のマルチフィジックス解析
・ 地下水流モジュール
地下水流に基づいた地球物理学的現象
・ パイプ流れモジュール
パイプネットワークの輸送現象と音響特性をモデル化
・ 分子流モジュール
真空装置の低圧気体流をモデル化
化学系
・ 化学反応工学モジュール
物質とエネルギーバランスと化学反応
・ バッテリ＆燃料電池モジュール
バッテリと燃料電池設計
・ 電気めっきモジュール
電気めっきプロセスの設計と制御
・ 腐食モジュール
電気化学の腐食過程と陰極保護設計
・ 電気化学モジュール
電気分析、電気分解、電気透析用途の設計
・ 疲労モジュール
歪みと応力ベース、高・低サイクル疲労解析
・ マルチボディダイナミクスモジュール
剛体と柔軟体の集合解析
・ 音響モジュール 圧力音響過渡解析、振動解析、熱音響解析、音源
の設定、遠方場計算、PMLの利用
19
COMSOL Multiphysics
I-3
事例紹介
事例紹介(1/2)
シリコンウエハのレーザ加熱
伝熱過渡解析
マイクロミキサー - クラスタ版
シリコンウエハは、レーザによって時間を
この事例は二つの並行した混合要素を持つ
かけて加熱されます。また、ウエハ自体は
split-reshape-recombineの静的層流ミキサー
ステージ上で回転しています。
レーザからの
を研究しています。
ミキサーは可動部品なしで
入射熱流束は、表面上に分布した熱源として
層流により動作し、混合は拡散により得られ
モデル化されています。
ウエハの過渡熱応答 これは軸対象の伝熱過渡解析のためのベンチ ます。
このモデルの目的は、COMSOLデスク
を示します。加熱工程中のウエハ全体の温度 マークモデルです。シミュレーションの開始 トップからCOMSOLでクラスタコンピュー
変動、ピーク値、平均値、最低温度などを計算 時の0℃から1000℃まで境界の温度を変更 ティング機能にアクセスする方法を実証し、
します。解析から190秒の温度をNAFEMSの ジョブスケジューラでクラスタにバッチジョブ
します。
ベンチマーク結果と比較します。
を提供するために使用することです。
レンチの応力/ひずみ構造解析
円柱周りの流れの時間依存、層流解析
マイクロミキサー
このモデルは長いシリンダ内の対向流に直角
に配置した流路の非定常非圧縮性流れを調査 マイクロミキサーの開発は、有効性を検討
します。流れは中心からややずれていて、定常 するだけでなく、コストや加工の複雑さなど
状態での対称流動を不安定にします。周期的 といった要因に取り組む必要があります。
この事例は、単純な静的構造解析を設定する 流れのパターンに必要なシミュレーション時間 二つの並行した混合要素を持つsplit-reshape方法を示します。ボルトを締めているコンビ を予測することは困難です。鍵となる予測は、recombineが三つある静的層流ミキサーを
ネーションレンチの例を示しています。
この シリンダ径に基づいたレイノルズ数です。
ミキサーは可動部品なしで層流
低い 研究します。
事例はCOMSOL Multiphysicsの優れた構造 値-100-以下では 流れは安定しています。
レイ で動作し、混合は拡散により得られ、安価で
解析を提供しており、ボルトとレンチの構造 ノルズ数を100としたこのシミュレーションの 製造が容易です。
解析を実行します。
カルマン渦流れは、未だ完全に乱流ではあり
ません。
冷却ジャケット付き管状反応器
KdV方程式とソリトン解
マイクロアクチュエータのジュール加熱 - 分散
パラメータ版
水の波のKorteweg-de Vries (KdV)方程式
化学工学の研究用に、温度および組成で半径 モデルを解きます。損失を取り込んでおらず、熱マイクロアクチュエータのモデルは、電流、
および軸方向の変形を含む管状反応器を 波の進行は一見すると永遠で、バーガーズ 発熱、熱伝導、および構造応力と熱膨張による
モデル化しており、異なる動作条件での影響 方程式と対照的です。
この
ソリトンは、光ファイバ 歪みの連成シミュレーションが必要です。
を調査できます。プロセスは非等温の冷却 を実用化するという主要なアプリケーション モデルの目的は、COMSOLデスクトップから
ジャケット付き管状反応器を表し、一次反応 を持っています。具体的には非線形特性は COMSOLでクラスタコンピューティング機能に
速度論を仮定したプロピレン・グリコールを 収束効果を与えながら、
ジョブスケジューラ
ファイバの線形分散 アクセスする方法を実証し、
形成する酸化プロピレンと水の熱反応です。特性で波を平らにします。結果は非常に安定 でクラスタにバッチジョブを提供するために
反応器は冷却ジャケットを含み、アプリケー した長周期のパルスです。
この解は、パルス 使用することです。モデルはCOMSOLの分散
ションはエネルギーおよび物質収支で構成 速度振幅および幅を決定することを述べて パラメータ機能を利用しています。モデルは
されます。
反応の活性化エネルギー、
熱伝導率 います。シミュレーションは、
このクラスタ上でCOMSOLの高速化を
この効果を説明 また、
および反応熱を変更して計算することができ、しています。
計測する方法を示しています。.
様々なシナリオを調査することができます。
20
PIDコントローラによるプロセス制御
室内音場の固有モード解析
自然対流
COMSOL Multiphysics
事例紹介(2/2)
このモデルは、
どのように流体モデルがプロ
セス制御機構に結びつくかを示します。他の
アプリケーションのパラメータに応じて注目 コンサートホールを設計するときは、共振を
ナビエ・ストークス方程式と熱
しているアプリケーションのパラメータを制御 考慮することが非常に重要です。クリアで このモデルは、
自然対流の場を調べ
固有振動数が 伝導方程式を結びつけ、
することが、
プロセス工学では重要なことです。ニュートラルな音響のためには、
ほとんどの制御機構は、壁や出口データを レジスタより均等に拡散する必要があります。ます。流体は、壁を加熱した正方形空洞内に
リビングルーム あります。浮力はナビエ・ストークス方程式
使用して入り口のパラメータを制御します。ホームステレオの所有者は、
部品や装置からのデータによって入り口の の形状を変更することはでき、次の質問は にブシネスク項を追加します。式は無次元化
パラメータを制御すると、
より正確な制御が はるかに意味があります: 最高の音響のため しているため、材料係数はレイリーおよび
行えることになります。
このモデルは質量移動 にスピーカをどこに置きますか? 効果の説明 プラントル数を使用して設定されます。
を、
二つの入り口(一つは制御用)の流量および に、対応する固有モードとともに100 Hz以下 パラメトリックソルバはレイリー数を増加させ
問題を解析します。
これはG. De Vahl Davis
PIDコントローラに結びつけます。
この場合、のすべての固有振動数を計算します。固有 て、
流量はジオメトリ内のポイントで濃度に応じて モードは、それに対応する固有振動数の音響 (1983)のベンチマーク問題で、いくつかの
制御されるため – 物理モデルが必要です。強度パターンを示します。固有モードの特性 異なる流体力学的流動コードを評価します。
モデルは濃度点と流入速度の常微分方程式 からスピーカを置くべき場所についていくつ
で構成され、結合にProjection変数を利用 かの結論を導き出すことができます。
しています。
様々なメッシュ手法の手順
自動車マフラの圧力音響周波数領域解析
モデルは内燃機関のマフラの圧力波伝播を
COMSOL Multiphysics はそれぞれの面や シミュレートしています。調和圧力波の伝播の
ドメインに対して数回だけのクリックで容易 減衰解析に用いられる、一般的なアプローチ
にメッシュを張ることができるような、インタ を使用しています。モデルは周波数領域で解
ラクティブなメッシング環境を提供します。き、100-1000 Hzの周波数範囲において、
この
個々のメッシング操作はメッシングシーケンス マフラは効率的な減衰を実現できることを
に追加されます。
示しました。
最終的なメッシュは、
メッシングシーケンスで
すべての操作をビルドした結果です。
この例
は異なる要素タイプから成るメッシュを作成
する方法を示します。メッシュ操作の追加、
移動、
無効、
削除や、
サイズフィーチャを用いた
メッシュの制御方法についての理解が得られ
ます。
21
COMSOL Multiphysics
22
I-4
仕様表、CAD仕様表
仕様表(1/2)
AC/DC
Physics Interfaces and Study Types
>Electric Currents with Current Conservation
>Electrostatics with Charge Conservation
Boundary Conditions
Contact Resistance
Distributed Resistance
Periodic Boundary Condition
Sector Symmetry
>Fundamental Magnetic Boundary Conditions
>Fundamental Voltage and Current Boundary Conditions
Edge and Point Conditions
Edge/Line and Point Currents and Charges
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Charge Conservation
Space Charge Density
>Current Conservation
Anisotropic Materials
BH Curve
Electric Conductivity
Fundamental Constitutive Relations
Linearized Resistivity
Lorentz Velocity. 2D
Magnetic Losses
Magnetization
Polarization
Relative Permeability
Relative Permittivity
Remanent Displacement
Remanent Flux Density
Acoustics
Physics Interfaces and Study Types
Pressure Acoustics
>Pressure Acoustics, Frequency Domain
Boundary Conditions
Acoustic-Structure Interaction
>Solid Mechanics
Pressure Acoustics
Cylindrical-Wave Radiation
Interior Sound Hard Boundary
Normal Acceleration
Plane-Wave Radiation
Prescribed Pressure
Sound Hard Boundary (Wall)
Sound Soft Boundary
Spherical-Wave Radiation
Symmetry
>Periodic Condition
Impedance (boundary impedance models)
User defined
Edge and Point Conditions
Solid Edge and Point Fixed Constraint
Solid Edge and Point Load
Solid Edge and Point Prescribed Displacement
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Initial Values
Acoustic-Structure Interaction
>Linear Elastic Material Model
>Solid Mechanics
Pressure Acoustics
Monopole and Dipole Source
>Fluid Model
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Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Transport of Diluted Species
Boundary Conditions
Axial Symmetry
Concentration
Continuity
Flux
Flux Discontinuity
No Flux
Outflow
Periodic Condition
Symmetry
Thin Diffusion Barrier
Thin Impermeable Barrier
>Inflow
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Convection and Diffusion
Initial Values
Isotropic and Anisotropic Diffusion
Reactions
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Single-Phase Flow
>Laminar Flow
Boundary Conditions
Boundary Stress
Open Boundary, Normal Stress or No Viscous Stress
Periodic Flow Condition
Symmetry Boundary Condition
Inlet
Velocity, Pressure, Normal Stress
Outlet
>Pressure, Velocity
Wall
Slip or No Slip, Sliding, Moving or Leaking Wall
Edge and Point Conditions
Pressure Point Constraint
Volumetric Domain Properties
2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Volume Force and Gravity
Fluid Properties
Compressible Flow, Mach number <0.3
Density and Viscosity
Incompressible Flow
Non-Newtonian
User-Defined Model
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Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Fluids
>Heat Transfer in Solids
Electromagnetic Heating
>Joule Heating
Boundary Conditions
Axial Symmetry
Boundary Heat Source
Diffuse surface (only surface-to-ambient radiation)
Heat Continuity
Outflow
Periodic Heat Condition
Symmetry
Temperature
Thermal Insulation
>Heat Flux
>Thin Layer
Edge and Point Conditions
>Line and Point Heat Source
Volumetric Domain Properties
Heat Source
Translational Motion
>Heat Transfer in Fluids
>Heat Transfer in Solids
Gas/Liquid
Mathematics
Auxiliary Contributions
Discretization
Global Constraint
Global Equations
Pointwise Constraint
Weak Constraint
Weak Contribution
Weak Contribution on Mesh Boundaries
Coordinate Systems
Base Vector System
Boundary System
Cylindrical System
Mapped System
Rotated System
Spherical System
Curvilinear Coordinates
>Aligning Methods
>Boundary Conditions
Mathematics
Deformed Mesh and ALE Methods
Deformed Geometry Interface
Moving Mesh Interface
>Boundary Conditions
>Domain Conditions
Generic Boundary Conditions
Axial Symmetry
Continuity
Periodic Condition
ODEs and DAEs
Events
Global ODEs and DAEs
>Distributed ODEs and DAEs
Optimization and Sensitivity
Sensitivity Interface and Study Step
Stationary Forward and Adjoint Sensitivity
>Control Variables
>Objective Functions
PDE Interfaces
>Boundary Conditions
>Classical PDEs
>General-Purpose Equation Forms
>Source Terms
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Mathematics
Study Steps
Control Steps
Batch
Batch Sweep
Cluster Computing
Cluster Sweep
Function Sweep
Material Sweep
Parametric Sweep
Sensitivity
Study Reference
Eigenfrequency
Eigenfrequency
Eigenvalue
Frequency Domain
Frequency Domain
Frequency-Domain, Perturbation
Time to Frequency FFT
Stationary
Stationary
Stationary, Fluid
Stationary, Solid
Time Dependent
Frequency to Time FFT
Time Dependent
Time Dependent, Fluid
Time Dependent, Solid
Time Discrete
Wall Distance
Distance Equation
Wall Boundary Condition
Semiconductor
Physics Interfaces and Study Types
>Electrostatics with charge conservation
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
>Solid Mechanics
Conditions on Surfaces
Solid Mechanics
Face Load with Total Force, Force per Area, and Pressure Load
Prescribed Displacement
Roller
>Periodic Condition
Edge and Point Conditions
Solid Mechanics
Edge Load
Point Load
Prescribed Displacement
Volumetric Domain Properties
2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Solid Mechanics
Body Load
Constitutive Relations
>Linear Elastic Material
Multiphysics Couplings
>Temperature Coupling
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COMSOL Multiphysics
仕様表(2/2)
23
COMSOL Multiphysics
24
CAD仕様表
CAD File Formats
Read from File, CAD
AutoCAD® DXF (.dxf, 2D) up to R14
COMSOL Native Format (.mphtxt, .mphbin)
STL (.stl)
VRML, v1 (.vrml, .wrl)
Read from File, Geographic Information
System (GIS)
Digital Elevation Map (DEM)
Write to File
COMSOL Native Format (.mphtxt, .mphbin)
DXF (.dxf, 2D only)
STL (.stl)
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Compose
Difference
Intersection
Partition Domains
Partition Edges
Partition Objects
Union
Conversions
Convert to Curve
Convert to Point
Convert to Solid
Convert to Surface
Split
Geometric Primitives, 2D
Bezier Polygon
Circle
Ellipse
Interpolation Curve
Parametric Curve
Point
Polygon
Rectangle
Square
Geometric Primitives, 3D
Bezier Polygon
Block
Cone
Cylinder
Eccentric Cone
Ellipsoid
Helix
Hexahedron
Interpolation Curve
Parametric Curve
Parametric Surface
Point
Polygon
Pyramid
Sphere
Tetrahedron
Torus
Geometry Operations, 2D
Chamfer
Cross Section of 3D Model
Delete Entities
Edit Object
Fillet
Import Contour Plot as Interpolation Curve
Tangent
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Geometric Modeling
Geometry Operations, 3D
Delete Entities
Extrude
Revolve
Sweep
>Work Plane
Geometry Sequences and Programming
Delete Sequence
Insert Sequence
>Programming
Parts
Create Part
Load Part
Part Libraries
Selections
Adjacent Selection
Ball Selection
Box Selection
Complement Selection
Cumulative Selection
Cylinder Selection
Difference Selection
Explicit Selection
Intersection Selection
Union Selection
Transforms
Array
Copy
Mirror
Move
Rotate
Scale
Virtual Operations
Collapse Edges
Collapse Faces
Form Composite Domains
Form Composite Edges
Form Composite Faces
Ignore Edges
Ignore Faces
Ignore Vertices
Merge Edges
Merge Vertices
Mesh Control Domains
Mesh Control Edges
Mesh Control Faces
Mesh Control Vertices
Geometric Modeling Kernel
COMSOL Multiphysics Native Kernel
Mesh File Formats
File Export
COMSOL Native Format (.mphtxt, .mphbin)
NASTRAN (.nas, 2D and 3D)
STL (.stl)
File Import
NASTRAN (.nas, .bdf, .nastran, .dat, 2D and 3D)
STL (.stl)
VRML, v1 (.vrml, .wrl)
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Meshing
Finite Element Geometrical Shapes
Hex
Line/Curve
Prism
Pyramid
Quad
Tet
Triangle
General Functionality
Geometry for Mesh Control
Ignore Selected Geometry (Meshing on
Virtual Geometry)
Incremental Mesh Build
Meshing Sequence
Multiple Meshes
Operations, 2D
Boundary Layer Meshing
Convert to Triangular Mesh
Copy Domain Mesh
Copy Edge Mesh
Copy from Other Mesh
Edge Meshing
Free Quad Meshing
Free Triangular Meshing
Mapped Meshing
Reference Meshing Sequence
Refine Mesh
Operations, 3D
Boundary Layer Meshing
Convert to Tetrahedral Mesh
Copy Domain Mesh
Copy Edge Mesh
Copy Face Mesh
Copy from Other Mesh
Edge Meshing
Free Quad Meshing
Free Tetrahedral Meshing
Free Triangular Meshing
Mapped Surface Meshing
Reference Meshing Sequence
Refine Mesh
Swept Meshing
Operations, Imported Meshes
Create Geometry from Mesh
Create Vertex
Delete Entities
Detect Faces
Finalize
Import
Join Entities
Partition by Ball
Partition by Box
Partition by Cylinder
Partition by Logical Expression
Parts
Create Part
Sizing
Corner Refinement
Distribution
Scale of Referenced Sizes
Size
Visualization and Statistics
Mesh Plot
Statistics
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動作環境
ハードウェア
CPU
Pentium® IV以降またはAMD Athlon® XP以降のマルチコアCPU(使用コア数の制限無し、ただしハイパー
メモリ
ハードディスクまたはSSD
グラフィックス
スレッディング非対応)。
CPU実装コア数 x4GBまたはそれ以上。
ソフトウェアのインストール領域として、4GBまたはそれ以上の空き容量。
OpenGL® 2.0以降、
またはDirectX® 9.0(Windows® OSのみ)以降。
ネットワーク
搭載メモリ512MBまたはそれ以上のグラフィックカード。
オンラインインストール/アップデートを行う場合はインターネットと接続できる環境。
COMSOL Multiphysics
I-5
フローティングネットワークライセンス(FNL)において、
ライセンスマネージャPCとクライアントPCが別
光学ドライブ
アプリケーション
クラスタコンピューティング
PCの場合、ネットワーク上で両PC間のTCP/IPプロトコルによる接続が必要。
オンラインインストールが出来ない環境のPCの場合は、インストール時にDVD-ROMドライブが必要。
Adobe® Acrobat® Reader 9.0またはそれ以降(PDFドキュメント閲覧用)。
可能(詳細は後述を参照ください)。
OS
いずれも64bit環境のみ対応。
Windows®
Windows® 10/ Windows® 8.1/ Windows® 8/ Windows® 7/ Windows® Vista/ Windows Server® 2012 R2/
Linux®
R2/ Windows HPC Server® 2008
Debian® 5.0, 6.0, 7.0, 8.0
Windows Server® 2012/ Windows Server® 2008 R2/ Windows Server® 2008/ Windows HPC Server® 2008
OpenSUSE® 13.2
Ubuntu® 12.04 LTS, 14.04 LTS
RedHat® Enterprise Linux® 5, 6, 7
Mac OS X
(RedHat® Enterprise Linux® 5はサーバ、バッチ、
クラスタコンピューティングのみサポート)
Mac OS X 10.7, 10.8, 10.9, 10.10, 10.11
(Mac OS X 10.7以降はJava 1.7のインストールが必要)
ライセンス形態(COMSOL Multiphysics)
フローティングネットワーク
（FNL）
導入ライセンス数を上限としてネットワーク上で同時利用可能。
リモートデスクトップなど
による接続操作や、クラスタコンピューティングの使用にはこのライセンスが必要です。
CPU固定シングルユーザライセンス(CPU) 1ライセンスにつきPCを1台指定。同時使用1ユーザ。
クラスキット(CKL)
リモートデスクトップなどによる接続操作不可。
受講者用ライセンス30ユーザ分。
※教育機関における教育用途向け限定のライセンスです。
25
COMSOL Multiphysics
グラフィックス動作環境
COMSOLは、パフォーマンス上の理由からハードウェアレンダリングを推奨しています。ハードウェアレンダリングはOpenGL®バージョン1.4
をサポートするドライバが必要です。Windowsユーザはローカルコンソール上でDirectX®9を使用することもできます。ハードウェアレンダ
リングは少なくとも24bit色グラフィックスが必要です。
グラフィックスの環境設定で設定する品質のための最適化には、OpenGL®の2.0が
必要です。
ソフトウェアレンダリングは、16bit色グラフィックスにも対応しています。パフォーマンス上の理由から、少なくとも512MBメモリ
のグラフィックスカードを推奨します。
AMD
カード型番
OS
FirePro V4800
FirePro V5900
FirePro V7750
FirePro V7800
FirePro W2100
FirePro W4170M
FirePro W5100
FirePro W7000
FirePro W7100
FirePro W8000
Ubuntu 14.04 LTS
Ubuntu 12.04 LTS
Windows Server 2008 R2
Debian 7
Red Hat Enterprise Linux 7
Windows 7
Windows 8.1
Windows Server 2012 R2
Windows 7
Debian 6
ドライバ・
バージョン
14.502.1040
14.502.1040
8.911.3.4000
14.502.1040
14.301.1019
14.301.1019
14.502.1045
14.502.1045
14.502.1045
14.502.1040
NVIDIA
カード型番
OS
Quadro FX 3800
Quadro FX 1800
Quadro FX 580
Quadro K5000
Quadro K4000
Quadro K2000
Quadro K620
Quadro K620
Quadro 600
Quadro 600
Quadro 410
NVS 510
GeForce GTX
Windows Server 2008 R2
Debian 7
Windows Vista
Windows 7
Windows 7
Windows 7
Windows 10
Debian 8
Windows 7
Debian 8
Windows 7
Ubuntu 14.04 LTS
950M Windows 10
ドライバ・
バージョン
341.92
340.93
341.92
354.42
354.42
354.42
354.42
352.55
354.42
352.55
354.42
352.55
358.5
並列化動作環境
共有メモリ型並列
(Shared-memoryParallelism)
分散メモリ型並列(DistributedmemoryParallelism) … クラスタ並列など
Windows
Mac OS X
Linux
全てのサポートされたWindows® 全てのサポートされたMac OS X 全てのサポートされた Linux ディストリビュー
ション
Windows Server® 2012R2
サポートしていません
RedHat® Enterprise
WindowsServer 2012
Linux® 5 and 6
Windows HPC Server® 2008R2
Debian® 6
Windows HPC Server® 2008
Ubuntu® 12.04
クラスタ中の全てのコンピュータは同一Linux
バージョンを使わなければならず、良く似た
ハードウェアを使った方が良いでしょう。
OpenFabrics Enterprise Distribution (OFED)
1.4以上のインストールを推奨します。RDMA
対応ネットワーク機器をご使用の場合は、
DAPL
1.2以上のバージョンの適切なドライバまたは
ライブラリが必要です。そのソフトウェアは
通常、ハードウェアと一緒に提供されます。
Linuxの FlexNet ライセンスマネージャ
LinuxのライセンスサーバPCでは、Linux Standard Base (LSB)が必要です。
ディストリビューション
Debian
Ubuntu
RedHat
SUSE
26
必要なパッケージ
lsb-core
lsb-core
redhat-lsb
lsb
Application Builder
概要
COMSOL MultiphysicsのApplication
Builder機能を使えば、誰でも理解容易なアプリケーションモデルに解析モデルを作り換える
ことができます(※Application BuilderはWindows版限定の機能です)。
このような形に作り替えることで普段CAEに慣れていない
ような方にも、CAE技術者の成果をより簡便に利用することができます。
さらにCOMSOL
Serverを導入することで、WEBアプリとしてワールドワイドに配信することも可能です(COMSOL Serverの詳細はp.165
COMSOL Multiphysics
I-6
「III. COMSOL Server」
を参照)。
tuning_fork.mphアプリケーション実行画面
フォームエディタ ... GUIオブジェクトを追加・編集します
メソッドエディタ ... 詳細機能を Javaで作り込みできます
27
COMSOL Multiphysics
事例紹介(1/2)
アプリケーションライブラリには、既に50件以上のアプリケーション例が格納されています。
管状反応器
ビーム部分計算ツール
音叉
撹拌槽
Liイオン・バッテリのインピーダンス解析
浄水槽
吸音マフラ・デザイナ
車載クレーン解析
マイクロストリップ・パッチアンテナ
タッチセンサ解析アプリ
フィン付きヒートシンク
層流ミキサー
バイオセンサ設計ツール
周波数選択面
28
伝送線計算ツール
ビーム要素の移動負荷構造解析
COMSOL Multiphysics
事例紹介(2/2)
らせん型スタティックミキサー
音響反射解析ツール
インクジェット
周期的マイクロ構造体の等価特性
同心円管熱交換器
鉄棒の誘導加熱
膜透析
赤血球の分離
DBRフィルタ
トラス鉄塔の座屈解析
波長調整可能LED
ファイバ・シミュレータ
プラズモン回折格子
29
COMSOL Multiphysics
I-7
ライセンス形態
フローティングネットワーク(FNL)
同時実行ユーザ数にのみ制限のあるライセンスで、国内であればネットワーク上のPCに好きな数だけ本ソフトウェアをインストールして
利用することができます。COMSOL Multiphysicsのソフトはライセンス認証が届く範囲であれば、ローカルPC環境で動きます。
またネット
ワーク越しにリモート接続したPCでもCOMSOLが動きます。WindowsとLinuxではクラスタおよびクラウド計算がサポートされています。
詳細の動作環境につきましては、動作環境をご参照ください。
CPU固定シングルユーザライセンス(CPU)
COMSOL Multiphysicsを特定のPCにインストールし、別々のユーザが順番にCOMSOLを利用することができます。同時に1ユーザが利用
できます。CPUライセンスではネットワーク越しに利用したり、
リモート接続して利用することができません。
クラスキット(CKL)
授業のために学内ネットワークを通じて、最大30名の受講生と講師が同時にこのソフトを利用できます。受講生は課題目的のために
本ソフトウェアを利用できますし、
また講師は授業の準備のためにも利用できます。
ライセンス選択の概要
ライセンス形態
FNL
CPU
複数の
コンピュータ
はい
いいえ
複数の
プラットフォーム
はい
いいえ
複数の
ユーザ
はい
はい
クライアント/
サーバ
はい
いいえ
FNLライセンスで可能になる機能
・ リモートデスクトップ接続
・ 複数コンピュータでの実行、複数プラットフォーム対応(Windows®/Mac/Linux®)
例) FNL 1ライセンス ⇒ 同時にネットワーク上の1ユーザがCOMSOLを使用可能
例) FNL 2ライセンス ⇒ 同時にネットワーク上の2ユーザがCOMSOLを使用可能
・ クラスタコンピューティング実行
・ クラウドコンピューティング実行 (RescaleなどのHPCクラウドサービスが使用可能)
https://www.comsol.jp/products/licensing
https://www.comsol.jp/running-comsol-software-in-the-cloud
また下記制限がありません
・ クラスタ実行時にコア数・ノード数が無制限(1000コアや100ノードでも追加費用が一切不要)
・ クラウドコンピューティング環境使用時にもコア数・ノード数が無制限
・ ライセンスサーバ機とクライアントPCとの距離制限が無い
ライセンス規約詳細 ... 詳細につきましては、下記をご参照願います。
https://www.comsol.jp/sla/
30
クラスタ計算
ネットワーク接続
はい
いいえ
はい
いいえ
II. オプションモジュール
II-1 電磁気・光学系
電磁気・光学系
II-1-1
II-1-2
II-1-3
II-1-4
II-1-5
II-1-6
II-1-7
AC/DCモジュール
RFモジュール
波動光学モジュール
光線光学モジュール
MEMSモジュール
プラズマモジュール
半導体モジュール
31
II-1-1 AC/DCモジュール
～電磁気シミュレーションのモデリング～
AC/DCモジュールでは、直流から低周波までのアプリケーションの
電場・磁場・電磁場のシミュレーションが可能です。典型的なアプリ
ケーションとして、抵抗、静電容量、インダクタンス、インピーダンス、
力、
トルクのようなパラメータの抽出専用ツールが内蔵され、典型的
なアプリケーションとしてキャパシタ、インダクタ、絶縁体、コイル、
モータ、
アクチュエータ、およびセンサが含まれています。材料と構成則
電磁気・光学系
は、誘電率、透磁率、誘電率、残留フィールドにより定義されます。材料
プロパティでは、
空間的変化、
時間的依存、
異方性そして残留フィールド
が使用可能になります。電磁媒体には、B・Hカーブのような非線形が
含まれ、
また与えられた方程式により定義可能です。
AC/DCモジュールの実装で、電位および磁位、電気的および磁気的
絶縁、ゼロ電荷、
フィールド値、電流値へのアクセスが可能になります。
更にSPICE回路の端子条件、浮遊電位、対称条件、周期条件、表面
インピーダンス、表面電流、分布抵抗、キャパシタンス、
インピーダンス
や接触抵抗といったような広範囲で高度な境界条件も含まれます。
無限あるいは大規模ドメインのモデリングにおいては、電場と磁場
の両方で、無限要素が使用可能です。無限要素レイヤが有限サイズ
のモデリングドメインの外側に追加された場合、場の方程式は、
自動的
に引きのばされます。
これにより、無限領域を有限サイズのモデルで
表すことが出来、モデリング境界に発生する可能性がある人工的な
領域切り出しの影響を防ぐことが可能になります。
機能
・ 生体伝熱
・ 電磁気しゃへい
・ コイル、
ソレノイド
・ 誘導加熱炉
・ 回路定数の算出
・ 電気機械的変形
・ 電気溶接
・ 誘導ロギング
・ SPICE回路と有限要素解の
・ 誘導加熱
・ 電気絶縁
・ 絶縁体、キャパシタ、誘電体
・ ローレンツ力の計算
・ EMC(電磁適合性)
・ モータ、発電機
・ 接触抵抗
・ B・H曲線を含む非線形材料
・ EMI(電磁妨干渉)
・ 永久磁石と電磁石
・ 電流と電場の分布と可視化
・ 寄生容量とインダクタンス
・ 電磁気的しゃへい
・ プランジャ
組み合わせ
32
用途
・ 電気変位場と誘電応力
・ 多孔質材
・ 電気機械的機器
・ センサ
・ 電磁的な力とトルク
・ 抵抗加熱
・ 電子工学的信頼性
・ 変圧器とインダクタ
事例紹介
Eコア変換器
3D発電機
タッチセンサ解析アプリ
電子ビーム
RFIDシステム
電磁気・光学系
このアプリは人間の指の模型で、静電容量
タッチスクリーンのマトリクスを計算します。
永久磁石付き3D発電機の定常解析発電機 指の位置および方向は入力パラメータで
内部・外部の静磁場モデル。非線形磁性材料 制御し、静電容量マトリクスを評価します。
コア内に非線形B-H曲線を利用した単相の は内挿関数で定義。
Eコア変換器の過渡解析モデル。一次コイル
と二次コイルの電磁場と電流を取得。
銅の誘導加熱
RFIDシステムは二つの主要部品、つまりタグ
大電流での荷電粒子ビームの伝播をモデル やトランスポンダのプリント回路基盤(PCB)
化する際に、ビームによって生成される空間 アンテナ、およびRFアンテナの付いたリーダ 導電性シリンダ内の渦電流は、熱を発生し
抵抗損を見つけ、
シリンダ内の温度分布、
電荷力は著しく荷電粒子の軌道に影響を与え ユニット、
で構成されています。
リーダアンテナ ます。
ます。これらの軌道の摂動は、今度は、空間 はタグ内のチップ(IC回路)を通電させる電磁 熱伝達および電解シミュレーションを同時に
行っています。
電荷分布に影響を与えます。
場を発生させます。
3Dインダクタ
磁気ブレーキ
平面トランス
平面トランスのキャパシタンス・インダクタンス
インダクタは多くのアプリケーションの主要 回転する銅製ディスクで電流が発生。
渦電流が 解析。
ECADインポートによりODB++(X)を読み
部品です。
この例は、
3DインダクタのDCおよび 磁束と共にローレンツ力と静止トルクを発生。込む例を示しています。
AC特性の両方を抽出する方法を示します。
四極子質量分析機
増幅回路中のインダクタ
永久磁石
モデルは巻き数1000の非線形磁気コアで、
巻き数は分布電流技術を使用してモデル化
実際の四極子質量分析器で、フリンジ場は されます。回路はSPICEネットリストを介して 馬蹄型永久磁石のモデルを考慮した永久
入力および、質量フィルタの出口の両方に COMSOL Multiphysicsにインポートし、イン 磁石の事例。全体は強磁性材料、両端は互い
あります。このモデルは四極子質量分析器 ダクタモデルと回路素子のODE等のどちらか に異 なる方 向 へ 磁 性を帯 びているという
中のフリンジ場の影響を含むイオン軌道を をマージします。
設定でモデリング。
計算します。
33
仕様表
電磁気・光学系
34
AC/DC
Physics Interfaces and Study Types
>Electric Currents, Shell
>Electrical Circuit
>Magnetic and Electric Fields
>Magnetic Field Formulation
>Magnetic Fields
>Magnetic Fields, No Currents
>Particle Field Interaction, Relativistic*
>Rotating Machinery in 2D and 3D, Magnetic
Boundary Conditions
Circuit Terminal
Dielectric Shielding
Distributed Capacitance
Distributed Impedance
Electric Shielding
Electrical Contact
Lumped Port
Magnetic Shielding
Surface Impedance
Surface Magnetic Current
Thin Low Permeability Gap
Transition
>Coil Excitation in 2D, Axisymmetry, and 3D
>Floating Potential
Edge and Point Conditions
Electric Point Dipole
Magnetic Point Dipole
Electrical Circuit
Export of SPICE Netlist
Import of SPICE Netlist
Linear Passive Circuit Element
Nonlinear & Active Circuit Element
Voltage and Current Source
Lumped Parameters
S, Y and Z parameter conversions
>Capacitance, Impedance and Admittance Matrix Calculation
>Inductance Matrix Calculation
>S-Parameter Matrix Calculation
Volumetric Domain Properties
Electric Force and Torque
Electric Infinite Domain Modeling with Infinite Elements
Electromagnetic Force and Torque
Magnetic Infinite Domain Modeling with Infinite Elements
Prescribed Rotation
Prescribed Rotational Velocity
Reduced Field Formulation for Magnetic Fields
RLC Coil Group in 2D and Axisymmetry
>Coil Excitation in 2D, Axisymmetry, and 3D
Constitutive Relationships for Magnetic Fields, 3D
Lorentz Velocity, 3D
Porous Media and Mixture Materials
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
Electromagnetic Heating
>Induction Heating
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Other
Coil Current Calculation
Stationary
Frequency-Stationary
Time Dependent
Frequency-Transient
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Plasma
Physics Interfaces and Study Types
>Inductively Coupled Plasma*
Equilibrium Discharges
>Combined Inductive/DC Discharge*
>Equilibrium Inductively Coupled Plasma*
●
●
●
II-1-2 RFモジュール
～マイクロ波設計とRF設計～
RFモジュールは、RF装置とマイクロ波装置の設計者が、アンテナ、
導波管、フィルタ、回路、キャビティ、メタマテリアルの設計に使用
します。電磁波伝搬と共鳴挙動を短時間に正確にシミュレートする
ため、
電磁場分布、
透過、
反射、
インピーダンス、
Qファクタ、
Sパラメータ、
ワット損を計算できる機能が技術者向けに用意してあります。シミュ
レーションでは、実験では直接測定できない物理的効果を評価し
電磁気・光学系
予測する能力を低コストというメリットと結びつけました。
従来の電磁モデル化とは違って、
モデルに温度上昇や構造変形、
あるい
は流量といった効果を組み込んでモデルを拡張できます。複数の物理
的効果を連成できます。
したがって、電磁デバイスのシミュレーション
の間に、組み込んだすべての物理特性を反映させることができます。
フードの下で、RFモジュールは有限要素法をベースにしています。
マックスウェルの方程式は、条件付けのための最新のアルゴリズム
と得られる疎な方程式系の反復解とを組み合わせて数値的に安定
したエッジ要素(別名、
ベクトル要素)の有限要素法で解きます。
繰り返し
と直接ソルバのいずれもマルチコアコンピュータで同時実行します。
クラスタ計算は、周波数スイープを実行して利用できます。
これは高速計算のためにクラスタ内で周波数ごとに複数のコンピュータに
分散できます。
また、分散メモリ(MPI)を使用し、直接ソルバで大型モデルを解決することもできます。
機能
用途
・ S-パラメータ
・ 共鳴回路とフィルタ
・ 電場と磁場および電流の可視化
・ カプラと出力分配器
・ 遠方界放射パターン
・ 平面回路
・ レーダー断面(RCS)計算
・ アンテナとフェーズドアレイ
・ アンテナ利得と軸率
・ RFID
・ 周波数領域解析と過渡解析
・ フェリ磁性装置
・ 電気と磁気エネルギーと電力潮流
・ 近接場通信
・ 損失とワット損
・ Bloch-Floquet周期的配列と構造
・ 損失の多い、異方性材料と多孔質媒体
・ メタマテリアルとプラズモン
・ インピーダンス境界条件
・ ナノ構造
・ 外部回路モデルとの接続
・ 生物医学装置
・ 分厚いまたは薄層の電気抵抗の多い材料または伝導性材料
・ 生体伝熱とマイクロ波治療
・ 完全整合層(PML)と吸収境界
・ マイクロ波焼結とスペクトロスコピー
・ 対称条件と周期性条件
・ ミリ波とテラヘルツ放射
・ 集中導波管給電、同軸導波管給電、
その他導波管給電
・ SAR計算
・ 集中ポートと要素
・ 電子レンジ
・ ドルーデ-ローレンツモデルとデバイ分散モデル
・ 散乱とレーダー断面
・ 電源、電流源、絶縁面
・ 伝送回路、マイクロストリップ、
コプラナー導波管
・ 背景場の励起
・ アンテナ、導波管、マイクロ波回路の熱-構造効果
・ マイクロ波加熱
・ 周波数可変装置
・ 機械的変形を受ける電磁学
・ RF MEMS
35
事例紹介(1/2)
波路内ブロックのRF加熱 - 定常と過渡
電子レンジ
キャビティフィルタ
電磁気・光学系
可変デバイスシミュレーションでは、エバネッ
分散熱ソースは周波数-領域電磁解析で計算 セントモードで動作する空洞共振器フィルタ
ブロック内だけでなく導波管の壁にも電磁 します。電子レンジオーブン内の食品で熱が 内の容量を変えることで、共振周波数を制御
損失があり、アセンブリが時間をかけて加熱 どのように分布するかを示す過渡伝熱シミュ します。容量は圧電アクチュエータで調節する
される原因となります。ブロックの材料特性 レーションです。
ことができます。
は、温度の関数として扱っています。
フロントガラスアンテナのケーブルへの影響
ガウスビームの第二次高調波発生
導波管バンドパスフィルタ
現代の自動車は、
リアウィンドウのアンテナで
導電性衝立、絞りが導波管の開口部を横切る
FMラジオを受信しています。
アンテナから放出 レーザシステムは現代の電子工学では重要 ように配置され、不連続性が生じてシャント
される電磁波は、車内のケーブルハーネスの なアプリケーション分野です。非線形材料、リアクタンスを生成します。
外面に電流を誘発し、悪影響を与えることが レーザ光周波数の倍数の高調波を生成する バンドパス周波数応答は、導波管内に絞り
このモデルでは非線形材料 要素を連続して挿入し、
あります。
このモデルは空気領域を完全整合 ことができます。
リアクタンス素子と
層で車と分離することにより、RFモジュールで 物性を用いて第2次高調波を過渡波動シミュ 組み合わせたカスケード接続の空洞共振器
アンテナの遠方場放射パターンを研究します。レーションとして設定する方法を示していま より得られます。モデルはxバンドの導波管
ケーブルハーネス内のどの部分がアンテナ す。YAGレーザ光(lambda=1.06 microm.)は WR-90および対称誘導性衝立(絞り)で構成
放射の影響を受けているかを表示します。 非線形光学結晶に集光されるため、ビーム しています。計算したSパラメータは良好な
ウエストは結晶内部にあります。
帯域応答を示し、帯域外の電磁波伝播を阻止
します。
モバイル機器のアンテナ設計
飛行機胴体のアンテナ漏洩
プラズモン回折格子
アンテナクロストーク(コサイト干渉)は、一つ
無線通信システムの電気部品は、
小型、
軽量を の大型プラットフォームで複数のアンテナを 屈折計数、鏡面反射および一次回折を、格子
目指しながら、適切な性能と効率性を実現 使用するときに問題になります。
このモデル の入射角の関数として計算します。平面波の
できるよう設計されています。モバイル機器 では、超短波(VHF)における 二つの同じアン 入射角は、法線角からグレージング角まで
ではアンテナは重要な構成部品であり、業界 テナ間の干渉を、航空機の胴体に取り付けた 格子構造上でスイープします。このアプリ
仕様で認められた限られたスペースに収める 受信アンテナのさまざまな構成のSパラメータ ケーションでは、選択した入射角に、複数の
必要があります。そのため、携帯電話の小型 解析で調査します。送信アンテナの2D遠方場 格子周期の電界強度も表示されます。境界間
アンテナには、平板逆Fアンテナ(PIFA)が一般 放射パターンと3D遠方場放射パターンを計算 の位相シフトは、波数ベクトルの垂直成分
的であり、人気があります。携帯電話、Wi-Fi、します。航空機の表面にはハイライト表示の から評価します。周期境界がy軸と平行にある
Bluetooth®など複数の周波数バンドに対応 領域と陰影の領域も表示します。
ため、x成分のみが必要です。フィールドが
するため、
PIFA設計を調整し、
拡張しています。
連続することにより位相係数が、屈折や屈折
この入門例のアンテナは、高度無線サービス
ビームで入射波と同じになることに注意して
(AWS)バンドダウンリンク周波数レンジのみ
ください。
に合わせて調整しています。
このアンテナの
インピーダンス整合特性は、Sパラメータで
計算しています。遠方場放射パターンをシミュ
レートします。
36
事例紹介(2/2)
脳への吸収線量
ウィルキンソン電力分配器
ダイポールアンテナ
電磁気・光学系
これまでの3ポート電力分配器は、抵抗分配
器やT字型分配器でした。
このような分配器 ダイポールアンテナは最も構造が簡単な
は、それぞれに損失があり、すべてのポート アンテナです。二本の細い金属棒に正弦波
科学者はヒト組織の吸収線量の決定にSAR でシステムの基準インピーダンスと一致しま 電圧差を適用して実現することができます。
(specific absorption rate)を使用します。
この せん。また、接続したポート間の絶縁も保証 ロッドの長さは、動作周波数の1/4波長になる
計測は脳の近くで電磁波を放射する携帯電話 されていません。ウィルキンソン分配器は、よう調整します。
このようなアンテナはトーラス
で特に重要です。モデルはアンテナおよび、損失のないT字型分配および分圧器で、上記 として知られている、放射パターンを持って
吸収した放射エネルギーによって温度上昇 の問題はありません。
この例は、
このデバイス います。
した人間の頭が、どのように放射波を吸収 をモデル化する方法を示しています。
するかを研究します。無線機器の使用が増加
無響室の電波吸収材設計
すると放射エネルギーも増加し、
これに人体が コルゲートホーン・アンテナ
さらされています。
エネルギーを吸収する共通
の対策はSAR値で、ヒト組織の吸収線量を
決定します。ヒトの頭部ジオメトリ(SAM模型)
はIEEE、IECおよびCENELECと同様で、SAR値
計測の標準仕様です。
元のジオメトリをCOMSOL Multiphysicsに
インポートしました。またモデルサンプルは 円形導波管から励起したTEモードは、TM
3次元補間関数の材料パラメータにより、頭内 モードが生成されたコルゲートホーンアンテナ このモデルでは、ピラミッド型のマイクロ波
組織を評価します。
このモデルは、
どのように の波形内面に沿って移動します。結合時に、吸収体が無限の2次元配列から構成されて
ピラミッド型電波吸収態の放射線吸収
アンテナ開口部の います。
温度上昇の原因となるアンテナからの放射 これら2つのモードにより、
このアプリを使用 材料(RAM)は、一般的に電磁波計測用の電波
電磁波をヒトの頭が吸収するかを研究します。交差分極が低くなります。
このモデルにはRFモジュールおよび、伝熱 すると、アンテナのジオメトリの変更により、暗室で使用されています。マイクロ波吸収は、
アンテナの放射特性が開口部の交差分極率 損失材料に導電性発泡カーボンを用いて
モジュールが必要です。
モデル化し、電磁特性を再現します。
と同じく改善されます。
37
仕様表
電磁気・光学系
38
AC/DC
Physics Interfaces and Study Types
>Electrical Circuit
Boundary Conditions
Edge and Point Conditions
Electrical Circuit
Export of SPICE Netlist
Import of SPICE Netlist
Linear Passive Circuit Element
Nonlinear & Active Circuit Element
Voltage and Current Source
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
Electromagnetic Heating
●
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●
-
>Microwave Heating
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Other
Boundary Mode Analysis
Mode Analysis
Stationary
Frequency-Stationary
Time Dependent
Frequency-Transient
Modal Reduced Order Model
Time-Dependent Modal
Plasma
Physics Interfaces and Study Types
>Microwave Plasma*
RF and Optics
Physics Interfaces and Study Types
Electromagnetic Waves, Frequency
Domain
Boundary Mode Analysis
Eigenfrequency
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Mode Analysis
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Time Dependent
Electromagnetic Waves, Transient
Eigenfrequency
Time Dependent
Time-Dependent Modal
Transmission Line
Eigenfrequency
Frequency Domain
Boundary Conditions
Electromagnetic Waves, Frequency
Domain
Electric Field
Lumped Element
Lumped Port, Including Connection to
Electrical Circuit
Magnetic Field
Perfect Electric Conductor
Perfect Magnetic Conductor
Periodic Condition
Port
Scattering Boundary Condition
Surface Current Density
>Impedance Boundary Condition
>Transition Boundary Condition
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RF and Optics
Boundary Conditions
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Electric Field
Flux/Source
Low-Reflecting Boundary
Magnetic Field
Perfect Electric Conductor
Perfect Magnetic Conductor
Surface Current Density
Electromagnetic Waves, Transient
Lumped Element
Lumped Port, Including Connection to
Electrical Circuit
Magnetic Field
Perfect Electric Conductor
Perfect Magnetic Conductor
Periodic Condition
Scattering Boundary Condition
Surface Current
Transmission Line
Absorbing Boundary
Incoming Wave
Lumped Port
Open Circuit
Short Circuit
Terminating Impedance
Consitutive Relations
Electromagnetic Waves, Frequency
Domain
Anisotropic Material
Porous Media and Mixture Materials
Conduction
Archie’s Law
Linearized Resistivity
Electric Displacement
●
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●
Debye Dispersion
Dielectric Losses
Drude-Lorentz Dispersion
Loss Tangent
Refractive Index
Relative Permittivity
Magnetic Constitutive Relation
Magnetic Losses
Relative Permeability
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Anisotropic Material
Electromagnetic Waves, Transient
Anisotropic Material
Porous Media and Mixture Materials
Conduction
Archie’s Law
Linearized Resistivity
Electric Displacement
Drude-Lorentz Dispersion Model
Polarization
Refractive Index
Relative Permittivity
Remanent Electric Displacement
Magnetic Constitutive Relation
Magnetization
Relative Permeability
Remanent Flux Density
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-
RF and Optics
Lumped Parameters
Touchstone File Export"
>S-Parameter Matrix Calculation
Pair, Edge, and Point Conditions
Electromagnetic Waves, Frequency
Domain
Continuity (pair)
Edge Current (edge)
Electric Field (pair)
Electric Point Dipole (point)
Magnetic Current (edge)
Magnetic Point Dipole (point)
Perfect Electric Conductor (pair)
Perfect Magnetic Conductor (pair)
Surface Current (pair)
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Continuity (pair)
Electromagnetic Waves, Transient
Continuity (pair)
Edge Current (edge)
Electric Point Dipole (point)
Magnetic Point Dipole (point)
Perfect Electric Conductor (pair)
Perfect Magnetic Conductor (pair)
Surface Current (pair)
Transmission Line
Continuity (pair)
Volumetric Domain Properties
2D and Axisymmetric Electric Formulations
In-Plane Vector
Out-of-Plane Vector
Three-Vector
Electromagnetic Waves, Frequency
Domain
External Current Density
Infinite Domain Modeling with Perfectly
Matched Layers
>Far-Field Domain
>Wave Equation, Electric
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Electric Current Desity
Magnetic Current Density
Wave Equation, Electric and Magnetic
Electromagnetic Waves, Transient
>Wave Equation, Electric
Transmission Line
Transmission Line Equation
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II-1-3 波動光学モジュール
～光学的に大規模な構造における電磁波伝搬～
波動光学モジュールには、
正確な構成要素をシミュレートし光学設計を
最適化するための、
線形光媒体と非線形光媒体における電磁波伝搬の
専用ツールがあります。
このモジュールで、高周波数電磁波のシミュ
レーションを、光学構造の周波数領域と時間領域のいずれかでモデル
化できます。
さらにこのモジュールでは、不均質で完全に異方性の材料
と、増幅または減衰特性の光媒体をサポートして、光媒体のモデル化
電磁気・光学系
を実現しています。波動光学モジュールでは、固有周波数モード解析、
周波数領域および時間領域の電磁シミュレーションに、いくつかの
2次元定式化と3次元定式化を利用できます。現象は、伝達係数と反射
係数の計算などの後処理ツールで、計算、視覚化、解析できます。
光学センサ、メタマテリアル、光ファイバ、双方向カプラ、プラズモン
装置、光通信における非線形光学的プロセス、そしてレーザビーム
伝搬をシミュレートするのは簡単です。
これは、2次元、2次元軸対象、
3次元空間領域で実行できます。ポートは入出力に定義できるほか、
複数のポートが存在する可能性のある、光学的構造の完全透過特性
と反射特性を含むSパラメータマトリクスの自動抽出にも定義できます。
散乱、周期、連続境界の条件のシミュレートにはさまざまな異なる境界
条件を適用できます。完全整合層(PML)は、無限の自由空間に対する
電磁波伝搬のシミュレーションに理想的であり、一方で計算コストは
節約できます。場と導出量の数学式を自由に作成できるので、後処理
機能では、
どのような数量でも、視覚化、評価、インテグレーション
できます。
機能
用途
・ 面内、軸対称、全波 3D 電磁波動伝播
・ フォトニック装置
・ ファイバブラッグ格子
・ ビーム包絡線法
・ 集積光学
・ 混合周波数における高調波発生
・ 負のインデックスとメタマテリアル
・ 導波管
・ レーザと増幅器
・ 熱伝達、構造解析、流量との連成解析
・ カプラ
・ 半導体レーザ
・ 周波数領域、時間領域、固有モード解析
・ ファイバ光学
・ レーザロッド、
スラブ、
レーザディスク設計
・ 高位フロケモードの周期構造
・ 光結晶
・ レーザ加熱
・ 完全整合層(PML)
・ 非線形オプション
・ 光電子工学
ガウスの入射場の散乱場
・ 平面、円筒、球体、
・ 光学散乱
・ 光リソグラフィ
・ 散乱パラメータ(Sパラメータ) による伝送と反射
・ 表面散乱
・ 光学センサ
・ 任意フィールド数量の拡張視覚化機能
・ 散乱ナノ粒子
・ ドルーデ・ローレンツ、
デバイ、セルマイヤ分散モデル
39
事例紹介
ガウスビームの自己収束
方向性結合器
メタマテリアルレンズ絶縁体分布定義
電磁気・光学系
この例では、BK-7光学ガラスの中にガウス 近接して組み込まれた二つの光導波路は、この例は、
メタマテリアル設計の特性は、空間
ビームが放射されています。材料の屈折率 方向性結合器を形成します。クラッド材は 的に変化する誘電体の分布をモデル化し、
は強度に依存しています。ビームの中心の GaAsおよび、コア材料はイオン注入GaAs 具体的に凸レンズ形状は、既知の矩形領域の
屈折率は最も高くなっています。屈折率プロ です。導波路は、導波構造の最初の二つの 変形により定義します。誘電体の分布は元の
ファイルによって回折効果は中和され、
ビーム スーパーモードで励起します – 対称および 矩形領域が変形していないところで定義し、
を集中させます。強力レーザシステム設計 反対称モード。二つの数値ポートは、exciting レンズの変形形状をマッピングします。
ここで
において、
自己収束は大変重要です。
boundaryおよび吸収境界の両方に使用して 定義したレンズは凸レンズですが、誘電体の
おり、二つのモードを定義します。境界モード 分布により入射ビームを発散させます。
フォトニック結晶の光線解析 - ガリウムヒ素柱 解析のスタディシーケンスでは、四つの境界
で構成
モード解析と最終的な周波数領域のスタディ 光学リング共振器・ノッチフィルタ
を設定します。このモデルは一つの導波路
から他の導波路への電磁波のカップリング
を示しています。
ナノロッド
フォトニック結晶デバイスは、異なる屈折率
の材料を交互に重ねた周期構造です。
フォト
直線とリング導波管で構成された最も単純な
ニック結晶内に制限された導波路は非常に
光リング共振器です。導波管は近接して配置
低損失で鋭角な曲げを得られ、集積密度を
され、光が二つの構造間に影響を与えます。
数桁上げることが可能です。
これはフォトニック
リング周囲の伝搬長が波長の整数倍の場合、
結晶導波路の研究です。GaAsの結晶はピラー
リング導波管
構造です。ピラー間の距離に応じて結晶内を 電磁波のガウス分布を、非常に細いワイヤ 強い場がリング内に蓄積します。
伝搬するのではなく、ある特定周波数内の (またはロッド)の高密度アレイに入射させ の周囲を伝搬後、いくつかの光が直線導波管
したがって に逆行して入射光と干渉します。共振時は、
波動で反射する周波数があります。
この周波数 ます。ロッド間の距離と直径は、
このような 不透過光の完全な相殺的干渉が得られます。
範囲はフォトニックバンドギャップと呼ばれて 波長よりもはるかに小さいです。
います。結晶構造内のGaAsピラーの一部が 状況ではロッドアレイは回折格子として機能 これは共振波長の光を遮断する、理想的な
除去されると、バンドギャップの範囲内に しません(プラズマ回折格子を参照してくだ 光リング共振器ノッチフィルタになります。光
導波路を作成します。光はその後、導波路の さい)。代わりに連続した金属板がロッドに リング共振器はフォトニック集積回路の基礎
沿って偏光した場合、ロッドアレイとして 的要素として期待されています。高屈折コント
輪郭線に沿って伝搬します。
振舞います。ロッドに対して垂直に偏光させ ラストを利用して、
例えばシリコンフォトニクス
ると、アレイは電磁波に対して透過します。といった極めて小さい回路を作成することが
金ナノ粒子の光学散乱
後者の場合、ロッド間の双極子カップリング できます。このモデルは、光学リング共振器
はまた、照射領域外のロッド間電磁励起が のスペクトル特性を計算します。
このモデル
生じます。
では、定義済みの位相近似値でジャンプが
生じる場の連続性境界条件の使用方法を
プラズモン回折格子の光線解析
紹介します。
このモデルは、金ナノ粒子による平面波の
光学散乱をシミュレーションしています。散乱
負の反射特性を持つメタマテリアル光線解析
は光の周波数範囲に対して計算され、
さらに
金は負の複素誘電率を持つ材料としてモデル
化できます。遠方場および損失を計算します。
ステップインデックスファイバの曲げ解析
屈折率、鏡面反射および一次回折を、導線
格子の入射角の関数として計算します。
平面波
の入射角は、法線角からグレージング角まで 誘 電 率と透 過 率 の 両 方 が負であるような
この
格子構造上でスイープします。このアプリ 材料の構造を設計することができます。
ケーションでは、選択した入射角に、複数の ような材料は、波長スケールと同等の周期
アプリケーションの最初の部分は、石英ガラス 格子周期の電界強度も表示されます。境界 構造を設計することにより実現できます。
製の直線テップインデックスファイバのモード 間の位相シフトは、波数ベクトルの垂直成分 材料個々の単位セル同様、負バルク屈折率
を計算します二番目に半径3 mmのステップ から評価します。周期境界がy軸と平行にある の材料特性をモデル化することができます。
インデックスファイバを曲げ、
伝搬モードおよび ため、x成分のみが必要です。フィールドが この例は、メタマテリアルドメインの誘電率
放射損失を解析します。出力平均モード半径 連続することによって位相係数が、屈折や および透過率の、正しいモデル化の方法を
を見つける方法と、効果的なモード指数を 屈折ビームで入射波と同じになることに注意 示しています。
計算するために使用し生ます。
してください。
40
仕様表
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RF and Optics
Boundary Conditions
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Electric Field
Flux/Source
Low-Reflecting Boundary
Magnetic Field
Perfect Electric Conductor
Perfect Magnetic Conductor
Surface Current Density
Electromagnetic Waves, Transient
Magnetic Field
Perfect Electric Conductor
Perfect Magnetic Conductor
Periodic Condition
Scattering Boundary Condition
Surface Current
Consitutive Relations
Electromagnetic Waves, Beam Envelopes
Anisotropic Material
Conduction
Linearized Resistivity
Electric Displacement
Debye Dispersion
Dielectric Losses
Drude-Lorentz Dispersion
Loss Tangent
Refractive Index
Relative Permittivity
Sellmeier Dispersion
Magnetic Constitutive Relation
Magnetic Losses
Relative Permeability
Electromagnetic Waves, Frequency Domain
Anisotropic Material
Conduction
Linearized Resistivity
Electric Displacement
Debye Dispersion
Dielectric Losses
Drude-Lorentz Dispersion
Loss Tangent
Refractive Index
Relative Permittivity
Sellmeier Dispersion
Magnetic Constitutive Relation
Magnetic Losses
Relative Permeability
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Anisotropic Material
Electromagnetic Waves, Transient
Anisotropic Material
Conduction
Linearized Resistivity
Electric Displacement
Drude-Lorentz Dispersion Model
Polarization
Refractive Index
Relative Permittivity
Remanent Electric Displacement
Magnetic Constitutive Relation
Magnetization
Relative Permeability
Remanent Flux Density
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RF and Optics
Lumped Parameters
Touchstone File Export"
>S-Parameter Matrix Calculation
Pair, Edge, and Point Conditions
Electromagnetic Waves, Beam Envelopes
Continuity (pair)
Electric Field (pair)
Perfect Electric Conductor (pair)
Perfect Magnetic Conductor (pair)
Surface Current (pair)
Electromagnetic Waves, Frequency Domain
Continuity (pair)
Edge Current (edge)
Electric Field (pair)
Electric Point Dipole (point)
Magnetic Current (edge)
Magnetic Point Dipole (point)
Perfect Electric Conductor (pair)
Perfect Magnetic Conductor (pair)
Surface Current (pair)
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Continuity (pair)
Electromagnetic Waves, Transient
Continuity (pair)
Edge Current (edge)
Electric Point Dipole (point)
Magnetic Point Dipole (point)
Perfect Electric Conductor (pair)
Perfect Magnetic Conductor (pair)
Surface Current (pair)
Volumetric Domain Properties
2D and Axisymmetric Electric Formulations
In-Plane Vector
Out-of-Plane Vector
Three-Vector
Electromagnetic Waves, Beam Envelopes
Infinite Domain Modeling with Perfectly
Matched Layers
>Wave Equation, Beam Envelopes
Electromagnetic Waves, Frequency Domain
External Current Density
Infinite Domain Modeling with Perfectly
Matched Layers
>Far-Field Domain
>Wave Equation, Electric
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Electric Current Desity
Magnetic Current Density
Wave Equation, Electric and Magnetic
Electromagnetic Waves, Transient
>Wave Equation, Electric
Semiconductor
Physics Interfaces and Study Types
>Semiconductor Optoelectronics, Beam
Envelopes*
>Semiconductor Optoelectronics,
Frequency Domain*
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電磁気・光学系
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
Electromagnetic Heating
>Laser Heating
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Other
Boundary Mode Analysis
Mode Analysis
Stationary
Frequency-Stationary
Time Dependent
Frequency-Transient
Modal Reduced Order Model
Time-Dependent Modal
Wall Distance
RF and Optics
Physics Interfaces and Study Types
Electromagnetic Waves, Beam Envelopes
Boundary Mode Analysis
Eigenfrequency
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Wavelength Domain
Electromagnetic Waves, Frequency Domain
Boundary Mode Analysis
Eigenfrequency
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Mode Analysis
Wavelength Domain
Electromagnetic Waves, Time Explicit
Time Dependent
Electromagnetic Waves, Transient
Eigenfrequency
Time Dependent
Time-Dependent Modal
Boundary Conditions
Electromagnetic Waves, Beam Envelopes
Electric Field
Field Continuity
Magnetic Field
Matched Boundary Condition
Perfect Electric Conductor
Perfect Magnetic Conductor
Periodic Condition
Port
Scattering Boundary Condition
Surface Current
Electromagnetic Waves, Frequency Domain
Electric Field
Magnetic Field
Perfect Electric Conductor
Perfect Magnetic Conductor
Periodic Condition
Port
Scattering Boundary Condition
Surface Current Density
>Impedance Boundary Condition
>Transition Boundary Condition
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41
II-1-4 光線光学モジュール
～光学的に大規模なシステムの光線追跡～
光線光学モジュールは、
システム内の電磁波伝搬のモデル化に使用できます。
波長は、モデル内で最も小さな幾何学的詳細情報よりもはるかに小さい
サイズです。電磁波は、均一媒質または傾斜媒質で伝播できる光線として
処理されます。波長は有限要素メッシュで解決する必要がないため、光線の
軌道は、長い距離でも経済的な計算コストで計算できます。光線は、異なる
媒質同士の境界では反射し、屈折します。
電磁気・光学系
光線光学モジュールには、鏡面反射と乱反射の組み合わせなど、
さまざまな
境界条件があります。光線は、領域内から、境界から、あるいは点の一様格子
で放出できます。特殊な放出機能も、太陽の放射や、被照面からの反射光線
や屈折光線の放出に利用できます。専用の後処理ツールでは、光線軌跡を
解析し、さまざまな光線で式を評価し、干渉縞を視覚化するさまざまな方法
を利用できます。
機能
用途
・ 建築物理学と科学
・ 吸収媒体
・ 直線偏光子
・ 曲率計算の波面基本半径
・ 領域や境界上の累積変数
・ 線形波波長板
・ 傾斜媒体または均質媒体における光線 ・ カメラ
・ 円形波リターダ
・ ミューラー行列
・ 強力吸収媒体の補正
・ 光路長変数
・ 領域や境界に堆積した光線力 ・ 光線ステータスデータを保存
・ コーティング
追跡
・ 光路長にもとづいた光線追跡スタディ ・ 画像化
・ 干渉計
ステップ
・ 光線軌道と光線プロット
・ レーザ
・ 位相計算
・ 材料の不連続部分での反射と屈折
・ レンズ系
・ 散漫散乱
・ 相図
・ 領域、境界、または点格子から光線を
・ 光学構成要素
・ 周波数分布
・ ポアンカレ写像(スポットダイア
・ 誘電体膜
・ 回析格子
・ 理想減極剤
するオプション
グラム)
・ モノクロメータ
放出
・ 光加熱
・ 鏡面反射
・ 均質媒体における強度計算 ・ 偏向、非偏向、部分コヒーレント ・ ストークスパラメータの計算
・ 太陽エネルギー発電
・ スペクトロメータ
放射
事例紹介(1/2)
チェニー・ターナー分光器
反射防止コーティング、多層膜
ニュートン式望遠鏡の光線解析
ニュートン式望遠鏡は、1668年にアイザック・
Czerny-Turnerモノクロメータは、多色光を 反射防止コーティングの最もシンプルな例は、ニュートンによって発明され、その組み立て
空間的に分離して一連の単色光にします。1/4波長層です。
このような単層コーティング コストの経済性およびシンプルなデザイン
このモデルは、交差Czerny-Turner構成を の大きな欠点の一つは、低反射率を実現する から現代でも製造されています。
光線を無限遠
シミュレートして、球状コリメートミラー、平面 のに必要な屈折率を持つ、一般的な材料が のソースから望遠鏡に伝播します。進入する
解析格子、球状画像化ミラー、
アレイ電荷結合 ないことです。
複数の層を組み合わせることに 光は放物面鏡で二次平面鏡に反射され、
ここで
素子(CCD)ディテクタをシミュレートします。より、単層よりも広い波長で反射係数を減少 光は焦点面に反射します。
このチュートリアル
モデルは、幾何学的オプションインタフェース させるため、様々な材料を使用します。この モデルでは、ニュートン式望遠鏡システムを
で検出面における入射光の位置を計算します。モデルは1/4-1/4および1/4/-1/2-1/4構造を 通過する非編光の光線の追跡方法を紹介
これから、装置の分解能を得ます。
モデル化します。
します。
42
事例紹介(2/2)
回折格子の光線解析
コーナーキューブ・リフレクタの光線解析
マイケルソン干渉計の光線解析
光ファイバのパイプ内反射
電磁気・光学系
このモデルは、波動光学モジュールおよび
光線光学モジュールを使用し、回折格子への コーナーキューブ・リフレクタは、入射角に このモデルは伝熱(固体)、固体力学それに
異なる入射角の光線をモデル化します。S かかわらず再初期化した軌道が初期軌道に 光線光学インタフェースを連成し、マイケル
光線の反射に使用する ソン干 渉 計 に表 示される干 渉パターンに
パラメータを使用して電磁波、格子単位の 対して平行であるため、
このチュートリアルモデルは おける光学部品の熱拡散による影響を計算
セルの反射率を指定した周波数領域インタ ことができます。
コーナー します。
フェース、幾何学的光学インタフェースにより、幾何光学インタフェースを使用して、
単位セルよりも幅広いスケールの回折格子 キューブ・リフレクタで光線束の反射をシミュ
線形波制御装置の光線解析
レートする方法を示しています。
の光伝搬をモデル化します。
ヴィダラの火傷の原因究明
透過された放射の強度や偏光を、偏光子や
波形リターダなど光学装置を組み合わせて
制御できます。
このモデルでは、直交軸と透過
軸という2本の直線偏光子で、光線強度を
ゼロまで減衰させます。次に、4分の1波長
光ファイバは異なる場所に光を運ぶために ヴィダラホテルが最初に開業したとき、
プール または2分の1波長の波長板を2台の偏光子
使用することができます。一般的に二つの サイドの宿泊客は一年の特定の時期、一日の の間に置いて、透過光の強度と偏光を解析
主要なグループに分けることができます: 反射 特定の時間帯に強烈な暑さを経験しました。します。
コーティングで裏打ちしたクラッドおよび、この熱は、太陽光がホテル南側の湾曲した
光を閉じ込める全反射のコアからなります。壁面に反射して発生しました。
このモデルは ルネベルグレンズ
このチュートリアルでは、光は曲がった光 問題が最初に報告された日時の、
プール周辺
ファイバ内を全反射して伝搬します。ファイバ の太陽光の集光具合を示しています。
形状による、透過率の影響を検討します。
熱による光学レンズの焦点変化
太陽光集光器の光線解析
ルネベルグレンズは、特殊な集束特性につな
がる勾配屈折率を持っています。
この例は、
幾何光学インタフェースを使用し、光線軌跡
および光路長を計算します。
現代の高出力産業用ファイバレーザシステム
は、シングルモードレーザ照射で、切断、穴 重力レンズ
あけ、
溶接、
刻印に3 kWまでを提供しています。
放物面アンテナは、ソーラーエネルギーが ターゲット表面にレーザビームを収束させる
ターゲット(レシーバ)に集中して、非常に高温の ための光学部品は、高透過性材料を使用して
局所的熱流束ができることがあります。これで も光によって運ばれる大量の力の影響を受け
蒸気を生み出すことができ、発電機の動力と ます。レーザビームが光学部品を通過する
して利用でき、水素を生成すれば、直接燃料源 とき、熱膨張だけでなく光学材料の屈折率
になります。このモデルでは、半径位置の関数 も変化し、
システムの焦点が変化します。
この このモデルは、地球から見た太陽表面から
としてレシーバに届いた熱流束を計算して、モデルでは、高出力ファイバレーザシステム 1.75秒角だけ偏光してかすめる方法を示して
公表値と比較します。太陽の有限の大きさ、の熱レンズ効果の計算に、
構造力学モジュール います。アインシュタインは相対性理論で、
周辺減光、表面粗さの補正を考慮しています。 および光線光学モジュールを使用します。 この値を第一次大戦中に予測しました。
43
仕様表
電磁気・光学系
44
Mathematics
Study Steps
Time Dependent
Ray Tracing
RF and Optics
Physics Interfaces and Study Types
Geometrical Optics
Bidirectionally Coupled Ray Tracing
Ray Tracing
Ray Heating
Bidirectionally Coupled Ray Tracing
Ray Tracing
Boundary Conditions
Geometrical Optics
Accumulator
Circular Wave Retarder
Deposited Ray Power
Grating with Diffraction Orders
Ideal Depolarizer
Linear Polarizer
Linear Wave Retarder
Material Discontinuity
Mueller Matrix
Thin Dielectric Film
>Wall
Ray Properties and Releases
Geometrical Optics
Auxiliary Dependent Variables
Calculation of Ray Intensity and Polarization
Corrections for Strongly Absorbing Media
Illuminated Surface
Inlet
Nonlocal Accumulator
Optical Path Length Calculation
Phase Calculation
Ray Properties
Release
Release from Data File
Release from Edge
Release from Grid
Release from Point
Solar Radiation
>Ray Release Distributions
Volumetric Domain Properties
Geometrical Optics
Accumulator
Deposited Ray Power
Medium Properties
Ray Heat Source
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II-1-5 MEMSモジュール
～マイクロエレクトロメカニカル(MEMS)シミュレーション～
マイクロエレクトロメカニカル(MEMS)の設計とモデル化は、
ユニーク
な工学分野です。極小領域で動作する共振子、ジャイロスコープ、
加速度計、アクチュエータの設計では、その動作時におけるいくつ
かの物理的現象の影響を考慮しなければなりません。その点、
COMSOL MultiphysicsはMEMSへの応用に最適です。
この目的
達成のため、MEMSモジュールは、電磁場‐構造連成、伝熱‐構造
電磁気・光学系
連成、流体‐構造連成など、さまざまな連成物理特性を対象に、
モデル化ツールが関連付けられた定義済みのユーザインタフェース
(フィジックスインタフェース)を備えています。モデルには、薄膜の
気体による減衰、固体材料と圧電材料の異方性損失係数、
アンカー
減衰、熱弾性減衰など、さまざまな減衰現象を組み込むことができ
ます。弾性振動と弾性波の場合、完全整合層(PML)により、送出弾性
エネルギーの最先端の吸収機能を提供します。
クラス最高の圧電モデル化ツールとピエゾ抵抗モデル化ツール
では、複合ピエゾ弾性誘電材料を考えられるあらゆる構成で組み
合わせることのできるシミュレーションが可能です。MEMSモジュ
ールには、定常/過渡領域だけでなく、完全連成による固有振動数、
パラメトリック、準定数、周波数応答解析機能が含まれています。静電
容量、インピーダンス、アドミッタンスの集中定数パラメータ抽出、
SPICEネットリストによる外部電気回路による外部回路への接続は、
簡単に実行可能です。COMSOL Multiphysicsのコア機能上に構築
されたMEMSモジュールは、
微小領域に関連するほとんど全ての物理
現象に適用可能です。
機能
用途
・ 圧電材料解析
・ 加速度計
・ 電気・伝熱連成
・ アクチェータ
・ 伝熱・構造連成
・ 片持ち梁
・ 薄膜ガスダンピング(スライド/スクイーズ)
・ バルク弾性波(BAW)/表面弾性波(SAW)
・ 材料への異方性損失係数とアンカー減衰
・ MEMSコンデンサ/ジャイロスコープ/共振器
・ 流体・構造相互作用(FSI)
・ ホールセンサ
・ PML
・ 圧電/ピエゾ抵抗デバイス
・ 構造力学(接触/摩擦)
45
事例紹介(1/2)
マイクロミラー解析
複合材料圧電素子
ヤモリの足の構造解析
電磁気・光学系
ばね状構造や薄型構造の反りを作成する
方法の一つは、残留応力の影響下にある基板
ヤモリは壁を登るために乾燥接着力
にめっきすることです。めっきプロセスは、この例は圧電素子の課題を設定する方法を 自然界で、
同様の材料についてもこの応力を制御する 示します。複合材料超音波圧電素子は、圧電 を使用しています。例えばロボットアプリケー
ことができます。
そのようなデバイスは静電的 セラミック層、二つのアルミニウム層、および、ションで使用する合成ヤモリ足毛の開発の
に制御されたマイクロミラーです。それは 二つの接着剤層で構成した円筒形状をして ように、研究者にヒントを与えてきました。
一般的に極めて小さく、
このようなデバイス います。システムは圧電セラミック層の両側 このモデルは合成ヤモリ足毛のマイクロ/ナノ
目的は、階層が含まれており、マイクロおよびナノの
のアレイはプロジェクタで実現することが の電極表面に交流電位を印加します。
できます。このセクションでは、圧縮応力に 構造の四つの最低固有振動数の周波数範囲 両方のスケールで剛毛およびヤモリの足先
これ のスパチュラ(spatula)を記述します。モデル
よるめっきデバイスのリフトオフを解決する 周辺のアドミタンスを計算することです。
設定方法の基礎を示しています。モデルは は超音波振動子シミュレーションだけでなく、はアセンブル機能を使用しスイープメッシュ
大変形を使用し、MEMSモジュールの初期 SAWおよびBAWフィルタシミュレーションに から六面体メッシュを作成します。解析は、
有効な出発点となる、ベンチマークモデル ヤモリの足の接触および摩擦力による応力
応力を考慮しています。
です。
と変形を示しています。
マイクロレジスタビーム
積層板中の熱応力
バイアスをかけた共振器の最低作動電圧
この例は一つのモデルで、熱、電気、および
構造解析を結びつける能力を示しています。
この例で研究します。静電力駆動のMEMS共振器を時間および
この特別なアプリケーションは、電流を流す 積層板中の熱応力を、
ことでビームが移動します; 電流は熱を発生 コーティングおよび基板層の二層からなる板 周波数領域でシミュレートします。デバイス
応力と歪みはありません。
板の温度 は平行板コンデンサの両端にAC + DCのバイ
させ、温度上昇の変位は熱膨張につながり は800℃で、
ます。モデルはビームを変位させるために、を150℃に下げると、熱応力が誘起されます。アス電圧を印加して駆動します。DCバイアス
キャリア層を追加し、
コーティング の共鳴周波数の依存性を評価し、周波数領域
どのくらいの電流と温度上昇が必要かを推定 三番目の層、
します。
モデルは、
かなり単純な3Dジオメトリと および基板層内に初期応力として熱応力を および過渡解析は、デバイスの性能を調査
フィジックスですが、マルチフィジックスモデ 追加し、温度は最終的に20℃まで低下します。するために行います。
リングとしての良い例になっています。
圧電せん断駆動梁
静電稼働片持ち梁
静電容量型式力センサ解析
弾性片持ち梁は、MEMSの設計に使用される 静電容量型式力センサをシミュレートして
モデルは圧電素子デバイスインタフェースを 基本構造の一つです。
このモデルは静電負荷 います。圧力センサは、容量変化に基づいた
使用して、片持ち梁の運動に基づ いて圧電 を印加した片持ち梁の曲げを示しています。圧力を提供し、構造の変化に関係があります。
アクチュエータの静的解析を行います。圧電 モデルは印加電圧下ビームの変形を解決 変形は周囲圧力と温度、使用材料、材料の
材料のせん断モードを使用して斜めに歪め します。
初期応力に依存します。
ます。
46
事例紹介(2/2)
流体-構造連成、時間依存解析
表面弾性波によるガスセンサ
薄膜BAW複合共振器の解析
圧力センサの吸湿解析
2ポート圧電SAWデバイス解析
電磁気・光学系
このモデルはCOMSOL Multiphysicsにある 表面弾性波(SAW)は、
固体材料の表面に沿って バルク弾性波(BAW)共振器は、
無線周波アプリ
流体-構造連成の問題を設定する方法を示し 伝搬する振動です。振幅は材料の深さにより、ケーションでは狭帯域フィルタとして使用する
ます。流体が固体構造を変形させ、
どのように 指数関数的に急激に 減衰します。SAWは ことができます。従来のセラミック型電磁共振
継続する流れでジオメトリ変形を解決するか フィルタ、発信器およびセンサなど、多くの 器と比較したBAW共振器の利点は、電磁波の
を示しています。流体-構造連成(FSI)マルチ 電子部品で使用されています。一般的なSAW 波長よりもはるかに小さい音波の波長により、
フィジックスインタフェースは、流れおよび デバイスは、電気信号に変換する圧電材料 はるかに小さくすることができるということ
固体構造の連成をキャプチャし、流体流れと に電極を適用し、元に戻ります。SAWの応答 です。バルク弾性モードに加えて、共振器構造
固体力学を組み合わせます。固体力学インタ は、デバイスが収集するために使用する情報 は非常に狭いスペースで多くのスプリアス
フェースおよび単相流インタフェースは、
それ を提供します。このモデルは、SAWガスセンサ モードを有しています。通常の設計目標は、
ぞれ固体および流体をモデル化します。FSI の共振周波数を調査します。センサは、薄膜 主要部品の品質を向上させ、
スプリアスモード
couplingは、流体および固体間の境界上に で覆った圧電基板上にエッチングした櫛型 の影響を低減させることです。この例では、
現れます。流体-構造連成インタフェースは、変換器で構成されています。
膜の質量は、
材料 固有振動数および周波数応答解析を用いて、
オイラーの公式で説明される流体流れを結合 が空気から化学物質を吸着するように増加 2Dで薄膜BAW共振器をモデル化する方法を
した、任意のLagrangian-Eulerian method します。これは空気中の種の量に関する情報 示しています。
(ALE)、
ラグランジュが考案した固体力学の空間 により、
若干低い周波数で共鳴の変化が起こり
フレーム、および材料(リファレンス)フレーム ます。
を使用します。
厚厚みせん断モード水晶発振子
このモデルは、時間領域における表面弾性波
をモデル化する方法を示しています。
3Dモデル
超小型電子回路の集積に、MEMSデバイス のジオメトリは、YXに128度lカットしたニオブ ATカット水晶振動子は、
発振子から微量天びん
はプリント基板上に接合し、他のデバイスと 酸リチウム基板を表しています。
SAWデバイス といった、幅広いアプリケーションで使用され
接続しています。そして、回路全体の多くは、には二つのポートがあります。
金属電極は境界 ています。ATカットの重要な特性の一つで
エポキシ樹脂封止材(EMC)でコーティング 条件を用いて完全導体としてモデル化されて ある水晶の共振周波数は、温度に依存しない
してデバイスを保護し、基板と連結されます。います。例えば基板の大きさなどの幾何学的 ことです。
このような用途に使用されるエポキシポリマ 寸法は、
ポートとポート間の櫛型電極(IDT)数の これは質量の検知およびタイミング用途に
は、吸湿や吸湿膨張によりEMCと基板間の ギャップで、操作は目標とする周波数に対して おいて望ましいです。ATカットした水晶は、
層間剥離や、MEMS部品の誤動作につながり 完全にパラメータ化しています。デフォルト カット面両端の印加電圧によりせん断応力
ます。MEMS Pressure Sensor Drift appは、設定では、
目標とする周波数を433 MHzとし、を生成し、厚みすべりモードで振動します。
吸湿膨張によるMEMS圧力センサの湿潤 各ポートに三つの電極を使用します。モデル この例は、ATカット厚みすべり振動子の振動
環境へのドリフト計測をシミュレートします。は3周期を時間をかけて解きます。入力ポート を考慮し周波数領域におけるシステムの機械
本アプリケーションは、必要な感度を達成 および出力ポートの電圧を比較します。
表面波 的応答に焦点をあてています。様々な規格
し、
ドリフトを最 小 限 に抑えるのに役立ち (レイリー波)を可視化します。チュートリアル を使用して圧電材料を適応させて定義し、
ます。そのためには、幾何学的パラメータ、では、正確に時間および空間の両方に波型 COMSOLモデルを設定します(規格の詳細
モールドコンパウンド材料特性、外部条件を 現象を解決に必要な、メッシュサイズと時間 はCOMSOL blogに投稿されていることに
指定します。本アプリケーションは、COMSOL ステップの選択をコメントしています。
この種 注意してください)。機械的共振による直列
Multiphysics®ソフトウェアのTransport of の問題として、高度に非線形で計算上厳しい コンデンサへの影響も考慮します。直列容量
Diluted Species、固体力学インタフェースと ため、ロバスト性およびメモリ効率を高める を追加することは、水晶発振子の調整には
Shellインタフェースで構成されています。 ための特定のソルバ設定を提案しています。よく用いられる技術です。
47
仕様表
電磁気・光学系
48
AC/DC
Physics Interfaces and Study Types
>Electrical Circuit
Boundary Conditions
Circuit Terminal
Dielectric Shielding
Distributed Capacitance
Distributed Impedance
Electric Shielding
>Floating Potential
Edge and Point Conditions
Electric Point Dipole
Electrical Circuit
Export of SPICE Netlist
Import of SPICE Netlist
Linear Passive Circuit Element
Nonlinear & Active Circuit Element
Voltage and Current Source
Lumped Parameters
S, Y and Z parameter conversions
>Capacitance, Impedance and
Admittance Matrix Calculation
>S-Parameter Matrix Calculation
Volumetric Domain Properties
Electric Force and Torque
Electric Infinite Domain Modeling with
Infinite Elements
Acoustics
Edge and Point Conditions
Solid Spring Foundation
Multiphysics
Domain Multiphysics Couplings
Piezoelectric Effect
Volumetric Domain Properties
Infinite Solid Domain Modeling with
Perfectly Matched Layers
Acoustic-Structure Interaction
Initial Stress and Strain Tensors
>Piezoelectric Devices
Chemistry
Volumetric Domain Properties
Diffusion-Models for Transport of
Concentrated Species
>Hygroscopic Swelling
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
>Fluid-Structure Interaction (FSI)
Thin-Film Flow
>Thin-Film Flow Domain, 2D
>Thin-Film Flow, Edge, 2D
>Thin-Film Flow, Shell, 3D
Edge and Point Conditions
Thin-Film Flow Boundary Conditions on
Edges or Points
Border Flow
Inlet
Outlet
Symmetry
Wall
Volumetric Domain Properties
>Fluid-Structure Interaction (FSI)
>Thin Film Flow
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Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Other
Linear Buckling
Viscoelastic Transient Initialization
Time Dependent
Modal Reduced Order Model
Time-Dependent Modal
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
>Electromechanics
>Joule Heating and Thermal Expansion
>Membrane
>Piezoelectric Devices
>Piezoresistivity, Boundary Currents
>Piezoresistivity, Domain Currents
>Piezoresistivity, Shell*
>Thermal Stress
>Thermoelasticity
Structural Mechanics
Conditions on Surfaces
Electromechanics
Electromechanical Interface
Piezoresistivity, Boundary Currents
Thin Conductive Layer
Thin Piezoresistive Layer
Piezoresistivity, Shell
Damping*
Linear Elastic Material, Shell and Plate*
Thermal Expansion*
Thin Conductive Layer*
Thin Piezoresistive Layer*
Solid Mechanics
Added Mass
Follower Pressure Load
Low-Reflecting Boundary
Prescribed Acceleration
Prescribed Velocity
Symmetry/Antisymmetry
Thin Elastic Layer
>Contact
>Spring Foundation
Multiphysics Couplings
>Fluid-Structure Interaction, Fixed
Geometry
Thermoelasticity
Temperature Deviation
Thermal Insulation
Zero Temperature Deviation
Edge and Point Conditions
Solid Mechanics
Added Mass
>Spring Foundation
Special Conditions
Solid Mechanics
>Rigid Connector
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Structural Mechanics
Volumetric Domain Properties
Geometric Nonlinearity
Infinite Domain Modeling with Infinite
Elements
Infinite Domain Modeling with Perfectly
Matched Layers
Initial Stress and Strain Tensors
Joule Heating Model for Thermal
Expansion
Electromechanics
Damping and Loss
Thermal Expansion
Constitutive Relations
Electric Material
Linear Elastic Dielectric
Linear Elastic Material, Solid Mechanics
Piezoresistivity, Boundary Currents
Damping and Loss
Thermal Expansion
Constitutive Relations
Linear Elastic Material, Structural
Mechanics
Piezoresistivity, Domain Currents
Damping and Loss
Thermal Expansion
Constitutive Relations
Conductive Material
Linear Elastic Material, Structural
Mechanics
Piezoresistive Material
Solid Mechanics
Added Mass
Gravity
>Rotating Frame
Constitutive Relations
External Stress-Strain Relation
>Piezoelectric Material
>Rigid Domain
>Viscoelasticity
Multiphysics Couplings
>Hygroscopic Swelling
>Piezoelectric Effect
>Thermal Expansion
Thermoelasticity
Linear Thermoelastic Material
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II-1-6 プラズマモジュール
～低温、非平衡放電のモデル化～
プラズマモジュールは、低温温度プラズマソースとシステムのモデル化専用です。
技術者や科学者はこのモジュールで放電の物理特性を調べ、既存の電位設計
の性能を評価します。
このモジュールでは、
あらゆる空間次元(1次元、
2次元、
3次元)
を解析できます。
プラズマシステムは、特にその性質上、非線形度の高い複雑な
システムです。電気入力やプラズマ化学の小さな変化は、放電特性における
大きな変化として現れます。
電磁気・光学系
低温プラズマは、流体力学、反応工学、物理的力学、伝熱、質量移動、電磁を融合
したものであり、いわば重要なマルチフィジックスシステムであると言えます。
プラズマモジュールは、さまざまな工学分野で発生する非平衡放電をモデル化
するための特殊なツールです。
プラズマモジュールは、
任意のシステムをモデル化
できるフィジックスインタフェースのスイートで構成されています。
これらインタ
フェースにより、直流放電、誘導結合されたプラズマ、マイクロ波プラズマなどの
現象のモデル化をサポートしています。
プラズマモジュールには、文書化された
サンプルモデル、
モデル化プロセスのステップバイステップの解説、
ユーザガイド
が同梱になっています。
機能
用途
・ プラズマ解析インタフェース
・ 誘電体バリア放電
・ イオン源
・ プラズマディスプレイパネル
・ ドリフト・拡散
・ CVD/PECVD
・ 材料処理
・ プラズマ加工
・ 非電子粒子輸送
・ ECR源
・ マイクロ波プラズマ
・ プラズマ源
・ ボルツマン方程式–2項近似
・ エッチング
・ オゾン発生
・ 電力システム
・ 容量結合プラズマ(CCP)
・ 有害ガス除去
・ プラズマ化学
・ 半導体プロセス
・ DC放電
・ ICPプラズマ
・ CCPプラズマ
・ スラスタ
・ 誘導結合プラズマ(ICP)
・ マイクロ波プラズマ
事例紹介(1/2)
誘電体バリア放電
3D ICP反応器、
アルゴン化学
直流グロー放電
3DプラズマのモデリングをCOMSOLで行う
ことができます。
方形コイルは誘電体窓の上部
に置き、13.56MHzで電気的に励起します。
このモデルは、大気圧中の気体の絶縁破壊を 誘電体窓の下の、低圧(20 mtorr)のアルゴン 低圧領域での直流グロー放電は、
ガスレーザ
シミュレートしています。誘電体バリア放電の ガスを満 たした チャンバ 内 にプラズ マ が や蛍光灯に長く使用されています。DC放電
モデリングは複数の次元で可能です。
この単純 形成されます。ガスは 二 つ の 2ポートから は、時間に依存していないため魅力的な研究
なモデルの問題は、板の直径よりもはるかに プロセスチャンバ内に流れ、単一の4インチ です。1Dおよび2Dモデルは、陽光柱の解析
小さい隙間を想定し、1Dに選定します。破壊 ポートから抽出されます。プラズマは電磁 を設定するDC放電インタフェースの使用方法
過程の物理を強調するため、
モデルはアルゴン 誘導で保持され、パワーは電磁場から電子 を示します。放電は、カソードの2次電子放出
化学を使用して最小限の種と反応を保持し に伝えられます。
で維持します。
ます。
49
事例紹介(2/2)
双極マイクロ波プラズマ源
無電極ランプ
ドリフト拡散のチュートリアル
電磁気・光学系
ドリフト拡散インタフェースは、
反応/移流/拡散
方程式により、
電子密度および電子エネルギー
このモデルは無電極ランプのアルゴン/水銀 密度を求めます。
このチュートリアルの例では、
の相互関係をシミュレートします。水銀原子 電子密度を計算し、
ドリフトチューブ内の電子
このモデルは、電子の共鳴加熱により持続 の低励起しきい値は、水銀が低濃度で存在 エネルギーを平均します。電子が左境界上の
する2D軸対称の双極マイクロ波プラズマ する場合であっても、その反応を支配する 想定する平均電子エネルギーが解放され、熱
源を示しています。
これは高磁束密度を発生 ことを意味します。
プラズマから185 nmおよび 電子放出します。電子はその後、電子ドリフト
する電子レンジと同様で、電子サイクロトロン 253 nmの強いUV放射があります。UV放射は、速度と反対の、右境界の外部電場に向かって
共鳴(ECR)として知られています。
これは固有 電球の表面にコーティングした蛍光体を刺激 加速させられます。
のCOMSOLを構成させる高度なモデルで、します。電気的な観点から、ランプは2次側
以下を含みます:
負荷として作用するプラズマを伴う変圧器と 容量結合プラズマのベンチマークモデル
- 静磁気モデルの無限要素。
考えることができます。
もしランプの放電効率
- 関数に基づいたアダプティブメッシュは、を1%上げることができれば、世界中で年間
ECR表面に細分メッシュを作成します。
109 kWhの節約をもたらします。
- 電磁波に対してPMLを表現します。
- 高周波電界の三つのコンポーネントすべて 界面化学反応チュートリアル
の自由度にもかかわらず、幾何学的に軸
対称とします。
容量結合プラズマの基礎となる物理学は、
- プラズマ導電率および荷電粒子の全周
比較的簡単な幾何学的構成および、
プラズマ
異方性テンソル。
化学反応を考慮してもかなり複雑です。
この
- 電子によるECR表面の共鳴吸収力。
モデルは、多くの異なるコードに対しての
- 方程式ベースのモデリングは、積分量を
容量結合プラズマの物理インタフェースを
使用して総吸収電力を修正します。
ベンチマークします。
- ソルバの優先順位は、最初に静磁場を計算
し、
プラズマコンポーネントを解きます。
界面化学反応は多くの場合、最も重要であり、大気圧コロナ放電
反応流モデリングで最も見落とされがちな
熱プラズマ
側面もあります。表面速度の式は見つける
ことが難しく、
まったく存在すらしません。多く
の場合、それらは直感的に推測することが
できるため、表面反応の説明に付着係数を
使用することが好ましいです。チュートリアル
モデルは、
化学蒸着(CVD)プロセス中のウエハ
このモデルは、まだ局所熱力学平衡でない からガス放出をシミュレートします。システム このモデルは二つの同軸形状の導体の間
中圧(2 torr)のプラズマをシミュレートします。全体の質量バランス、質量差の平均速度、に発生する、負コロナ放電をシミュレート
低圧では、二つの温度は分離していますが、および拡散速度の検討に細心の注意を払い します。負電位は内部導体に印加し、外部
圧力が上がるにつれて同じリミットに向かい ます。
電位は接地しています。モデル化した放電
ます。
は大気圧アルゴンをシミュレートしています。
イオンエネルギー分布関数
誘導結合プラズマ(ICP)トーチ
表面マイクロ波プラズマ
プラズマモデルを解いた後、最も興味のある
量の一つはイオンエネルギー分布関数(IEDF)
です。IEDFの大きさと形状は、放電パラメータ ICPトーチ: 誘導結合性プラズマトーチのモデル
波動加熱放電は平面波が導波管を使用して の多くに依存します; 圧力、プラズマ電位、シミュレーション結果から、大気圧下のトーチ
反応器に導かれるような非常にシンプルで シース幅、他。非常に低い圧力では無衝突と の電気的特性と熱的特性が明らかになり
よく、
または非常に複雑なECR(電子サイクロ されており、イオンエネルギーは背景ガスと ます。放電は、局所熱力学平衡であると仮定
トロン共鳴)原子炉でもよいです。
この例では、の衝突で遅延しないことを意味します。より されます。
波動を反応器内に入射してアルゴンプラズマ 高い圧力では、イオンはエネルギーで背景
を生成します。波動は部分的にプラズマに ガス分子と衝突し、表面に衝突した瞬間に
吸収および反射され、
プラズマを維持します。分散します。
50
仕様表
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Plasma
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Collisionless Heating
Drift Diffusion Model
Electron Production Rate
General Power Deposition
Inductive Power Deposition
Microwave Power Deposition
Reaction
Species, Non-Electron
Thermal Diffusion of Electrons
>Electron Energy Distribution Function
>Electron Impact Reaction
Diffusion-Models for Heavy Species Transport
Fick's Law
Mixture-Averaged
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電磁気・光学系
AC/DC
Physics Interfaces and Study Types
>Electrical Circuit
Boundary Conditions
Circuit Terminal
Dielectric Shielding
Distributed Capacitance
Distributed Impedance
Electric Shielding
Surface Charge Accumulation
>Floating Potential
Electrical Circuit
Export of SPICE Netlist
Import of SPICE Netlist
Linear Passive Circuit Element
Nonlinear & Active Circuit Element
Voltage and Current Source
Lumped Parameters
S, Y and Z parameter conversions
>Capacitance, Impedance and Admittance Matrix Calculation
>S-Parameter Matrix Calculation
Volumetric Domain Properties
Electric Infinite Domain Modeling with Infinite Elements
Fluid Flow
Boundary Conditions
Vacuum Pump
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or
Pressure
Mass Flow Rate and Mass Flux
Standard Mass Flow Rate (SCCM)
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Wall
Slip Velocity using Viscous Slip and Thermal Creep
Heat Transfer
Volumetric Domain Properties
Ideal Gas
Mathematics
Study Steps
Frequency Domain
Mean Energies
Reduced Electric Fields
Stationary
Frequency-Stationary
Time Dependent
Frequency-Transient
Plasma
Physics Interfaces and Study Types
>Boltzmann Equation, Two-term Approximation
>Capacitively Coupled Plasma
>DC Discharge
>Drift Diffusion
>Heavy Species Transport
>Inductively Coupled Plasma*
>Microwave Plasma*
Equilibrium Discharges
>Combined Inductive/DC Discharge*
>Equilibrium DC Discharge
>Equilibrium Inductively Coupled Plasma*
Boundary Conditions
>Electrons
>Heavy Species
Discretization
Finite Element
Finite Volume
Thermodynamic and Transport Property Data Import
CHEMKIN file import of thermo and transport data
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51
II-1-7 半導体モジュール
～基礎研究における半導体装置の詳細解析～
半導体モジュールにより、半導体デバイス操作の詳細解析が基本
物理特性レベルでできます。
このモジュールのベースは、等温モデル
または非等温輸送モデルを使用したドリフト拡散方程式です。
この
モジュー ル は、バイポ ーラ、金 属 半 導 体 電 界 効 果トランジスタ
(MESFET)、金属酸化物-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、
ショットキーダイオード、サイリスタ、P-N接合など、
さまざまな実用的
電磁気・光学系
装置のシミュレーションに便利です。
マルチフィジックス効果で、半導体デバイスの性能に重要な影響が
与えられることが少なくありません。半導体の処理は、高温で実施
されることが多く、
そのため、材料にストレスがかかることがあります。
また、高出力装置では、かなりの熱が発生することがあります。半導体
モジュールでは、COMSOLプラットフォームで半導体デバイスレベル
のモデル化が可能であり、
複数の物理的効果がかかわるカスタマイズ
したシミュレーションが簡単にできます。
さらに、
このソフトウェアは、
独自の透過性を備えており、いつでもモデル方程式を操作でき、
このモジュールにあらかじめ定義されていない現象を自由に定義
できます。
機能
・ ドリフト拡散方程式(有限体積法)
・ ドリフト拡散方程式(有限要素法)
・ 散乱プロセスを記述する緩和時間近似
用途
・ フェルミ・ディラック統計法およびマクス ・ バイポーラトランジスタ
ウェル・ボルツマン統計法
・ ドーピングプロファイル指定
・ 抵抗接触、ショットキー接触、境界ゲート ・ 静電場と電流
定義
・ SPICE回路
・ 金属半導体電界効果型トランジスタ
(MESFET)
・ 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ
(MOSFET)
・ フォノンイオン化不純物、搬送波・搬送波 ・ 連続擬フェルミ準位または熱イオン放出 ・ ショットキーダイオード
散乱、中性不純物散乱、高磁場速度飽和、
表面散乱の定義済み移動性モデル
・ カスタム移動度モデルを定義する
によるヘテロ接合
・ 衝突イオン化
・ 不完全イオン化
・ オーガー、
直接、
Shockley・Read Hall再結合 ・ 定常・時間依存の小信号解析
速度の機能
52
・ サイリスタ
・ P-N 接合
事例紹介(1/2)
バイポーラトランジスタ
MOSFETのDC特性
1DのP-N接合
Caughey-Thomasの移動度
電磁気・光学系
最初にしきい値電圧を定めるために、ゲート
ポテン
電圧特性に対するドレイン電流を計算します。このシンプルなベンチマークモデルは、
このモデルは、単純なバイポーラトランジスタ 次に、
ドレイン電流に対するドレイン電圧 シャルおよび、有限要素法と有限体積法の
モデルを設定する方法を示しています。
1DのP-N接合のキャリア濃度
特性を計算します。
デバイスの線形領域および 両方を使用して、
エミッタ共通回路構成での電流-電圧特性を 飽和領域は、
これらのプロットから識別する を計算します。書籍(KramerおよびHitchon
計算し、エミッタ共通回路構成の電流増幅率 ことができます。
の"Semiconductor Devices: A Simulation
を決定します。
Approach")の同等のデバイスと結果を比較
します。
シリコンナノワイヤ全周ゲートデバイスの表面 P-N接合ダイオード
トラップ
印加磁場の平行成分の増加に伴い、キャリア
P-N接合のシリコンダイオードにSPICEパラ
は周囲の熱エネルギーおよび、格子への光 全周ゲートMOSFETは、ナノワイヤを電極で メータを引用します。
SPICEパラメータは、
完全
フォノンの放出によるエネルギーを伝達する 囲んだ構造です。ナノワイヤ全体でチャネル なデバイスレベルのシミュレーションと比較
フィールドによりエネルギーを得ることが を形成し、チャネルに可能な限り静電的制御 する、半波整流器の集中素子等価回路モデル
できます。後者の影響は、キャリア移動度の およびMOSFETの微細化に適した対象として の作成に使用します。この例では、正弦波
このモデルは、ゲート表面 ソース、抵抗および接地といった基本的な
飽和につながります。Caughey Thomasの 注目されています。
移動度モデルは既存の移動度モデルにhigh の異なるトラップ密度によるシリコンナノ 半波整流回路を含む素子モデルのP-N接合
ield velocity scattering to an existing mobility ワイヤ全周ゲートデバイスを解析します。ダイオードを2Dメッシュ化して接続します。
model(または一定の移動度を入力)を追加 トラップの効果はゲートからの電界をシールド シミュレーション結果の検証にデバイスシミュ
します。
このモデルは電子および正孔移動度 させ、ひいてはチャネルを開くしきい値電圧 レーションの出力は、
大信号ダイオードモデル
に、Caughey-Thomas high field saturation を高めることです。
を使用して得られた結果と比較します。
modelを使用する方法を示しています。
バイポーラトランジスタの熱解析
バイポーラトランジスタの3D解析
1Dのヘテロ接合
この一次元モデルは、順方向および逆方向
このモデルは、
どのように伝熱(固体)インタ このモデルは、N-P-N接合のバイポーラトラン バイアス下での異なる三つのヘテロ接合
フェースを半導体インタフェースに結び付ける ジスタの3Dシミュレーションを設定する方法 構成をシミュレートします。
モデルは、
バイアス
かを示します。熱解析は、デバイスがactive- を示します。バイポーラトランジスタモデル 下で接合した異なる材料間から発生する電流
forward構成で操作した場合、既存のバイ のデバイスの3Dバージョンを示しており、の伝達を決定するために、熱電子モデルとは
ポーラトランジスタモデルで実行します。COMSOL Multiphysicsを使用して半導体モデ 対照的に連続した擬フェルミ準位モデルを
半導体インタフェースはキャリアダイナミクス、リングを3Dに拡張する方法を示しています。使用して違いを示しています。モデルから
デバイス内の電流および、電気処理による このモデルは2Dバージョンと同様、エミッタ 得られたエネルギー準位は、価電子帯の正孔
加熱項の出力を計算します。加熱項は物理 共通回路で動作するデバイスをシミュレート または伝導体の電子に由来するかどうか、
インタフェースの伝熱の熱源として使用し、します。電圧駆動型のスタディは、電流電圧 すなわち、電流の伝達を強調するため各構成
デバイス全体の温度分布を計算します。物理 応答を特徴づけるために計算し、電流駆動型 間で 比 較します。各シミュレ ーションから
インタフェースの伝熱における温度分布は、のスタディは、
アナログ電流増幅器として動作 得たJ-V曲線(電流密度対印加電圧)は、専門書
半導体インタフェースで格子温度を指定する するデバイスをシミュレートするために実行 から得た結果と比較されます。
ために使用し、電気特性を変更して加熱項の します。
変化を引き起こし、モデルは完全に結び付け
られます。
53
事例紹介(2/2)
MOSFETのブレークダウン
波長調整可能LED
ロンバルディの表面移動度
電磁気・光学系
MOSFETは、
ドレイン-ソース間電圧がゲート
音響フォノンの表面および表面粗さは、特に
電圧に依存する三つの動作領域があります。このアプリケーションは、AlGaN/InGaN系 MOSFETのゲート下にできる薄い反転層の
最初の電流-電圧の関係は線形であり、
これ LEDの発光特性を計算します。発光強度、キャリア移動度に重要な影響を持ちます。
ロン
はオーミック領域です。
ドレイン-ソース間 スペクトル、および発光効率は、印加電圧 バルディの表面移動度のモデルは、マーティ
電圧が増加するにしたがって電流は飽和し や選択範囲を超える電圧の関数として計算 センの法則を使用して既存の移動度モデル
始める、これは飽和領域です。さらに印加 します。InGaN層のインジウム配合は、発光 にこれらの影響による表面散乱を追加します。
電圧を微増させ、
ドレイン-ソース間電圧を 波長を制御するために変更できます。発光
ブレークダウン領域まで増加させると電流 スペクトルを計算し、対応する発行色を表示
は急激に上昇します。
これは衝突電離を引き します。
起こします。
P-N接合のGaAs赤外LED
MESFETのDC特性
このモデルは、電磁スペクトルの赤外線部分 このモデルでは、異なるドレインおよびゲート
で発光するLEDをシミュレートします。
デバイス 電圧での型ドープGaAs MESFETの応答を
構造は、p型ドーピング付近の層かn型ウエハ シミュレートします。Nドープした材料の電子
の上面に形成された単一のP-N接合で構成 濃度は、正孔濃度よりも桁違いに大きくなる
されています。モデルの光学遷移機能は、ことが予想されます。
したがって、
それは通常、
デバイスからの電界発光の計算に使用します。電子および正孔化を使用して必要とされる、
電子物性を計算し、光生成効率を評価します。自由度を差し引 い た 正 確 な 計 算 に多くの
また、発光再結合の空間分布を可視化する キャリアオプションを使用することが可能
ことにより、
出力光の総合効率を最大化できる です。
よう設定提案が行えます。
54
仕様表
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電磁気・光学系
AC/DC
Physics Interfaces and Study Types
>Electrical Circuit
Electrical Circuit
Export of SPICE Netlist
Import of SPICE Netlist
Linear Passive Circuit Element
Nonlinear & Active Circuit Element
Voltage and Current Source
Mathematics
Study Steps
Stationary
Semiconductor Initialization
Semiconductor
Physics Interfaces and Study Types
>Semiconductor
>Semiconductor Optoelectronics, Beam Envelopes*
>Semiconductor Optoelectronics, Frequency Domain*
Boundary Conditions
Surface Charge Density
Thin Insulator Gate
>Continuity/Heterojunction
>Electrostatics Boundary Conditions
>Insulation
>Insulator Interface
>Metal Contact
Carrier Statistics
Fermi-Dirac
Maxwell-Boltzmann
Discretization
Finite Element
Finite Element (Log Equation Formulation)
Finite Volume
Volumetric Domain Properties
>Electrostatics Domain Properties
>Semiconductor Material Model
Doping
>Analytic Doping Model
>Geometric Doping Model
Generation-Recombination
Auger Recombination
Direct Recombination
Impact Ionization Generation
Shockley-Read-Hall Recombination
User-Defined Generation
User-Defined Recombination
Mobility Models
Arora Mobility Model
Caughey-Thomas Mobility Model
Fletcher Mobility Model
Lombardi Surface Mobility Model
Power Law Mobility Model
User Defined Mobility Model
Optoelectronics
>Indirect Optical Transitions
>Optical Transitions
Trap Density
>Analytic Trap Density
>Geometric Trap Density
55
II-2 機械・構造系
機械・構造系
II-2-1 伝熱モジュール
II-2-2 構造力学モジュール
II-2-3 非線形構造材料モジュール
II-2-4 ジオメカニクスモジュール
II-2-5 疲労モジュール
II-2-6 マルチボディダイナミクスモジュール
II-2-7 音響モジュール
57
II-2-1 伝熱モジュール
～固体と流体における伝熱モデルの一般的な目的のために～
伝熱モジュールは装置や部品あるいはプロセスのおける加熱や冷熱
の効果を調べることに役立ちます。
このモジュールは、構造力学、流体
力学、電磁気学、化学反応などのような物理特性と連動する伝熱の
メカニズム(伝導、
対流、
放射)を研究するために、
シミュレーションツール
を提供しています。
ここで伝熱モジュールは、熱やエネルギーの生産、
消費、伝導が研究プロセスで焦点となり、
あるいは重大な影響を及ぼす
場所でのあらゆる産業と応用分野のためにプラットフォームとしての
機能を果たします。
伝熱モジュールには、正確な分析に必要な熱力学データなど多くの
共通の流体とガスの物質特性を含む物資データベースが内部に蓄積
されています。
ここには、伝熱率、熱容量、密度が含まれています。
また
材料ライブラリは、2,500を超える固体材料のデータや代数関係の両方
を持つ材料特性の源泉であり、そこでは、ヤング率や電気伝導率など
の多くの特性に温度依存性があります。伝熱モジュールは、Excel®およびMATLAB®から熱力学などその他の材料データのインポートを支援
機械・構造系
し、
またCAPE-OPENインタフェース接続標準を通じて、外部の熱力学データベースとの接続を支援しています。
機能
用途
・ 伝熱(固体、流体、多孔質媒体)
用途
・ 材料熱処理
・ 生体伝熱
・ アーク溶接
・ 共役伝熱
・ 共役熱伝達
・ 生体加熱治療と温熱療法
・ 乾燥とフリーズドライ
・ 乱流(k・ε、低レイノルズ数 k・ε)
・ 鋳造加工と熱加工
・ 多孔質媒体内での伝熱
・ 3Dシェルモデル
・ ディスクブレーキ
・ 抵抗加熱と誘導加熱
・ 輻射(面・面、関与媒体)
・ 電子冷却
・ 凝固
・ 標準連成(熱・流体、熱・構造、
ジュール発熱)
・ 食品加工、料理、滅菌
・ 構造物の熱性能
・ 摩擦攪拌溶接
・ パワーエレクトロニクスと電子冷却
・ 溶鉱炉とバーナの設計
・ 太陽熱発電セル
・ 熱交換器と冷却フランジ
・ 熱負荷
・ レーザ溶接とレーザ加熱
事例紹介(1/2)
多管式熱交換器
ディスクブレーキの発熱
回路基板の対流冷却
このモデルは自動車のディスクブレーキの、
ブレーキ開放シーケンスでの過渡加熱および 熱源として働く、基板上に装着した複数の
多管式熱交換器は、一般的に製油所や大規模 最終温度の例です。
過渡加熱し、
次に対流冷却 集積回路(IC)一式の空冷を調べます。二つの
な化学プロセスで使用されています。二つの を決定するため最小間隔で一連のブレーキ シナリオが考えられます: 基板を垂直に配置
流体は、それぞれ異なる温度の熱交換器を 係合をモデル化することが重要です。冷却が して自然対流を使用、あるいは水平に配置
通って流れます: 一つは管(チューブ側)で、不十分の場合、ディスクは過熱し、結果として して強制対流(ファン冷却)。この場合、誘導
もう一つはチューブの周囲(シェル側)。複数 ブレーキは故障します。モデルは3Dの伝熱 した(強制)流動により空気の流れが冷却を
の設計パラメータおよび動作条件は、多管式 インタフェースを使用して過渡熱発生、消費、支配します。正確さを高めるため、熱輸送と
熱交換器の最適性能に影響を与えます。
この および次第に遅くなっていく回転をシミュ 流体流れを組み合わせます。
これのモデルは、
例は、熱交換器モデルを設定する基本原則 レートします。ブレーキ係合時間の2/3後に 伝熱モジュールの定義済みの共役熱伝達
を示しています。腐食、熱応力や振動などの 最高温度に達します。結果は、各ブレーキ マルチフィジックスカップリングを使用した
追加効果といった、パラメータの研究を含む 係合間で十分に冷却させるには約100秒必要 回路基板の伝熱の例です。
モデル化のシナリオ
より高度なアプリケーションのための出発点 であることを示しています。
は、Ortega氏が出版した資料に基づ いて
として役立ちます。
います。
58
事例紹介(2/2)
ヒータ回路
アルミ押出成形の流体-構造連成
相変化
日傘の下に置いたクーラーボックスの太陽放 非等温MEMS熱交換器
射による影響
機械・構造系
小型の加熱回路は多くのアプリケーション 圧延や押出のような大規模な成形過程では、この例は相変化をモデル化し、伝熱解析への
で使用されます。例えば製造プロセスでは、理想的には塑性状態で材料を流しがなら、影響を予測する方法を示しています。相変化
反応性流体を加熱します。使用するデバイス 高温の固体状態で金属合金を変形させます。の潜熱の方程式は多くの文献に記述されて
はガラス板上の堆積電気抵抗層からなります。材料が速度および温度に依存すると考え いますが、それらの実装は標準ではありま
回路に電圧を印加すると、
レイヤにジュール られている場合、効果的に計算流体力学を せん。
このモデルは実装済みのインタフェース
加熱が生じます。
レイヤの特性により、熱量が 使用してシミュレートすることができます。を利用できます。熱破壊または相変化による
決定します。
このマルチフィジックスの例は、伝熱方程式が流体力学の一部と完全に結合 放出は流体流れ、マグマ移動および噴出量、
電気発熱、伝熱、機械的応力、および回路 されるよう、移動する材料の内部摩擦は熱源 化学反応、鉱物安定性、および他の多くの
デバイスの熱変形をシミュレートします。
モデル として働きます。大変形が含まれる場合、
この 地球科学アプリケーションに影響を与えます。
はシェルと組み合わせた伝熱モジュールの アプローチは特に有利です。このモデルは この1Dの例は、氷柱を加熱して水に変化する
伝熱インタフェース、AC/DCモジュールのDC 基準となる研究に適合しています。熱-構造 過渡熱伝達を調べるため、伝熱モジュール
導電性媒体インタフェースおよびソリッド、連成は、非ニュートン流れと熱伝達方程式の の多孔質媒体インタフェースの伝熱を使用
構造力学モジュールの応力-ひずみおよび 連成、加えて、流圧および熱負荷による金型 しています。特にモデルは、温度の関数として
シェルインタフェースを使用しています。
の応力について知ることは有益です。
変化する材料特性を処理する方法を示します。
電源筐体のジオメトリ
日傘と太陽放射アプリは、外部放射源として ステンレス製熱交換器に関する例は、バイオ コンピュータの電源ユニット(PSU)の熱挙動
太陽の熱効果をモデル化する方法を示して テクノロジのラボオンチップデバイスやマイ をシミュレートします。
このような筐体の多く
います。アプリは、海辺で日傘の下に二つの クロ燃料電池のマイクロリアクタで見つける は、高温による電子部品の故障を避けるため
クーラーボックスを異なる場所において太陽 ことができます。モデルは3Dで熱交換器に生 冷却装置を組み込んでいます。
このモデルで
放射を調査します。一日の長さを変えること じる、対流および伝導よって伝熱を解析して はファンおよび穴あき格子で空気の流れを
ができ、世界中の海岸を設定することができ います。モデルは温度、デバイスの熱流束を 生み出し、筐体内の内部過熱を弱めます。
ます。
解き、熱交換の対流期間を調べます。
錫の融解
電球内の自由対流
放熱器
このモデルは、流体流れおよび共役熱伝達
シミュレーションに踏み出す第一歩を目的と
しています。以下が操作手順です: 対流冷却
この例では、ステファン問題に応じて移動
をモデル化するためデバイスの周囲に空気
境界インタフェースで相転移をモデル化する
の箱を描き、
自動面積計算を使用して境界の
方法を示しています。固体および液体の両方
全熱流束を設定し、データセットから有効な
を含む方形の空洞は、左右の境界間の温度 このモデルは、電球内のアルゴンガスの自由 手段を選択して結果を表示します。
これは温度による密度差に
差に従います。流体と固体部分は、移動する 対流を扱います。
融解面を共有する別のドメインで解決します。よって誘起された運動量輸送(非等温流れ)
放射および対流)の結びつき
時系列で見た場合、境界の位置はステファン への熱輸送(伝導、
COMSOL Multiphysicsモデル
のエネルギー収支条件に応じて計算されます。を示しています。
融解中は温度勾配により、自然対流で生じる により、電球外面の温度分布、ならびに電球
運動が期待されます。この運動は変位面の 内の温度および圧力分布を決定することが
できます。
ブシネスク近似の使えない高温度
移動にも影響を与えます。
差の対流問題を、弱圧縮性ナビエ・ストークス
方程式で取り扱っています。
59
仕様表
機械・構造系
60
Chemistry
Volumetric Domain Properties
Turbulent Mixing
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Non-Isothermal Flow
>Laminar Flow
>Turbulent Flow, Algebraic yPlus
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, L-VEL
>Turbulent Flow, Low-Reynolds k-epsilon
Single-Phase Flow
>Turbulent Flow, Algebraic yPlus
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, L-VEL
>Turbulent Flow, Low-Reynolds k-epsilon
Boundary Conditions
Fan
Grille
Interior Fan
Marangoni effect (multiphysic coupling)
Screen
Vacuum Pump
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or Pressure
Turbulent Flow
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Wall
>Interior Wall
>Turbulent Flow Wall Functions
Volumetric Domain Properties
Pressure Work, Non-Isothermal Flow
Viscous Heating, Non-Isothermal Flow
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
Marangoni effect
>Bioheat Transfer
>Heat Transfer in Porous Media
>Heat Transfer in Thin Shells
>Local Thermal Non-Equilibrium
>Thermoelectric Effect
Conjugate Heat Transfer
>Laminar
>Turbulent Flow, Algebraic yPlus
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, L-VEL
>Turbulent Flow, Low-Reynolds k-epsilon
Radiation
>Heat Transfer with Radiation in Participating Media
>Heat Transfer with Surface-to-Surface Radiation
>Radiation in Participating Media
>Surface-to-Surface Radiation
Boundary Conditions
Deposited Beam Power
Inflow Heat Flux
Marangoni effect (multiphysic coupling)
Open Boundary
Thermal Contact
> Heat Transfer in Thin Shells
>Fracture
>Isothermal Domain Interface
>Radiation in Participating Media
>Surface-to-Surface Radiation
>Thin Film
>Thin Layer
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Heat Transfer
Edge and Point Conditions
Thin Rod
>Heat Transfer in Thin Shells
>Thin Layer, Thin Film and Fracture
External Radiation Source
Directional Radiation Source
Point Radiation Source
Solar Position
Volumetric Domain Properties
Heat Transfer with Phase Change
Infinite Domain Modeling with Infinite Elements
Isothermal Domain
Opaque Material
Out-of-plane Heat Transfer
Pressure Work
Thermoelastic Damping
Viscous Dissipation
>Heat Transfer in Biological Tissue
>Heat Transfer in Fluids
>Heat Transfer in Porous Media
>Radiation in Participating Media
Ideal Gas
Moist Air
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Other
Wall Distance Initialization
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II-2-2 構造力学モジュール
～構造力学解析ソフト～
構造力学モジュールは、静的負荷や動的負荷を受ける機械構造の解析
専用のモジュールです。
このモジュールは、静的、過渡的、固有モード/
モーダル、パラメトリック、準静的、周波数応答、座屈、
プレストレスト
などさまざまな解析タイプに利用できます。
構造力学モジュールには、2次元、2次元の軸対象、固体の3次元座標
系、
シェル(3次元)、
プレート(2次元)、
トラス(2次元、3次元)、薄膜(2次元
軸対象、3次元)、ビーム(2次元、3次元)解析用のユーザインタフェース
があります。
これらのインタフェースでは、
幾何学的非線形による大変形
解析、
機械的接触、
熱歪み、
圧電材料、
流体-構造連成(FSI)を処理します。
非線形材料解析には、非線形構造材料モジュールとジオメカニクス
モジュールという2つのアドオン製品を用意しました。疲労寿命評価
には、柔軟体と剛体力学のモデル化用として疲労モジュール、また
アドオンのマルチボディダイナミクスモジュールがあります。構造力学
モジュールは、COMSOL Multiphysicsやその他用途固有のモジュール
機械・構造系
と連携して機能し、機械構造と電磁場、流量、化学的反応間の連成など、
さまざまなマルチフィジックス現象の構造解析と連成できます。
機能
1
・ 音響-構造連成1
・ 薄膜
・ ビーム
・ モード解析
・ ソリッド
・ 応力光学効果
4
・ 生物力学
・ マルチボディダイナミクス4
・ 構造的接触と摩擦
・ 座屈と後座屈
・ 非線形材料5
・ 構造最適化7
・ 接触解析
・ 圧電素子
・ 構造振動
・ 疲労評価2
・ 多孔質弾性6
・ 熱応力
・ 流体-構造連成(FSI)
・ プレストレスト構造
・ トラス
・ 幾何学的非線形性
・ ロータ動力学
・ 粘弾性
・ 大変形
・ シェル
5
2
3
・ 潤滑と弾性流体力学3
1 音響モジュール と連携
2 疲労モジュール と連携
3 CFD モジュールと連携
7
6
7 最適化モジュールと連携
4 マルチボディダイナミクスモジュールと連携
5 非線形構造材料モジュールおよびジオメカニクスモジュール
と連携
6 地下水流モジュールと連携
事例紹介(1/2)
圧電せん断駆動梁
ビームの大変形解析
積層板中の熱応力
モデルは圧電素子デバイスインタフェースを
積層板中の熱応力を、
この例で研究します。
使用して、片持ち梁の運動に基づ いて圧電 この例は大たわみが起きている、片もち梁の コーティングおよび基板層の二層からなる板
アクチュエータの静的解析を行います。圧電 たわみをスタディします。また構造の線形 は800℃で、
応力と歪みはありません。
板の温度
材料のせん断モードを使用して斜めに歪め 座屈解析も行われます。モデルはNAFEMSの を150℃に下げると、熱応力が誘起されます。
Section 5.2、Background to Finite Element 三番目の層、
ます。
キャリア層を追加し、
コーティング
Analysis of Geometric Non-linearityベンチ および基板層内に初期応力として熱応力を
マークによります。
追加し、温度は最終的に20℃まで低下します。
61
事例紹介(2/2)
ブラケット-非定常解析
アルミ押出成形の流体-構造連成
圧力センサの吸湿解析
機械・構造系
圧延や押出のような大規模な成形過程では、
これらのモデルは構造力学モジュールを使用 理想的には塑性状態で材料を流しがなら、超小型電子回路の集積に、MEMSデバイス
した、構造力学モデリングの手引きとして使用 高温の固体状態で金属合金を変形させます。はプリント基板上に接合し、他のデバイスと
されています。
以下の機能が導入されています: 材料が速度および温度に依存すると考え 接続しています。そして、回路全体の多くは、
られている場合、効果的に計算流体力学を エポキシ樹脂封止材(EMC)でコーティング
- パラメトリックスタディ - 非定常解析
使用してシミュレートすることができます。してデバイスを保護し、基板と連結されます。
- 固有振動数解析
- 初期ひずみを含む
伝熱方程式が流体力学の一部と完全に結合 このような用途に使用されるエポキシポリマ
- プレストレス固有振動数
- 熱膨張のモデル化
されるよう、移動する材料の内部摩擦は熱源 は、吸湿や吸湿膨張によりEMCと基板間の
- ジットコネクタの追加 解析
として働きます。大変形が含まれる場合、
この 層間剥離や、MEMS部品の誤動作につながり
- スプリング条件の追加 - 周波数応答解析
アプローチは特に有利です。このモデルは ます。MEMS Pressure Sensor Drift appは、
- シェルのモデリング - プレストレス周波数応答
基準となる研究に適合しています。熱-構造 吸湿膨張によるMEMS圧力センサの湿潤
- シェルフィジックスイン 解析
連成は、非ニュートン流れと熱伝達方程式の 環境へのドリフト計測をシミュレートします。
タフェースのモデリング - 幾何学的非線形性問題:
連成、加えて、流圧および熱負荷による金型 本アプリケーションは、必要な感度を達成
線形座屈モデリング
し、ドリフトを最 小 限 に抑えるの に役 立ち
の応力について知ることは有益です。
- 接触問題のモデリング
ます。そのためには、幾何学的パラメータ、
モールドコンパウンド材料特性、外部条件を
粘弾性材料製のダンパの過渡的構造解析
蠕動ポンプ
指定します。本アプリケーションは、COMSOL
Multiphysics®ソフトウェアのTransport of
Diluted Species、固体力学インタフェースと
Shellインタフェースで構成されています。
音響-構造連成
粘弾性材料の層を含む減衰要素は多くの
蠕動ポンプでは、回転ローラがフレキシブル 場合、地震および建物や高層建築物の風誘発
チューブを絞ります。
ローラがチューブに沿って 振動の低減に使用されています。共通する
移動すると、チューブ内の流体が後に続き 特徴は強制振動周波数が低いことです。
この
ます。蠕動ポンプの利点は密閉せず、
弁または アプリケーションは、粘弾性ダンパの強制
他の内部部品が常に流体に触れていること 応答の典型的なスタディです。
この解析には 液体や気体の音響へは膜、板またはソリッド
です。
その清潔さにより、
蠕動ポンプは医薬品、二つの例が含まれています: 周波数応答解析 として構造体オブジェクトに結合され、多くの
工学分野における重要なアプリケーション
化学、生物医学や食品産業に多く利用されて および時間依存解析。
です。このモデルはソリッドオブジェクトに
います。COMSOL Multiphysicsの蠕動ポンプ
結合している、3Dの音響流体現象の一般的な
モデルは、構造力学(チューブを絞るモデル)、ヒータ回路
デモです。
ソリッドオブジェクトの壁は、音圧の
および流体力学(流体の運動を計算)の組み
影響を受けています。
ソリッドから周波数応答
合わせです; すなわち、
これは流体-構造連成
を計算し、その後波形パターンを分析できる
(FSI)の例です。
よう音響ドメインにフィードバックします。
このようなモデルは、散乱問題の良い例と
血管組織網の流体-構造連成
なります。
小型の加熱回路は多くのアプリケーション 接触のベンチマークテスト
で使用されます。例えば製造プロセスでは、
反応性流体を加熱します。使用するデバイス
はガラス板上の堆積電気抵抗層からなります。
このモデルは、
幼児の血管系の一部です - 上行 回路に電圧を印加すると、
レイヤにジュール
大動脈。
血管は生体組織(心筋)に埋め込まれ、加熱が生じます。
レイヤの特性により、熱量が
血流による内壁への圧力は血管壁の変形を 決定します。
このマルチフィジックスの例は、
引き起こします。異なる二つの手順を結び 電気発熱、伝熱、機械的応力、および回路
つけて完全な解析を構成します: 速度場の デバイスの熱変形をシミュレートします。
モデル 両方の構造が弾性の、無限長の鋼製円柱が
計算と血液中(可変時間および可変空間)の はシェルと組み合わせた伝熱モジュールの 平たいアルミ基盤上に乗っていることを考えて
円柱は上部に沿って点荷重にさらされ
圧力分布および、組織と動脈の変形の機械的 伝熱インタフェース、AC/DCモジュールのDC みます。
この研究の目的は接触圧分布と、基盤と
解析です。材料は非線形だと仮定し、超弾性 導電性媒体インタフェースおよびソリッド、ます。
解析解
モデルを使用します。
構造力学モジュールの応力-ひずみおよび 円柱間の接触長さを見つけることです。
があり、
このモデルはCOMSOL Multiphysics
シェルインタフェースを使用しています。
の解に対しての比較が含まれています。
この
モデルはNAFEMSベンチマークに基づいて
います。
62
仕様表
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Structural Mechanics
Conditions on Surfaces
Piezoresistivity, Shell
Damping*
Linear Elastic Material, Shell and Plate*
Thermal Expansion*
Thin Conductive Layer*
Thin Piezoresistive Layer*
Shell and Plate
Added Mass
Body Load
Face Load
Geometric Nonlinearity
Gravity
Offset
>Linear Elastic Material
>Rotating Frame
>Spring foundation
Multiphysics Couplings
>Acoustic-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
Solid Mechanics
Added Mass
Follower Pressure Load
Low-Reflecting Boundary
Prescribed Acceleration
Prescribed Velocity
Symmetry/Antisymmetry
Thin Elastic Layer
>Contact
>Spring Foundation
Multiphysics Couplings
>Fluid-Structure Interaction, Fixed
Geometry
Edge and Point Conditions
Beam
Added Mass
Cross-Section Data
Fixed
Geometric Nonlinearity
Gravity
No Rotation
Pinned
Point Mass
Prescribed Displacement/Rotation
Symmetry/Antisymmetry
>Linear Elastic Material
>Rotating Frame
>Spring Foundation
Membrane
Added Mass
Edge Load
Fixed
Point Load
Prescribed Displacement
Symmetry/Antisymmetry
>Spring Foundation
Shell and Plate
Added Mass
Edge Force and Moment
Fixed
No Rotation
Pinned
Point Force and Moment
Point Mass
Prescribed Displacement/Rotation
Simply Supported
Symmetry/Antisymmetry
>Spring Foundation
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Structural Mechanics
Edge and Point Conditions
Solid Mechanics
Added Mass
>Spring Foundation
Truss
Added Mass
Cross-Section Data
Geometric Nonlinearity
Gravity
Pinned
Point Mass
Prescribed Displacement
Straight-Edge Constraint
>Linear Elastic Material
>Rotating Frame
>Spring Foundation
>Spring-Damper
Special Conditions
Beam
Shell Connection
Solid Connection
Shell
Beam Connection
Solid Connection
>Rigid Connector
Solid Mechanics
Beam Connection
Shell Connection
>Bolt Pre-Tension
>Rigid Connector
Volumetric Domain Properties
Geometric Nonlinearity
Infinite Domain Modeling with Infinite
Elements
Infinite Domain Modeling with Perfectly
Matched Layers
Initial Stress and Strain Tensors
Joule Heating Model for Thermal
Expansion
Solid Mechanics
Added Mass
Gravity
>Rotating Frame
Constitutive Relations
External Stress-Strain Relation
>Piezoelectric Material
>Rigid Domain
>Viscoelasticity
Multiphysics Couplings
>Hygroscopic Swelling
>Piezoelectric Effect
>Thermal Expansion
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●
機械・構造系
Acoustics
Physics Interfaces and Study Types
Acoustic-Structure Interaction
>Acoustic-Shell Interaction, Frequency
Domain*
>Acoustic-Shell Interaction, Transient*
Thermoacoustics
>Thermoacoustic-Shell Interaction,
Frequency Domain*
Edge and Point Conditions
Shell Edge and Point Conditions
Solid Spring Foundation
Multiphysics
Domain Multiphysics Couplings
Piezoelectric Effect
Volumetric Domain Properties
Infinite Solid Domain Modeling with
Perfectly Matched Layers
Acoustic-Structure Interaction
Initial Stress and Strain Tensors
>Piezoelectric Devices
Chemistry
Volumetric Domain Properties
Diffusion-Models for Transport of
Concentrated Species
>Hygroscopic Swelling
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
>Fluid-Structure Interaction (FSI)
Volumetric Domain Properties
>Fluid-Structure Interaction (FSI)
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Other
Linear Buckling
Viscoelastic Transient Initialization
Time Dependent
Modal Reduced Order Model
Time-Dependent Modal
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
>Beam
>Beam Cross Section
>Joule Heating and Thermal Expansion
>Membrane
>Piezoelectric Devices
>Piezoresistivity, Shell*
>Plate
>Shell
>Thermal Stress
>Truss
Conditions on Surfaces
Beam Cross Section
Hole
Electromechanics
Membrane
Added Mass
Body Load
Face Load
Geometric Nonlinearity
Gravity
>Linear Elastic Material
>Rotating Frame
>Spring Foundation
>Viscoelasticity
Multiphysics Couplings
>Acoustic-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
●
●
●
●
●
●
●
●
●
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●
63
II-2-3 非線形構造材料モジュール
～非線形材料モデルによる構造力学解析の補強～
構造力学モジュールまたはMEMSモジュールと併用
非線形構造材モジュールは、構造力学モジュールとMEMSモジュール
の機械的機能を、大きな歪み塑性変形機能など非線形材料モデルで
強化します。構造の力学応力が大きくなると、材料特性における一定の
非線形性により、線形材料モデルは放棄しなければなりません。
この
ような状況は高温など一定の動作条件でも発生します。非線形構造
材料モジュールは、弾組成、粘塑性、
クリープ、超弾性材料の各モデル
を追加します。
応力また不変量または歪み不変量、
流動則、
クリープ則をベースにした
ユーザ定義の材料モデルは、組み込み構成則から初めてユーザインタ
フェースで簡単に、直接作成できます。材料モデルの組み合わせと、
マルチフィジックス効果の取り込みの両方ができます。
このモジュール
を加えたチュートリアルモデルは、
クリープと可塑性を組み合わせた、
熱的に誘発されたクリープと粘塑性および直交異方性の可塑性で
これを紹介しています。非線形構造材モジュールには、疲労モジュール
機械・構造系
とマルチボディダイナミクスモジュールと組み合わせる重要な用途が
あります。
機能
・ 弾塑性
・ ユーザ定義のクリープ、超弾性、可塑性
・ 超弾性
・ 応力不変量または歪み不変量と主ストレッチによるユーザ定義のモデリング
・ 粘塑性
・ 温度依存材料データなど非線形構造材料のマルチフィジックス
・ クリープ
・ 疲労モジュールと連携可能
・ 大変形
・ マルチボディダイナミクスモジュールと連携可能
・ 歪みの大きい可塑性
・ 直交異方性 Hill可塑性
事例紹介(1/2)
超弾性シール
はんだ接合部の粘塑性クリープ
パイプの弾塑性圧縮
このモデルは熱負荷の下でAnand粘塑性を
このモデルはソフトラバーを材料とした、用いて大規模に適するよう、小規模での弾性 噴出防止の一環として、迅速にパイプを封止
自動車のドアシールの荷重-たわみ関係を 変形に等方性、粘塑性変形を組み合わせて、が必要になることがあります。この例では、
スタディします。定式と共にある超弾性モデル はんだ接合部の粘塑性クリープをスタディ 二つの平面圧子に挟まれた円形パイプを
は、大変形および接触条件を考慮します。 します。
ジオメトリは、二つの電子部品(チップ) 圧迫するシミュレーションを示しています。
を回路基板上に複数の半田ボールで実装して モデルは非常に大きな可塑性歪みと接触に
います。熱負荷後、約40秒では著しい塑性 よる解析の一例として提供しています。
流動が見られます。
64
事例紹介(2/2)
圧力容器内の温度依存可塑性
ゴム風船の膨張
スナップフック
この例では非線形構造材料モジュールで このモデルは異なる超弾性材料モデルでの この例はスナップフックを溝に引っ掛ける
温度依存性材料を使用する方法を示します。ゴム風船の膨張を調査し、解析方程式の結果 シミュレーションです。
このような留め具は、
大型容器内に加圧熱水があります。複数の を比較することを目的としています。
この分野 例えば車内のコントロールパネルなど自動車
パイプが圧力用に取り付けてあります。
これら は臨床応用、心臓血管研究および医療機器 業界では一般的です。
この場合、溝にフック
のパイプは緊急冷却の場合、速やかに冷水 産業に利益をもたらすため、風船の膨張時 を引っ掛けるための力を分析する必要が
を送り込みます。圧力容器は、炭素鋼と内面 の性質を理解することが重要です。
あります。数学上の観点では、
これはフックと
がステンレス鋼のクラッド鋼板で作られて 例はG. Holzapfelの著書、”Nonlinear Solid 溝の接触相互作用による高非線形構造解析、
います。速い温度過渡の場合、材料間の熱 Mechanics”を参考にしています。
フックのために選択した弾塑性構成式、
および
膨張性の違いにより高応力が発生します。
大変形による幾何学的非線形性です。
動脈壁の力学
機械・構造系
弾塑性金属棒のネッキング
Hill ‘48の直交異方性塑性によるシートメタル
成形
非線形等方性の硬化挙動の弾塑性材料の
金属成形は、材料の追加や除去をすること
丸い金属棒は、短軸引張に支配されます。
なく機械的変形にによる、金属部品を再形成
著しい応力を受ける金属棒の高塑性を理解 このモデルは動脈壁にコラーゲン性の組織 する金属加工プロセスです。
これは主に塑性
します。ネッキング現象を捕捉し、伸張を正確 をモデル化するための、異方性超弾性材料を 変形に基づいて、
物体に永久歪みを与えます。
にシミュレートします。半径の変化は、他の 実装する方法を示しています。超弾性モデル ここでは、シートメタル成形プロセスの数値
文献からの結果と十分一致します。
この例は、はHolzapfel-Gasser-Ogden materialと呼ばれ、シミュレーションは、金属塑性の直交異方性
大塑性ひずみコードの古典的なベンチマーク 以下に基づいています: Journal of elasticity 材料の条件(Hill ‘48)を用いて行いました。別
のVolume 61、1-48の”A new constitutive の形成プロセスが業界で使用されています。
です。
framework for arterial wall mechanics and この例では、金型成形を使用して加工しま
a comparative study of material models”、した。材料は金型にプレスされます。
Holzapfel, G. A., Gasser, T. C., & Ogden, R. W。
医療用ステント伸張時における塑性変形
熱クリープ
レール鋼の音弾性効果
クリープは、材料が十分高温で応力を加えた
ときに生じる時間依存非弾性変形であり、
ステントは、血管形成術中に冠状動脈を開く 融点の40%です。実験に基づくクリープデータ
ために使用する、
ワイヤメッシュ製のチューブ (一定応力および恒温を使用した)では、時間 音 響 弾 性 効 果 は、静 的 弾 性 変 形を受 ける
プレ
です。設計は、
ステントを留置する経皮経管的 の関数として三段階のひずみ速度が表れます: 構造に伝搬する弾性波の速度変化です。
クリープの ストレス状態での非破壊検査で、超音波技術
血管形成術には重要です。治療中ステントは、・ 初期の一次クリープ領域では、
この例では、鉄道
バルーンにより血管内で展開されます。展開 ひずみ速度は、時間とともに減少します。 が多く使用されています。
クリープのひずみ のレールに一般的に使用されているレール
されたステントは、血管を開き続けさせる・ 二次クリープ領域では、
鋼における、音響弾性効果をスタディします。
ための足場としての役割を果たします。治療 速度は、ほぼ一定です。
クリープのひずみ 解析は、
変位勾配の観点での弾性ポテンシャル
中にステントの不均一な伸張やフォアショート・ 三次クリープ領域では、
ニングにより、動脈に損傷を与えることがあり は、最終破断まで時間とともに増大します。の三次拡張に基づき、Murnaghanの超弾性
クリープ挙動を示す材料に、材料モデルに準拠しています。音弾性効果の
ます。ステント設計の実行可能性チェックし、このモデルは、
ステントを展開する半径方向圧力の影響を 長い時間をかけて応力履歴を計算します。一例であるこの材料モデルは、材料や構造に
受ける変形過程をスタディします。
このモデル このモデルはNAFEMSの、Understanding おける様々な非線形効果のスタディに使用
ではドッグボーニングおよびフォアショート Non-Linear Finite Analysis Through Illustrative できます。
ニング効果の両方を監視し、ジオメトリ設計 Benchmarksに基づいています。変位および
パラメータを変更して最適なパフォーマンス 応力レベルを与えられた数値と参照して比較
します。
得るための結論を導き出します。
65
仕様表
機械・構造系
66
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
Conditions on Surfaces
Beam Cross Section
Electromechanics
Membrane
>Creep
>Hyperelastic Material
>Nonlinear Elastic Material
>Plasticity
>Viscoplasticity
Edge and Point Conditions
Truss
>Plasticity
Volumetric Domain Properties
Geometric Nonlinearity
Solid Mechanics
Constitutive Relations
>Creep
>Hyperelastic Material
>Nonlinear Elastic Material
>Plasticity
>Viscoplasticity
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
II-2-4 ジオメカニクスモジュール
～地質工学におけるジオメカニクス材料モデル～
構造力学モジュールと併用
構造力学モジュールにジオメカニクスモジュールを追加することに
より、
トンネル、掘削、
スロープの安定性、擁壁構造物など、地質工学的
適用の妥当性について分析することができます。
このモジュールには、
いくつかの非線形地質工学材料モデルを利用することによって、変形、
塑性、
クリープ、土砂や石の損傷、杭や補助物など人工構造物との相互
作用などを調べるための個々に適した物理特性インタフェースが内包
されています。
ジオメカニクスモジュールはミーゼスおよびトレスカ基準によって
金属の塑性を特徴づける標準的な非線形材料モジュールを備えて
います。さらに、ジオメカニクスモジュールには固体力学をモデル
化する物理特性インタフェースに組み込まれた、土砂、
コンクリート、
石の非線形材料モデルがあります。
機械・構造系
機能
用途
・ Bresler-PisterとOttosen コンクリートモデル
・ 土壌中のクリープ
・ 核廃棄物施設
・ Drucker-PragerとMohr-Coulomb土壌モデル
・ コンクリートと脆性材料の破壊
・ 保持構造と補強
・ Hoek-Brown岩盤モデル
・ 可塑性材料と飽和土
・ 道路
・ Matsuoka-NakaiとLade-Duncan土壌モデル
・ 築堤
・ スラブ
・ 修正版Cam-Clay土壌モデル
・ 発掘物
・ 斜面安定性
・ ユーザ定義の土壌、岩石とコンクリート材料
・ 基礎
・ トンネル
・ Willam-Warnke コンクリートモデル
・ Von MisesとTrescaモデルによる金属塑性モデル
事例紹介(1/2)
掘削
ブロックの検証
カムクレイ材料モデルの等方性圧縮
等方性圧縮は土壌試験で一般的に用いられ
この掘削モデルは、
ドイツ土質工学会の作業
ます。修正カムクレイモデルは、空隙率と圧力
部会によって指定されたベンチマーク演習から このモデルは土質材料の供試体に一軸圧縮 の対数間の関係を記述します。
この例では、
ヒントを得ています。モデルでは、パラメータ 試験を設定する方法を示します。垂直降伏 直径10 cmのシリンダ内に高さ10 cmの土を
スイープにより20 mの掘削を10ステップで 応力の解析に、一軸圧縮および単純な初期 入れています。対称性のため、モデルは2軸
モデル化します。土壌と擁壁間の相互作用は 応力値を決定することができます。試供体は 対称で解決します。境界荷重は、等方性圧縮
接触ペアを使用してモデル化し、掘削深度に 土壌の可塑性およびMohr-Coulomb基準で の条件を生成します。
モデル化されています。
達すると支柱が有効になります。
67
事例紹介(2/2)
鉄筋コンクリート梁
トンネル掘削
機械・構造系
このモデルはトンネル掘削時の地盤の挙動
を推定しています。地表沈下およびトンネル 鉄筋コンクリート梁は、強度と耐久性により、
コンクリート構造物はほとんどの場合、棒鋼 周囲の塑性域幅は、掘削中に必要な補強材 一般的に現代建築に使用されています。技術
(“鉄筋”)の補強材が入っています。COMSOL を予測する重要なパラメータです。二つの 者は梁をシミュレートすることで、得られた
では、固体力学インタフェースにトラスインタ ステップをスタディします。最初に、
トンネルを 構造がうまく機能し、安全であるかを確認
フェースを追加して個々の鉄筋をモデル化し、掘削する前の地盤の応力状態を計算します。することができます。シミュレーションアプリ
コンクリートに使用します。変位は固体内の 二番目にトンネル掘削後の弾塑性挙動を は、すべてのレベルの技術者が解析すること
特定の位置からマッピングしているため、計算し、最初のステップで計算した地殻応力 ができ、簡単に異なるデザインを試験する
固体のコンクリート用メッシュと鉄筋用の を使用します。最初のステップで地盤を弾性 ことができます。
Parameterized Concrete Beam
メッシュは独立しています。
とみなし、二番目のステップでDrucker-Prager のデモアプリは、任意の梁の構造特性および
アプリユーザ
基準の土壌塑性関数を追加します。モデルは 鉄筋設計に焦点を当てています。
は例えば、梁の幾何学的パラメータ、鋼および
二次元の平面ひずみで解決します。
コンクリートの材料特性、鉄筋の分布、および
粘土層上の柔軟で柔らかい布基礎
梁の端の境界条件のパラメータ範囲を変更
三軸圧縮試験
するオプションを持っています。表示される
結果は、コンクリートと鉄筋の軸方向応力、
たわみ、および可塑性発生領域です。
地盤問題のための浅い粘土層は一般的な
検証モデルです。このモデルでは、粘土層
表面に鉛直加重を適用し、静的応答および
崩壊荷重をスタディします。粘土は弾完全
三軸圧縮試験は、研究室で最も一般的な土質 塑性材料としてモデル化され、平面ひずみ
試験の一つです。
通常、
ゴム膜の内側の供試体 状態でモールクーロンの降伏条件を使用
に半径方向圧力をかけます。
このモデルでは、します。応答は、非関連流れ則などをスタディ
垂直変位および拘束圧が供試体に適用され、します。
様々な拘束圧の静的応答および崩壊荷重を
スタディします。材料はDrucker-Prager基準
の土壌塑性関数をモデル化しています。解析
は、軸対象を考慮することにより簡略化する
ことができます。
仕様表
Structural Mechanics
Conditions on Surfaces
Membrane
>Creep
>Nonlinear Elastic Material
>Plasticity
Edge and Point Conditions
Truss
>Plasticity
Volumetric Domain Properties
Geometric Nonlinearity
Solid Mechanics
Constitutive Relations
Modified Cam-Clay Material
>Concrete
>Creep
>Nonlinear Elastic Material
>Plasticity
>Rocks
>Soil Plasticity
68
パラメータ化したコンクリート梁
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
II-2-5 疲労モジュール
構造力学モジュールと併用
～歪みと応力ベース、高・低サイクル疲労解析～
構造物が素材疲労のために、繰り返し荷重を受けるとき、静限界以上
の荷重で機能しなくなる恐れがあります。仮想疲労解析は、COMSOL
Multiphysicsの環境で構造力学モジュールのアドオンである疲労
モジュールを使って実行できます。応力や歪みをベースとする臨界面
法により、高サイクルおよび低サイクル疲労領域を評価することが
できます。さまざまな荷重を扱う場合、累積損傷は応力履歴および
疲労限界から計算されます。
この疲労応力サイクルは固体、
プレート、
シェル、マルチボディのほか、熱応力や変形、圧電素子などの応用
分野でもシミュレーションすることができます。
機械・構造系
機能
以下の物理インタフェースを用いたアプリケーションで
・ 臨界面法
・ Fatemi-Socie基準
・ 蓄積ダメージ解析
・ Smith-Watson-Topper(SWT)基準
疲労解析:
・ 応力ベースの疲労
・ Wang-Brown基準
・ 固体力学
・ 歪みベースの疲労
・ Morrow平均応力補正
・ シェルとプレート
・ 高サイクル疲労
・ レインフローカウンティング
・ マルチボディダイナミクス
・ 低サイクル疲労
・ Palmgren-Miner
・ 熱応力、熱膨張
・ Findley基準
・ 弾塑性材の近似疲労計算
・ ジュール加熱
・ Matake基準
・ 非線形構造材料やジオメカニクスモジュール
・ 圧電素子
・ 垂直応力基準
弾塑性材の近似疲労計算
と組み合わせ、
事例紹介(1/2)
ボールグリッドアレイのエネルギーに基づく
熱疲労寿命予測
穴開きシリンダの弾塑性低サイクル疲労解析 切り欠きを入れた穴開きシリンダの低サイクル
疲労解析
耐荷重コンポーネントの構造は、材料の局部
冷却システムにおいて、マイクロ電子部品は 降伏が発生すると周期的負荷は多軸繰り返し 耐荷重コンポーネントの構造は、材料の局部
重要な関係とされています。
電源のオンおよび 負荷にさらされます。
このモデルは、Smith- 降伏が発生すると周期的負荷は多軸繰り返し
オフが繰り返されるため、
温度サイクルを受け Watson-Topper (SWT)モデルの一部に基づい 負荷にさらされます。
このモデルは、Smithます。
その結果、はんだ接合にクラックが成長 て低サイクル疲労解析を行います。局部降伏 Watson-Topper (SWT)モデルの一部に基づい
してプリント基板からチップが剥がれ、部品は により、応力と疲労評価のひずみ分布を取得 て低サイクル疲労解析を行います。局部降伏
動作機能を失います。二つのボールグリッド する、二つの方法があります。一つ目は、移動 により、応力と疲労評価のひずみ分布を取得
アセンブリのはんだ接合部の寿命Darveaux 硬化の完全弾塑性解析で、二つ目は、可塑性 する、二つの方法があります。一つ目は、線形
エネルギーベースモデルで予測します。疲労 のノイバー補正の線形弾性解析です。
二つ目は、
Rambergこの例 移動硬化の弾塑性解析で、
モデルは、
クラックが成長する薄層の平均エネ では最初の方法を調査します。
同様の問題は、Osgood材料モデルに基づく可塑性のノイバー
ルギー散逸密度に基づいて損傷を評価します。“Notch Approximation to Low-Cycle Fatigue 補正の線形弾性解析です。
この例では、
二番目
Analysis of Cylinder with a Hole”モデルで、の方法を調査します。同様の問題は、“LowCycle Fatigue Analysis of Cylinder with a Hole”
弾性アプローチを使用して解決します。
モデルで、
完全弾塑性を使用して解決します。
69
事例紹介(2/2)
疲労解析の周期カウント - ベンチマーク
軸とフィレットの非比例的負荷による疲労解析 円筒試験片の高サイクル疲労の解析
レインフロー法のベンチマークモデルは平板 このベンチマークモデルは臨界面法を使用
の引張試験片を使用し、ASTMとCOMSOLの して、非比例負荷の高サイクル疲労解析を 疲労モジュールのベンチマークモデルです。
円筒形の試験は非比例加重で記述されます。
疲労モジュールの結果を比較します。伸びは 実行する方法を示しています。
Findley、垂直応力、Matake基準によって計算
Palmgren-Minerモデルより累積損傷を計算
往復ピストン機関の高サイクル疲労
し、疲労限界と比較します。
し、解析式で結果を比較します。
金具 – 疲労評価
フレームの疲労寿命
機械・構造系
往復ピストン機関でのコンロッドは、
往復運動
を回転運動に変換します。
コンロッドは、常に
シミュレーションによる疲労解析は、疲労試験 高応力下にあり、負荷はエンジンの回転数と
を行うよりもはるかに近道で、加荷重および ともに増加します。エンジン内の部品の一つ
無荷重を繰り返し、失敗を重ねて確信できる が故障すると、通常はエンジン全体を交換 ヴェーラー曲線とも呼ばれるS-N曲線は、疲労
設計かを判断します。
このアプリケーションは、します。
したがって、すべてのエンジン部品が 評価のための最も人気のある方法の一つ
切り欠きのあるフレームの疲労寿命を評価 エンジンの稼動寿命中に故障しないよう設計 です。曲線は、応力の大きさに関する疲労
します。
これは疲労の概念を理解し、独自設計 することが非常に重要です。
コンロッドは重要 寿命を抑え、標準の疲労試験を設定して直接
アプリケーションは
のアプリを構築するために有用です。Frame な部品と認識されており、
疲労の観点から解析 取得することができます。
Fatigue Lifeアプリは、
切り欠きの形状変更や、されます。Basquinの高サイクル疲労基準を 何回も疲労試験の実験条件とは異なる条件
異なった荷重の種類や材料をテストすること 使用して疲労寿命を予測しています。
この例は、にさらされます。疲労データはその後、実際
ができます。荷重履歴とS-N曲線はテキスト エンジンの重要な部分は柔軟体で、
残りの部分 の動作条件を考慮して適切に修正する必要
ファイルから読み取ることができます。ジオ は剛体でモデル化した、マルチダイナミクス があります。例では、材料データが過酷な
メトリはパラメータ化されており、アプリは モジュールのThree-Cylinder Reciprocating 環境条件を考慮する必要がある場合や不良
幾何学的パラメータの感度を決定でき、最適 Engineモデルに基づいています。別の部品 材料プロセスで、疲労評価を実行する方法を
な構成を得ることができます。
への接続には、
異なる種類のジョイントを入手 示しています。チュートリアルモデルでは、
できます。この技術は、アセンブリの力平衡 構造力学モジュールで金具を観察します。
表面実装型抵抗器の熱疲労
を維持しながら、モデルサイズを大きく縮小
ホイールリムの疲労解析
します。
ランダムな非比例負荷による疲労解析
表面実装型抵抗器は熱サイクルにさらされ
ます。異なる材料の熱膨張の差は、構造内に
応力を引き起こします。
プリント基板と抵抗器
疲労解析をホイールリム上で実行します。
を接続するはんだは、アセンブル内で最も
弱いつながりとして見られています。
これは、中央に切り欠きのあるフレームは、1000の Findleyの疲労基準が検査されます。利用
時間および温度両方の変化に非線形応答 荷重イベントで構成されるランダム荷重を受け しているサブモデリング技術は、スパイクの
します。部品の構造的完全性を確実にする ます。外部負荷は三つのひずみゲージを使用 重要な部分についての詳細なスタディが行え
ため、疲労解析が二回行われています。最初 して記録し、三つの単位荷重を重ね合わせて ます。最初にフルモデルでのスタディを行い
は、Coffin-Mansonモデルにより、寿命予測 シミュレートします。切り欠き周囲の応力状態 ます。重要な部分を識別し、サブモデルが再
ホイールの周囲を回転される道路
に基づいた非弾性ひずみで、二番目に疲労 は、レインフロー法より取得します。損傷は 解析します。
の定式化による消散クリープエネルギーを Palmgren-Miner線形損傷則を使って計算 負荷は、フルモデルの解析からサブモデル
されます。
の解析にマッピングされています。
使用します。
仕様表
Mathematics
Study Steps
Other
Fatigue
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
>Fatigue
70
●
●
Structural Mechanics
Fatigue Evaluation
>Cumulative Damage
>Energy-Based
>Strain-Based
>Strain-Life
>Stress-Based
>Stress-Life
●
●
●
●
●
●
II-2-6 マルチボディダイナミクスモジュール
～剛体と柔軟体の集合解析～
構造力学モジュールと併用
マルチボディダイナミクスモジュールは、構造力学モジュールの拡張版
であり、
有限要素解析(FEA)で多体構造力学システムを設計、
最適化する
高度なツールセットを備えています。
このモジュールでは、柔軟体と
剛体の混合システムをシミュレートできます。柔軟体と剛体はそれぞれ
大きな回転変位または並進変位をします。
このような解析は、多体
システムの重要ポイントの把握に役立ち、
より詳細な構成要素レベルの
構造解析が可能になります。マルチボディダイナミクスモジュール
では、構造セグメントにかかる力や、柔軟成分で生成され大きな変形
や疲労による障害を招くおそれのある応力を解析する自由度もあり
ます。
定義済みのジョイントのライブラリは、モジュールに組み込まれて
おり、多体システムの各種構成要素の関係を簡単に、
また確実に指定
できます。構成要素同士は、一定の動作しかできないよう相互結合
されます。
ジョイントはアタッチメントで2つの構成要素を結合します。
機械・構造系
ジョイントのタイプにもよりますが、
ひとつの構成要素は、
空間内を自由
に動き、
その間他の構成要素は、一定の動作しかできないよう拘束されます。マルチボディダイナミクスモジュールにあるジョイントのタイプ
は、いかなるタイプの結合もモデル化できるという意味では包括的です。そのため、研究者と技術者は、以下のジョイントタイプで正確な
多体構造力学モデルを設計できます。
・ プリズム(3次元、2次元)
・ 平面(3次元)
・ 固定ジョイント(2次元、3次元)
・ ヒンジ(3次元、2次元)
・ 球(3次元)
・ ディスタンスジョイント(2次元、3次元)
・ 円筒(3次元)
・ 溝(3次元)
・ ユニバーサルジョイント(3次元)
・ ネジ(3次元)
・ 絞り込み溝(3次元、2次元)
機能
・ 継ぎ手を拘束すると、2つの連結成分間で相対運動を制限可能
・ 継ぎ手をロックして、指定値で2つの連結成分間の相対運動を止めることが可能
・ スプリング条件を、平衡時または変形前の継ぎ手の相対運動に適用可能
・ 減衰条件またはダッシュポット条件を定義して、継ぎ手の相対運動における損失を指定可能
・ 連結成分間で相対運動を規定するために継ぎ手が必要な場合あり以下の継ぎ手タイプに、継ぎ手に対する摩擦損失を追加可能:
スクリュー、平面、ボール。
プリズム、ヒンジ、円筒、
・ 留め具のところであらゆるタイプの継ぎ手の成分に力とモーメントを適用可能
・ 機構を初期化して移動し、指定した回転中心の周りを所定の速度で厳密に回転可能
用途
・ 航空宇宙
・ 生物力学
・ 自動車
・ 生物医学機器
・ エンジン力学
・ 車両力学
・ メカトロニクス
・ 機械的アセンブリの一般的な動的シミュレーション
・ ロボット工学
71
事例紹介(1/2)
3気筒レシプロエンジン
二重振り子のダイナミクス
スライダクランク機構
この例では、動作時に発生する応力を調べる このチュートリアルアプリケーションはCOMSOL これは、マルチボディダイナミクス分野での
ために3気筒レシプロエンジンの動的解析を Multiphysicsで二体のヒンジジョイントの 数値計算アルゴリズムをテストするベンチ
行うことにより、危険な部品の識別を可能に モデリングのデモです。
ジョイントに利用可能 マークモデルです。このモデルは、スライダ
します。エンジンの高出力と重量のバランス な強制、固定、
スプリング、
ダンパ、規定動作、クランク機構の振る舞いをシミュレートします。
取りには、
コンポーネントの注意深い設計が および摩擦といった様々なノードがデモでき この機構は操作中に特異点を通過します。
必要です。
このレシプロエンジンのモデルは、ます。実際の構造の多くは二重振り子モデル 点の加速度は参考文献の結果と比較されます。
剛体および柔軟体部品の組み合わせが含まれ に似ています。そのため、二重振り子モデル
ています。
がこのチュートリアルで選択されました。
機械・構造系
遠心調速機
ヘリコプタのスワッシュプレート機構
トラッククレーンの分析
このモデルは、ヘリコプタのロータブレードの
向きを制御するスワッシュプレートの動作を
調速機は、回転機械の速度を制御するため 示しています。
このモデルでは、
ロータブレード 荷役用クレーンは多くのトラックに装備されて
に使用されます。最も一般的な使用方法は は剛体または柔軟体の二つのケースでモデル います。
このようなクレーンには、動きを制御
燃料供給を調節することでエンジンの回転 化されています。他のコンポーネントは剛体 するシリンダや機構が複数あります。この
数を制御することです。
このモデルは、ばね だと仮定しています。柔軟ロータブレードの アプリケーションはクレーンの剛体解析に
荷重の遠心調速機を示しています。調速機の 回転により応力および変形を引き起こし、
動的 より、指定方向にクレーンを延長したときの
ダイナミクスは、遠心力の影響を受けたばね 揚力を適用して解析します。
ロータブレードの 最大積載量を見つけだすために行います。
力および減衰力を解析します。二つの異なる 曲げや捩れに対応するモード形状を見つけ、このアプリケーションはまた、油圧シリンダを
回転速度について、スリーブの動作を解析 固有振動数解析を行います。
提供し、制限値を強調します。最大積載量を
します。
向上させるために油圧シリンダ容積の修正
方法が示されます。
ヒンジジョイントのアセンブリ
着陸装置の動作変形と伝熱の同時解析
ばね支えの回転スライダクランクの振る舞い
この例は、アセンブリ内の二つの固体オブ
このモデルは回転を基本にしたスライダの
ジェクトを接続する、バレルヒンジをモデル化 このモデルは航空機の降着装置で使用する 動きを示しています。
スライダの動きは、慣性
する方法を示しています。
このモデルは接続 ショックアブソーバの力学をシミュレートしま 力、
遠心力、
ばね力および減衰力といった、
様々
の詳細は解析の中心ではないため、ヒンジ す。応力と同様に、ショックアブソーバの散逸 な力で解析されます。
二つのコンポーネントを
降着装置の部品に生じる 接続する直動関節は、ばね仕掛けで減衰効果
ジョイントはJoint feature in the Multibody エネルギーによって、
直動関節およびスプリング を含んでいます。スライダの動きは、ODEを
Dynamics Moduleを使用してモデル化します。発熱を解析します。
ショックアブソーバアセンブリのモ 用いて解析解と同時に計算され、比較され
このモデルのような接続部品は、剛体や柔軟 ダンパを、
デル化に使用しています。
体の組み合わせです。
ます。
72
事例紹介(2/2)
ジャイロスコープのダイナミクス
洗濯機の振動の柔軟体シェル解析
着座姿勢の生体力学モデル
機械・構造系
ジャイロスコープは方位の測定や飛行機、洗濯槽内の衣服の不均一な分布による洗濯 この生体力学モデルを使用して、任意の振動
宇宙船、
および潜水艦といった一般的な乗り物 機の振動や騒音は、スタディおよび最適化 環境における人体の動的応答を予測すること
の安定性の維持に使用されます。また、慣性 する価値のある一般的な問題です。
このモデル ができます。
自動車産業を例に挙げると、
この
誘導システムにおけるセンサとしても使用 は水平軸ポータブル洗濯機のマルチボディ モデルは座席の乗り心地シミュレーションに
されます。このモデルは機械式ジャイロス ダイナミクスモデルをシミュレートしています。使用でき、振動絶縁装置などの設計を行い
コープのモデリングを示しています。
フレーム 固有振動数解析は、固有周波数およびアセン ます。
この例では、人体の生体力学モデルは
の回転によりディスクにかかる外部トルク ブリ全体のモード形状を計算するために実行 着座姿勢の縦振動での動的応答を評価する
応答を解析します。高速で回転している場合、されます。非定常解析は、脱水中に洗濯槽が ために開発されました。
このモデルは、マルチ
傾いてもディスクを維持するできることを 誘発する振動を見つけるために実行され ボディダイナミクスインタフェースで人体の
示しています。
この事実は、角運動量保存則 ます。洗濯槽は柔軟体シェルとしてモデル化 様々な部品との接続をモデル化と同様に、
で説明することができます。モデルの第二部 しています。
全身振動(WBV)のスタディに使用できること
では、
こまの運動を解析します。外部トルクに
を示しています。
よる、
こまの歳差および章動運動を計算します。
73
仕様表
機械・構造系
74
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
>Multibody Dynamics
Conditions on Surfaces
Multibody Dynamics
Added Mass
Face Load with Total Force, Force per Area, and Pressure Load
Follower Pressure Load
Prescribed Displacement
Roller
>Contact
>Spring Foundation
Multiphysics Couplings
>Acoustic-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
Edge and Point Conditions
Multibody Dynamics
Added Mass
Edge Load
Point Load
Prescribed Displacement
>Spring Foundation
Special Conditions
Beam
Attachment
Multibody Dynamics
Attachment
Base Motion
>Rigid Connector
>Spring-Damper
Joint Conditions
Applied Force and Moment
Constraints
Friction
Locking
Spring and Damper
>Joint Elasticity
>Prescribed Motion
Joints
Ball Joint
Cylindrical Joint
Distance Joint
Fixed Joint
Hinge Joint
Planar Joint
Prismatic Joint
Reduced Slot Joint
Screw Joint
Slot Joint
Universal Joint
Shell
Attachment
Solid Mechanics
Attachment
Volumetric Domain Properties
Geometric Nonlinearity
Initial Stress and Strain Tensors
Multibody Dynamics
Added Mass
Body Load
Gravity
Initially Rigid
>Initial Values
>Rotating Frame
Constitiutive Relations
>Linear Elastic
>Rigid Domain
Multiphysics Couplings
>Temperature Coupling
>Thermal Expansion
●
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●
II-2-7 音響モジュール
～音響と振動解析～
音響モジュールは、音響波を作成、計測、使用するデバイスを操作
する専門家向けに設計されています。アプリケーションはスピーカ、
マイク、補聴器、ソナー装置などの分野を含みます。防音は、マフラ
設計、防音壁、音響アプリケーションの構築の中で取り組まれます。
使いやすいユーザインタフェースでは、空気、水や他の流体中の音圧
波動伝播のモデリングツールを提供しています。
熱音響専用モデリング
ツールにより、小型アンテナと携帯端末のマイクのシミュレーション
は極めて正確に実装可能です。固体、圧電材料、多孔質弾性構造の
振動や弾性波のモデリングも可能になります。 音響-個体、音響シェル、圧電-音響のマルチフィジックスインタフェースによって、音響
シミュレーションの新たなレベルの予測力に達することが出来ます。
1D, 2D, 3Dの実際のシミュレーションを活用して、今までよりも短時間
で、既存の製品を最適化し、新しい製品を設計可能です。以前の経験
を基に対処することが難しい問題に直面している、設計者、研究者、
機械・構造系
エンジニアはシミュレーションを使用することで問題の洞察力を高める
ことができます。製品を製造する前に設計テストを行うことは、企業に
とって時間と費用の削減につながります。
機能
用途
・ 音響-シェル連成解析
・ 音響クローキング
・ 音響-固体連成解析
・ バルク弾性波(BAW)
・ 音響-構造連成解析
・ 電子音響変換素子
・ 空力音響
・ 補聴器
・ 圧縮性ポテンシャル流
・ スピーカ
・ 弾性波
・ MEMS音響センサ
・ 遠方場と指向性計算
・ MEMSマイクロホン
・ インピーダンス、反射壁境界、吸収壁境界
・ マイクロホン
・ 無限領域モデリングの完全整合層
・ マフラ(消音器)
・ 圧電音響
・ 防音と遮音
・ 圧電素子
・ 機械装置のノイズと振動
・ パイプ音響
・ ノイズ減衰材料と遮音
・ 多孔質弾性波
・ 圧電音響トランスデューサ
・ 圧力音響
・ 反応性マフラと吸収性マフラ
・ 構造振動
・ ソナー
・ 熱音響
・ センサとレシーバ
・ 熱損失と粘性損失
・ 表面弾性波(SAW)
・ ウーファとサブウーファ
・ 超音波アプリケーション
75
事例紹介(1/2)
車内のテストベンチ
吸音型マフラ
ダクト内の流れ
テストベンチ車 内 の 壁 に位 置 する点 源で 自動車の騒音レベルは、
マフラの品質に大きく 航空機エンジンのノイズのモデリングは、
計算
サウンドを生成します。
計測点での音圧レベル 依存します。長年にわたり自動車産業の研究 空力音響学の分野で中心的な問題です。軸
の応答は、周波数レンジおよび四つの異なる 者たちは、音響および環境的視点の両方から 対称の航空機エンジンダクトのモデルの音場
メッシュ解像度で調査します。モデルは最初 効率的なマフラの開発に苦労しています。は、境界でノイズ源により生成し、計算されて
に、
デフォルトのダイレクトソルバで計算され このモデルは、内燃機関のマフラにおける 可視化されます。結果は、状況だけでなく、
ます。
最後に再び計算するため、
大きな問題に 圧力の伝搬を表しています。モデルはまた、圧縮性の非回転背景流れおよびダクト壁に
効率的で極めて細かいメッシュの反復ソルバ 音圧の誘導性および抵抗減衰の解析方法も 並べた堅牢な表面を提示します。
を設定する方法を示しています。
示します。
小規模コンサートホールの分析
スピーカの動作
音響-構造連成
機械・構造系
設計構造および空間の音質に関しては、
コン
サートホール、屋外環境、住宅の部屋で重要 これ は、ダイナミック型コーンスピーカの
です。波長が幾何学的特徴より小さい範囲の モデルで、低周波および中周波で共通です。液体や気体の音響へは膜、板またはソリッド
高周波を、音線音響を使用してシミュレート モデル解析は、公称駆動電圧で全インピー として構造体オブジェクトに結合され、多くの
周波数 工学分野における重要なアプリケーション
します。このアプリケーションは、音線音響 ダンスおよび軸上の音圧レベルを含み、
モデルは小信号解析で始まり、です。このモデルはソリッドオブジェクトに
インタフェースを使用して小規模コンサート の関数とします。
ホールの音響を分析します。
このアプリでは、AC/DCモジュールから駆動力およびボイス 結合している、3Dの音響流体現象の一般的な
無指向性音源、壁吸収パラメータ、遮音の コイルのインピーダンスまで計算します。デモです。ソリッドオブジェクトの壁は、音圧
特性、
インパルス応答を測定するマイクの位置 その結果を使用して、音響モジュールから の影響を受けています。ソリッドから周波数
を定義できます。結果には、任意のフーリエ 音響-構造解析のインタフェースを追加します。応答を計算し、その後波形パターンを分析
成 分 につ いてフィルタされ たエネ ルギー 最終的なモデリングのオプションとして、3D できるよう音 響ドメインにフィードバック
このようなモデルは、散乱問題の良い
モデルに必要なデータを抽出してエクスポート します。
インパルス応答が含まれます。
例となります。
することができます。
セダン内の音響
周期弾性構造を介した音響透過損失
吸音型マフラの設計
このモデルでは、二つの流体が固体の弾性 マフラは、例えば内燃機関により放出される
このモデルは典型的なファミリーカーである 構造で分離しています。音響圧力波は反射板 ノイズ減衰に使用され、通常は特定の周波数
セダン内の音響モデルです。モデルは音源 から得られた伝送波の損失に影響を与えます。レンジに有効です。伝送損失は周波数の関数
のスピーカ位置および、吸収面(座席および このモデルは構造体の透過損失をあたえます。として、減衰量dBが得られます。Absorptive
カーペット)の柔軟体モデルインピーダンス 入射角、
周波数、
および減衰をスタディします。Muffler Designerシミュレーションアプリは、
条件を設定します。モデルは車内の圧力、使用している主な機能: 任意の入射角での 多 孔 質ライナーを施したシンプル な 共 鳴
音圧レベルおよび音の強さをプロットします。音響-構造の相互作用、散乱場定式化、完全 マフラのスタディや設計に使用します。本
車内のいくつかの位置での周波数応答も示し 整合層(PML)、およびフローケ周期境界条件。アプリは選択した任意のマフラで、誘導減衰
ます。
および抵抗減衰の両方が解析できます。本
アプリでは、マフラの寸法、周囲動作条件、
多孔質ライナーの材料特性の変更後に結果
を検討することができます。
76
事例紹介(2/2)
オルガンパイプ設計
組織ファントムの集束超音波誘導加熱
多孔質体を使用したマフラ
音響のサブコンポーネント・ランピング、
イン
ピーダンス境界条件つき
プローブチューブ・マイク
機械・構造系
パイプオルガンデザイナを使用すると、オル このモデルの例は、集束超音波によって、反射型マフラは、平面波がシステムにできる
ガン パ イプ の 設 計 を 調 査した 後 、ユ ー ザ どのように組織の過熱が誘導されるかを示し 場合であれば低周波数レンジで最適で、
一方、
フレンドリーなアプリで設計変更した音や ます。最初に、水と組織の定常音場が組織の 吸音型マフラは中高周波数領域で効率的です。
ピッチを再生することができます。パイプ 音響強度分布を取得するためにモデル化 流動損失に基づいた吸音型マフラは一方で、
の 音 は 、様々な 振 幅と波 長 による影 響 を されます。吸 収され た 音 響 エネ ル ギ ー は 低い周波数でも良好に働きます。典型的な
含んでいます。オルガンパイプはCOMSOL その後、時間依存の組織領域における生体 自動車の排気システムは、反射および吸音
Multiphysicsのパイプ音響周波数領域インタ 熱伝達フィジックスの熱源として使用し、一秒 要素を組み合わせたハイブリッド構造です。
フェースを使用してモデル化されます。
シミュ 間の超音波にさらされたときの組織の加熱 反射部は正常に調整して低周波数エンジン
レーションアプリでは、第1基本共振周波数 および 冷 却をシミュレ ートします。音 圧 の の高調波の支配を除去し、一方の吸音部は
が周囲の圧力温度だけでなく、パイプ半径 中心が音響キャビレーションのしきい値を 高周波ノイズに対処するよう設計しています。
と壁の厚さによってどのように変化するかを 下回っている場合、
このモデルは組織を加熱
解析できます。
するのに適しています。
表面弾性波によるガスセンサ
このアプリケーションは、音響モジュールを 通常のマイクを直接、測定する音場に挿入 表面弾性波(SAW)は、
固体材料の表面に沿って
用いて物理的に一貫性のある簡略化した することは不可能であることが多いです。伝搬する振動です。振幅は材料の深さにより、
モデルを導出するためのモデリングアプローチ マイクは、
測定されるシステムの内側に入れる 指数関数的に急激に 減衰します。SAWは
を示しています。このアプローチは、複雑な には、大きすぎるかもしれません。例えば フィルタ、発信器およびセンサなど、多くの
サブコンポーネントをインピーダンス境界 補聴器の調整のために、内耳で測定する場合 電子部品で使用されています。一般的なSAW
条件に変換し、
それ以外の場所ではCOMSOL などです。マイクのサイズは音の波長と比較 デバイスは、電気信号に変換する圧電材料
モデル全体にシンプルな音響モデルを使用 すると大きすぎるため、音場を乱してしまう に電極を適用し、元に戻ります。SAWの応答
するによって構成されています。その結果、かもしれません。これらの場合にプローブ は、デバイスが収集するために使用する情報
かなりの計算の高速化を図ることができます。管は、測定点からマイクを遠ざけるために、を提供します。このモデルは、SAWガスセンサ
ここで取り扱った例は、
メインダクトとヘルム マイクロホンケースに付けるのが良いかも の共振周波数を調査します。センサは、薄膜
ホルツ共鳴器(サブコンポーネント)からなる しれません。このモデルで は、この 小さな で覆った圧電基板上にエッチングした櫛型
簡素化されたマフラのようなシステムで構成 プローブ管を追加することによるマイク感度 変換器で構成されています。
膜の質量は、
材料
されています。粘性と熱損失が重要なので、への影響を、調査します。これは一般的な が空気から化学物質を吸着するように増加
共振器内の音響は、熱音響でモデル化されて プローブ管マイクの時間依存モデルで、外部 します。これは空気中の種の量に関する情報
います。目的は、インピーダンスモデルに熱 音響領域、弾性プローブ管、それにマイク により、
若干低い周波数で共鳴の変化が起こり
音響ドメインをひとまとめにすることです。振動板の前面にキャビティを含んでいます。ます。
このアプリケーションは新しく単純なモデル このプローブ管は、パイプ音響過渡の物理
からインピーダンスを呼びだすだけでなく、インタフェースを使用してモデル化され 、
複、雑な音響モデルからインピーダンス境界 2つの離れた3D圧力音響領域を結合させた、
を導出する方法を図解化します。さらにこの 完全連成の音響シミュレーションです。
この
モデルは、導出されたインピーダンスをRCL モデルは、パイプ流れモジュールが必要です。
モデルに適用するような最適化モジュール
の使い方について、詳しく説明します。また
この2番目のアプローチが、このモデル化
されたシステムについてのさらなる洞察を
得るために、どのように利用され得るかに
ついて言及しています。
77
仕様表
機械・構造系
78
Acoustics
Physics Interfaces and Study Types
Acoustic-Structure Interaction
>Acoustic-Elastic Waves Interaction
>Acoustic-Piezoelectric Interaction,
Frequency Domain
>Acoustic-Piezoelectric Interaction,
Transient
>Acoustic-Poroelastic Waves Interaction
>Acoustic-Shell Interaction, Frequency
Domain*
>Acoustic-Shell Interaction, Transient*
>Acoustic-Solid Interaction, Frequency
Domain
>Acoustic-Solid Interaction, Transient
>Elastic waves
>Pipe Acoustics, Frequency Domain*
>Pipe Acoustics, Transient*
>Poroelastic Waves
Aeroacoustics
>Compressible Potential Flow
>Linearized Euler, Frequency Domain
>Linearized Euler, Transient
>Linearized Navier-Stokes, Frequency
Domain
>Linearized Navier-Stokes, Transient
>Linearized Potential Flow, Boundary
Mode
>Linearized Potential Flow, Frequency
Domain
>Linearized Potential Flow, Transient
Geometrical Acoustics
>Acoustic Diffusion Equation
>Ray Acoustics
Pressure Acoustics
>Boundary Mode Acoustics
>Pressure Acoustics, Transient
Thermoacoustics
>Acoustic-Thermoacoustic Interaction,
Frequency Domain
>Thermoacoustic-Shell Interaction,
Frequency Domain*
>Thermoacoustic-Solid Interaction,
Frequency Domain
>Thermoacoustics, Frequency Domain
Boundary Conditions
Acoustic-Structure Interaction
>Poroelastic Material (Poroelastic
Waves)
Aeroacoustics
>Compressible Potential Flow
>Linearized Euler
>Linearized Navier-Stokes
>Linearized Potential Flow
Geometrical Acoustics
Acoustic Diffusion Equation
Inward Energy Flux
Mapped Room Coupling
Room Coupling
Wall
Ray Acoustics
Inlet
Material Discontinuity
>Wall
Pressure Acoustics
Far-Field Calculation
Interior Impedance
Interior Normal Acceleration
Interior Perforated Plate
Matched Boundary
Normal Displacement
Normal Velocity
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Acoustics
Boundary Conditions
Impedance (boundary impedance models)
>Characteristic Specific Impedance
>Physiological
>Porous Layer
>RCL
>Waveguide end impedance
Thermoacoustics
Interior Normal Impedance
Interior Velocity
Interior Wall
Prescribed Pressure (Adiabatic)
Symmetry Condition
Wall
>Mechanical Conditions
>Periodic Condition
>Thermal Conditions
Edge and Point Conditions
Mass Flow Edge and Point Source
Point Source
Solid Spring Foundation
>Dipole Point Source
>Line Source
>Monopole Point Source
>Quadrupole Point Source
Pipe Acoustics
>Edges*
>Points*
Multiphysics
Boundary Multiphysics Couplings
>Acoustic-Porous Boundary
>Acoustic-Structure Boundary
>Acoustic-Thermoacoustic Boundary
>Aeroacoustic-Structure Boundary
>Porous-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
Domain Multiphysics Couplings
Background Potential Flow Coupling
Piezoelectric Effect
Volumetric Domain Properties
Infinite Acoustic Domain Modeling with
Perfectly Matched Layers
Infinite Solid Domain Modeling with
Perfectly Matched Layers
Acoustic-Structure Interaction
Initial Stress and Strain Tensors
Poroelastic Material (Biot's Theory)
>Piezoelectric Devices
Aeroacoustics
Domain Sources
Incident Acoustic Fields
Linearized Euler Model
Linearized Navier-Stokes Model
Linearized Potential Flow Model
Geometrical Acoustics
Acoustic Diffusion Equation
Acoustic Diffusion Model
Domain Source
Fitted Domain
Room
Ray Acoustics
>Ray and Domain Properties
>Ray Release
Pressure Acoustics
Background Pressure Field
>Narrow Region Acoustics
>Poroacoustics
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Acoustics
Volumetric Domain Properties
Thermoacoustics
Heat Source
Thermoacoustics Model (ThermallyConducting Viscous Fluid Model:
Linearized Navier-Stokes, Continuity,
and Energy Equations)
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Frequency Domain
Frequency-Domain Modal
Other
Boundary Mode Analysis
Mode Analysis
Viscoelastic Transient Initialization
Time Dependent
Modal Reduced Order Model
Ray Tracing
Time-Dependent Modal
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
>Piezoelectric Devices
Conditions on Surfaces
Membrane
Multiphysics Couplings
>Acoustic-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
Multibody Dynamics
Multiphysics Couplings
>Acoustic-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
Shell and Plate
Multiphysics Couplings
>Acoustic-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
Solid Mechanics
Added Mass
Low-Reflecting Boundary
Prescribed Acceleration
Prescribed Velocity
Symmetry/Antisymmetry
Thin Elastic Layer
>Spring Foundation
Multiphysics Couplings
>Acoustic-Structure Boundary
>Thermoacoustic-Structure Boundary
Edge and Point Conditions
Solid Mechanics
Added Mass
>Spring Foundation
Volumetric Domain Properties
Geometric Nonlinearity
Infinite Domain Modeling with Perfectly
Matched Layers
Initial Stress and Strain Tensors
Solid Mechanics
Added Mass
Gravity
>Rotating Frame
Constitutive Relations
>Piezoelectric Material
Multiphysics Couplings
>Piezoelectric Effect
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II-3 流体系
II-3-1
II-3-2
II-3-3
II-3-4
II-3-5
II-3-6
CFDモジュール
ミキサーモジュール
マイクロフルイディクスモジュール
地下水流モジュール
パイプ流れモジュール
分子流モジュール
流体系
79
II-3-1 CFDモジュール
～数値流体力学のマルチフィジックス解析～
CFDモジュールは、複雑な流体モデリングを含むデバイスとシステムの
シミュレーションを行うプラットフォームです。COMSOL Product Suiteの
全てのモジュールと同様、CFDモジュールは、
グラフィカルユーザインタ
フェース(GUI)を介してモデルを入力できる定義済みフィジックスインタ
フェースを提供し、また、
これらの入力をモデルの方程式を定式化する
ために使います。CFDモジュールが備えている特別なフィジックスインタ
フェースを使用して大半の流体の相をモデリング可能で、
層流および乱流
の領域、圧縮性、非等温、非ニュートン、二相流、多孔質流れなどの解析を
含みます。CFDモジュールは、数値流体力学(CFD)シミュレーションの一般
的なツールとして使用可能で、
また、
流体が重要になるマルチフィジックス
シミュレーションとしてCOMSOL Product Suiteにある他のモジュールと
の連成が可能です。
CFDモジュールのGUIでは、モデリングプロセスの全ステップにアクセス
可能です。下記のステップが含まれます。
＊ 例えば、単相、二相、層流、あるいは乱流などのような流れの適切な
状態の選択
＊ モデルのジオメトリの作成やインポート
＊ 流体のプロパティの定義
＊ 流入口、流出口の項の追加、必要の応じて流体モデリングの重要な
方程式の編集
＊ メッシュエレメントの選択、および、多様な位置におけるメッシュ密度
の調整
流体系
＊ 必要に応じて、
ソルバの選択と調整
機能
・ 層流と乱流に関する完全ナビエ-ストークス方程式の定式化
・ 流体流れ、対流伝熱、質量輸送のための調節可能な横風/等方性
拡散安定化法
・ 乱流のモデリングのためのレイノルズ平均ナビエ-ストークス
(RANS)方程式
・ 非ニュートン流体をモデリングするためのCarreauモデルとべき
法則モデル
・ k-ε、low-レイノルズ k-ε、k-ω、SST(Shear Stress Transport)、
Spalart-Allmaras インタフェースなどのRANSインタフェース
・ 非等温層流と乱流のデフォルトの浮力項
・ 潤滑と摩擦全般の薄膜流れ
・ 薄いスクリーンを通過する流れ、周期的境界条件、入口の層流
プロファイルの仕様など、各種境界条件
・ 分散多相流の Euler-Euler モデル、気泡流および混合モデル法
・ 独立した多相流のフェーズフィールドとレベルセットインタフェース ・ 壁関数が定義された境界層の自動メッシュ化とハイブリッドメッシュ
・ 気体と液体における伝導と対流
・ Reynolds、
Prandtl、
Nusselt、
RayleighとGrashof数を計算するための
ビルトイン変数
・ ダルシーの法則とBrinkman方程式による高密度多孔質媒体と
低密度多孔質媒体における流れ
・ 抵抗係数や揚力係数の評価など境界や領域全体の平均処理と
いった、後処理の間にモデリング変数の任意方程式を定式化する
・ 多孔質媒体における伝熱と共役伝熱のモデリング用のフィジックス
機能
インタフェース
・ 圧縮性の流れのモデリングのための高マッハ数流れインタフェース ・ 粒子が流れに影響を与える可能性がある粒子トレーシング法
1
(ラグランジュ-オイラー)1
・ 分野が特化した反応流インタフェースによる希釈溶液における
材料の拡散と対流
80
1
粒子トレーシングモジュールが必要
事例紹介(1/2)
放熱器
Electrocoalescenceを使用した分離
汚染物質の沈降分離(k-ε)
非溶解性液体の懸濁液を横切って電場を
印加すると、同じ相の液滴が合体するよう
に刺激することができます。
electrocoalescence
このモデルは、流体流れおよび共役熱伝達 として知られるこの方法は、例えば、水から 廃 水 処 理 は、汚 染 物 質を除 去 するた め の
シミュレーションに踏み出す第一歩を目的と の油の分離過程において、重要な用途を有し 2～3段階に渡るプロセスです。まず、大きな
しています。以下が操作手順です: 対流冷却 ています。electrocoalescenceをモデル化 固体粒子が沈降、浮選、及び濾過により除去
をモデル化するためデバイスの周囲に空気 するためには、流体運動を記述するナビエ・します。その後第二工程において、微生物
の箱を描き、
自動面積計算を使用して境界の ストークス方程式を解くだけでなく、非混合 処理によって少し小さめの粒子が凝縮し、
全熱流束を設定し、データセットから有効な 性流体間の界面を追跡する必要があります。いわゆるフロック(綿くず)を形成します。
これら
手段を選択して結果を表示します。
電気力を含めるために、電場も解く必要が フロックは沈降のようなプロセスによって、
円形二次浄化槽の中で、
あります。電場は水滴の位置と形状に依存 簡単に除去できます。
します。
この複雑な連成プロセスは、COMSOL フロックは 沈 降 作 用 によって水 から離 脱
Multiphysicsで簡単に設定し、求解すること されるのですが、それは重力によって水槽の
底に落ちるのです。
しかし水槽内の乱流に
ができます。
より相混合を引き起こす傾向があり、分離に
悪影響を起こします。
この事例では円形二次
浄化槽内の水からフロックの分離を研究して
います。目的は撹拌モデルアプリケーション
モードを使用して、複雑な乱流多相流を研究
することです。
浄水場
バッフル付き撹拌層の層流解析
非ニュートン流
流体系
浄水処理施設アプリケーションは、乱流と このモデルは、回転機械インタフェース使用
化学反応による物質収支をモデル化する の例示です。
それを使うことで、
例えば給水塔、このモデルは、ポリスチレン溶液の流れに
ためのアプリの使用を例示しています。
アプリ 撹拌槽それにポンプ中の回転可動部品を おける、せん断速度に線形依存する粘性の
このタイプの流れのために、
を使うことで、施設全体、バッフル板それに モデル化することができます。回転機械インタ 影響を示します。
流路の流入口と流出口の寸法や向きを、指定 フェースは、回転座標系でナビエ・ストークス Carreau粘度モデルを使用することができます。
することができます。また、流入速度、化学種 方程式を定式化します。回転されていない 回転対称性を持つ場合は、モデルの次元を
の濃度、それに一次反応での反応速度定数 部分は、固定座標系で表現されます。回転 3Dから2D軸対称へと減らすことができます。
も設定することができます。アプリは施設を 部品と固定部品は、一致ペアを使って連成
流れる乱流流れを解析し、流れ場や濃度場 する必要があります。
一致ペアでは流束連続性
を、空間-時間、半減期、それに圧力低下と の境界条件が適用されています。
共に表示します。
81
事例紹介(2/2)
置換換気
循環流動層
Ahmed Body周りの乱流流れ
Ahmed bodyは単純化された、
自動車の車体
一般的に、換気には2つの段階があります:
の簡易モデルです。その形状は正確な流れ
撹拌による換気と、置換換気です。置換換気
のシミュレーションを可能にするために十分
において、空気は床の高さから部屋へと入り、
に単純で、且つ自動車の車体に関するいくつ
設定温度に到達するために暖かい空気を これは、循環流動層のモデルです。固体-液体 かの重要な実用的特徴を保持しています。
置換します。室内の加熱源には、電子機器の 接触のための非常に一般的な装置で、食品、このモデルは、
「 乱流、k-εインタフェース」
および化学製造業界で使用されます。を用いて、単純な自動車のようなジオメトリ
運転や暖かい空気のジェット流入を含みます。医薬品、
置 換 換 気 による加 熱 の 潜 在 的 な 問 題 は、固体球状粒子からなる分散相は、空気により 周りの乱流場を計算する方法について説明
大きな温度変化や強い成層が生じる可能性 流動化し、垂直ライザを通って上方に搬送 します。COMSOL Multiphysicsの中でモデ
があるということです。モデルは、置換換気 されます。流出口に到達すると、分散相は装置 リングプロセスのいくつかの操作手順を通じ、
システムの性能を調査します。流体流れは、底部の垂直スロットを通って注入されます。詳細な操作手順をご案内します。
「非等温乱流、K-ωモデルインタフェース」固相と液相はオイラー・オイラーモデルを
用いてモデル化されています。
を使用してモデル化されます。
T字路での液滴分裂
流体系
82
インクジェットノズル - レベルセット法
キャピラリー充填 - フェーズフィールド法
エマルジョンは不混和液中の浸漬された
この事例では、水で満たされた容器の上に
小さな液滴から構成されており、広く食品、最初はプリンタで使用するための発明でした 配置された、狭い垂直円柱を調査します。
化粧品、ファインケミカル、および医薬品の が、インクジェットは多くの適用領域で採用 空気/水面インタフェースで設定する壁面
ライフサイエンス分野 吸着力や表面張力によって、
生産で発生します。製品の品質は、液滴の されています。例えば、
水は流路に沿って
大きさに典型的に依存します。
これらの製造 やマイクロエレクトロニクスなどです。シミュ 上昇します。表面張力や壁面吸着力はMEMS
工程をシミュレートすることは、製造工程の レーションは流体流れの理解を向上させる 装置中のマイクロ流路を通して流体を輸送
ほかの設計変数の最適化と同様に、液滴を ためだけでなく、特定用途のインクジェット する際に使用されたり、マイクロピペットを
最適化することに役に立ちます。
このモデル の最適化設定の予測にも有益であり得ます。使って流体の微細量を測定し、輸送したり
インクジェット 分量を追加するために使用されます。多孔質
によって、エマルジョン中の浸漬流体の体積 このアプリケーションの目的は、
質量分率が調査されます。この結果から、ノズルの形状と操作を、所望の液滴サイズの 媒体を通した多相流れと個体壁上への液滴
適応させることです。
液滴サイズは注入 流れは、壁面吸着力や表面張力の影響が、
液滴の生成が明確に見えるようになります。ために、
それに 流れの動力学に強い影響を与えることとは、
流体流れや添加化学物質のような要因も された液体の接触角、表面張力、粘度、
この注入量 全く別の例です。壁面吸着力を正確にモデル
また、
どのようにそれらが液滴サイズと液滴 濃度に依存します。結果はまた、
形成に影響するか、
このモデルによって調査 によって液滴が、基盤の最終液滴に合体する 化するには、境界条件の取り扱いが重要です。
前に、いくつかの液滴に分裂するかどうかを、壁面速度をゼロに固定したとすると、インタ
され見えるようになるのです。
明らかにしました。
この流体流れは、非圧縮性 フェースは壁に沿って移動することはできま
ナビエ・ストークス方程式と表面張力を用い、せん。そうでなければ、すべり速度にゼロで
流体界面を追跡するためにレベルセット法 ない値の設定を許容して、壁の摩擦力を追加
を用いて、モデル化されます。
する必要があります。そのような境界条件を
設定すると、明白に接触角、すなわち流体
インタフェースと壁との角度、の設定が可能
になります。
仕様表(1/2)
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Fluid Flow
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Free and Porous Media Flow
>Two-Phase Darcy's Law
Single-Phase Flow
>Creeping Flow
>Rotating Machinery, Algebraic yPlus
>Rotating Machinery, L-VEL
>Rotating Machinery, Laminar Flow
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, k-epsilon
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, k-omega*
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, low-Re k-epsilon*
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, Spalart-Allmaras*
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, SST*
>Turbulent Flow, Algebraic yPlus
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, k-omega
>Turbulent Flow, L-VEL
>Turbulent Flow, Low-Reynolds k-epsilon
>Turbulent Flow, Spalart-Allmaras
>Turbulent Flow, SST
Thin-Film Flow
>Thin-Film Flow Domain, 2D
>Thin-Film Flow, Edge, 2D
>Thin-Film Flow, Shell, 3D
Boundary Conditions
Fan
Flux Discontinuity, Porous Media
Free Surface*
Grille
Inflow Boundary, Porous Media
Initial Interface, Two-Phase Flow
Interior Fan
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pressure, Porous Media
Screen
Stationary Free Surface
Vacuum Pump
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or Pressure
Mass Flow Rate and Mass Flux
Standard Mass Flow Rate (SCCM)
Turbulent Flow
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Wall
Navier-Slip*
Rotating Interior Wall
Rotating Shaft*
Rotating Wall
Slip Velocity using Viscous Slip and Thermal Creep
Wetted Wall and Moving Wetted Wall
>Interior Wall
>Turbulent Flow Wall Functions
Edge and Point Conditions
Contact Angle*
Line Mass Source
Point Mass Source
Thin-Film Flow Boundary Conditions on Edges or Points
Border Flow
Inlet
Outlet
Symmetry
Wall
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流体系
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Transport of Concentrated Species
Reacting Flow
>Laminar Flow
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, k-omega
>Turbulent Flow, Low-Re k-epsilon
>Turbulent Flow, SST
Reacting Flow in Porous Media
>Concentrated Species
>Diluted Species
Rotating Machinery, Reacting Flow
>Laminar Flow*
>Turbulent Flow, k-epsilon*
>Turbulent Flow, k-omega*
>Turbulent Flow, Low-Re k-epsilon*
>Turbulent Flow, SST*
Boundary Conditions
Mass Fraction
Open Boundary
Reacting Boundary
>Inflow with Mixture Specification
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Thermodynamics and Kinetics Data Import
Volumetric Domain Properties
Multiple-Species User Interface
Turbulent Mixing
>Effective Mass Transport Parameters
Diffusion-Models for Transport of Concentrated Species
Fick's Law
Knudsen Diffusion
Maxwell-Stefan
Mixture-Averaged
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
High Mach Number Flow
>Laminar Flow
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, Spalart-Allmaras
Multiphase Flow
>Bubbly Flow, Laminar and Turbulent
>Euler-Euler Model, Laminar and Turbulent
>Mixture Model, Laminar and Turbulent
>Rotating Machinery, Mixture Model, Laminar Flow*
>Rotating Machinery, Mixture Model, Turbulent Flow*
>Three-Phase Flow, Phase Flow, Laminar
>Two-Phase Flow, Level Set, Laminar
>Two-Phase Flow, Level Set, Turbulent
>Two-Phase Flow, Phase Field, Laminar
>Two-Phase Flow, Phase Field, Turbulent
Non-Isothermal Flow
>Laminar Flow
>Rotating Machinery, Algebraic yPlus*
>Rotating Machinery, k-epsilon*
>Rotating Machinery, k-omega*
>Rotating Machinery, L-VEL*
>Rotating Machinery, Laminar Flow*
>Rotating Machinery, Low-Reynolds k-epsilon*
>Rotating Machinery, Spalart-Allmaras*
>Rotating Machinery, SST*
>Turbulent Flow, Algebraic yPlus
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, k-omega
>Turbulent Flow, L-VEL
>Turbulent Flow, Low-Reynolds k-epsilon
>Turbulent Flow, Spalart-Allmaras
>Turbulent Flow, SST
83
仕様表(2/2)
流体系
84
Fluid Flow
Volumetric Domain Properties
1D Formulations for Porous Media Flow
Forchheimer Drag
Free Surface Domain*
Mass Transfer, Bubbly Flow and Mixture Model
Pressure Work, Non-Isothermal Flow
Rotating Domain
Shallow Channel Approximation, 2D
Surface Tension Effects
Swirl Flow, Axisymmetric, Laminar
Swirl Flow, Axisymmetric, Turbulent
Viscous Heating, Non-Isothermal Flow
>Thin Film Flow
Fluid Properties
Non-Newtonian
Carreau Model
Power Law
Porous Media
Capillary Pressure, Two-Phase Darcy's Law
Fluid and Matrix Properties, Brinkman Equations
Mass Source
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Porous Media
Conjugate Heat Transfer
>Laminar
>Turbulent Flow, Algebraic yPlus
>Turbulent Flow, k-epsilon
>Turbulent Flow, k-omega
>Turbulent Flow, L-VEL
>Turbulent Flow, Low-Reynolds k-epsilon
>Turbulent Flow, Spalart-Allmaras
>Turbulent Flow, SST
Boundary Conditions
Inflow Heat Flux
Open Boundary
Volumetric Domain Properties
Pressure Work
Viscous Dissipation
>Heat Transfer in Porous Media
Ideal Gas
Mathematics
Moving Interface
Level Set Formulation
Phase Field Formulation
Ternary Phase Field Formulation
>Boundary Conditions
Study Steps
Other
Frozen Rotor
Phase Initialization
Transient Initialization
Wall Distance Initialization
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II-3-2 ミキサーモジュール
CFDモジュールと併用
～流量とミキサー、攪拌リアクタ、回転機構モデル化～
CFDモジュールに対するアドオンとしてミキサーモジュールでは、
流体ミキサーと攪拌リアクタを解析できます。回転機構による流量を
シミュレートする専用機能を利用したミキサーモジュールでは、
さまざま
な 流 体 や自由表 面をモデル 化 する材 料データも利 用できます。
回転部品付きのミキサーは、消費財、薬剤、食品、精製化学製品の
生産などさまざまな工業用プロセスで使用します。
ミキサーは、
日常的
に、さまざまな目的のバッチプロセスで使用します。製品は小さな
体積で生産され、高価格で販売されます。
あらゆる混合プロセスに共通なのが、製品の品質、再現性、均質性が
最も重要であるという点です。
これらの製品要件を達成するひとつの
方法が、混合プロセスとミキサーそのものの動作を設計し、最適化する
ためにシミュレーションを行うということです。
モデルとシミュレーション
は、パイロットプロセスでその妥当性評価をして、
スケールアップ計算
に使用するときに、特に便利な手段です。妥当性がいったん評価でき
たら、パイロットスケールプロセスの構築と実行にともなうコストを
回避するためにそれらのモデルが使用され、
ラボスケールからフル
スケールの生産に直接移行できます。
機能
流体系
・ 冷凍ロータ法とスライディングメッシュ法の両方による回転機械におけるフロー
・ k-εモデル、k-ωモデル、低レイノルズ数k-εモデルなどの乱流
・ 非圧縮性と低マッハ数圧縮性流
・ 非ニュートン流体をモデリングするためのCarreauモデルとべき法則モデル
・ 回転機械における非等温流
・ 層流と乱流
・ 流体および回転固体部分と静止固体部分の両方における伝熱
・ 伝熱モジュールと組み合わせて放射を追加
・ 回転機械における層反応流と乱反応流
・ 表面張力と接触角の効果による自由サーフェスのモデリング
・ 共通流体間の表面張力係数の定義済みライブラリ
・ さまざまな流量のアクセスによる高度後処理と可視化
・ 多数のミキサー構成に調整可能なモジュラーミキサーモデル
・ 3つの異なるタイプのインペラと2つのタイプの容器
・ 一般的な粒子追跡目的で粒子トレーシングモジュールと組み合わせ
85
事例紹介
撹拌槽アプリケーション
撹拌槽 - 乱流撹拌(k-ω)
平底撹拌槽中の水の撹拌
この撹拌槽アプリケーションの目的は、科学
者、製造設計者、製造技術者が、撹拌効率に このモデルは、2種類のインペラがついた2
関する容器、インペラ、バッフルおよび、製造 種類の一般的なタイプの容器を組み合わせ
条件の影響と、インペラを運転するのに必要 ることにより、さまざまな撹拌槽を構築する このチュートリアル事例は、平底撹拌槽中の
流体が水の場合、
4枚羽
撹拌槽は平らなバッフル 流れをシミュレートし、
な電力を調査するための、ユーザフレンドリ ツールを提供します。
なインタフェースを提供することです。この 板がついており、皿底型容器で、ピッチごと ピッチのインペラで撹拌され、流れは乱流で
ラシュトン・ター あると仮定されます。撹拌槽内の流れはk-ε
アプリを使うことで、与えられた流体の設計 にインペラがついているか、
このモデルには、回転 乱流モデルを用いてモデル化され、撹拌槽の
と撹拌槽運転を、理解し最適化することが ビンがついています。
インペラが30回転
できます。容器寸法に関しては3種類のリスト 機械、冷凍ロータスタディタイプつきの流体 運転条件に達するために、
項目から選択できます。またインペラの形状 流れブランチを用いた3つの事例が含まれて する際の時間依存シミュレーションが実施され
ラシュトンタービン ます。結果のポスト処理を実行するときに、
と構成に関しては11種類のリスト項目から います。最初の事例では、
選択できます。容器にはまたバッフルを装備 がついた平 底 撹 拌 槽 の、層 流 撹 拌 問 題を バッフルに沿った軸流の自己相似性が解析
することができます。さらにインペラ速度と 解きます。2番目と3番目の事例では、皿底型 されます。文献と一致して、異なる軸方向の
この領域
同様に、撹拌される流れの特性も設定する 撹拌槽でピッチごとに刃のあるインペラが 正規化された速度プロファイルは、
ついたモデルを、k-εとk-ω乱流モデルを の流れが3次元壁面噴流に似ていることを
ことができます。
示す、
自己相似性が見いだされます。
用いて、乱流撹拌問題を解きます。
撹拌槽でのべき法則流体の挙動
自由表面と底面インペラを持つ撹拌槽
2D撹拌槽の非等温流れ
流体系
このモデルは単純な撹拌槽中の温度分布の
このモデルは撹拌槽内の、べき法則流体の 自由表面変形を含む、撹拌槽の時間依存、モデル化が示されています。
べき数を予測するシミュレーションの使い方 回転機械、
k-ε乱流モデル。
このモデル方程式
を示しています。これは4枚羽インペラ付き は、まず最初に冷凍ロータスタディで求解
平底槽内における、流れの振る舞いをシミュ されます。冷凍ロータスタディからの解は、
レートします。流れは層流としてモデル化 時間依存スタディの初期条件として使用され、
され、1/4バッフル付き撹拌槽ジオメトリで それにはインペラ変位を含みます。2種類の
離散化された支配方程式を解くために、冷凍 回転速度のために、
2種類の時間依存スタディ
ロータ方式が使われています。算出された の使用が可能です。
べき数は文献中の実験結果と比較され、良好
な一致が得られました。
86
仕様表
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流体系
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
Rotating Machinery, Reacting Flow
>Laminar Flow*
>Turbulent Flow, k-epsilon*
>Turbulent Flow, k-omega*
>Turbulent Flow, Low-Re k-epsilon*
>Turbulent Flow, SST*
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Multiphase Flow
>Rotating Machinery, Mixture Model, Laminar Flow*
>Rotating Machinery, Mixture Model, Turbulent Flow*
Non-Isothermal Flow
>Rotating Machinery, Algebraic yPlus*
>Rotating Machinery, k-epsilon*
>Rotating Machinery, k-omega*
>Rotating Machinery, L-VEL*
>Rotating Machinery, Laminar Flow*
>Rotating Machinery, Low-Reynolds k-epsilon*
>Rotating Machinery, Spalart-Allmaras*
>Rotating Machinery, SST*
Single-Phase Flow
>Rotating Machinery, Algebraic yPlus
>Rotating Machinery, L-VEL
>Rotating Machinery, Laminar Flow
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, k-epsilon
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, k-omega*
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, low-Re k-epsilon*
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, Spalart-Allmaras*
>Rotating Machinery, Turbulent Flow, SST*
Boundary Conditions
Free Surface*
Wall
Navier-Slip*
Rotating Shaft*
Edge and Point Conditions
Contact Angle*
Volumetric Domain Properties
Free Surface Domain*
87
II-3-3 マイクロフルイディクスモジュール
～マイクロ流体装置のマルチフィジックス解析～
マイクロフルイディクスモジュールは、マイクロ流体装置を調査する
ための操作しやすいツールを備えています。
ラボオンチップデバイス、
デジタルマイクロ流体、
動電学的装置と動磁気学的装置、
インクジェット
のシミュレーションが主な用途です。
マイクロフルイディクスモジュール
には、すぐに使えるユーザインタフェースとシミュレーションツール、
すなわち単相流、多孔質媒体流、二相流、輸送現象向けのいわゆる
フィジックスインタフェースがあります。
マイクロ流体流は、目に見える流れよりも大きさの桁が小さい長さ
スケールで発生します。マイクロスケールの流体の操作には、多くの
メリットがあり、一般に、マイクロ流体システムは小さく、動作が速く、肉眼レベルの同じ操作に比べて少ない流体で処理できます。
エネルギー入出力も簡単に制御できます(たとえば、化学的反応で生成された熱など)。
これは、システムの表面対面積体積比が巨視的
システムよりはるかに大きいためです。通常、流量の長さスケールが減少すると、システムの表面積に応じて増減する特性の重要性が、
流量体積に応じて増減する特性よりも相対的に上昇します。
これは、等速表面のせん断によって生成される粘性力として流量そのもので
明らかであり、慣性力よりも優勢です。
これらの2つの力の比率を示すレイノルズ数(Re)は、通常値が小さく、
したがって流れは層流です。
多くの場合、ほふく(ストークス)流の枠組みを適用します(Re≪1)。層流とほふく流があると、特に混合がむずかしくなります。
したがって質量
輸送は拡散に限定されることが多くなりますが、マイクロ流体のシステム拡散でも多くはゆっくりしたプロセスになります。
これはマイクロ
流体システムにおける化学輸送を表します。マイクロフルイディクスモジュールは、マイクロスケールの流量に特に留意して運動量、熱、質量
輸送を処理するために作られたモジュールです。
機能
流体系
・ 異方性多孔質媒体流
・ 毛細血管装置
・ 後処理の任意のユーザ定義式
・ 化学センサと生化学センサ
・ 壁関数が定義された境界層の自動メッシュ化とハイブリッドメッシュ
・ 誘電泳動(DEP)
・ Reynolds、Prandtl、Nusselt、RayleighとGrashof数を計算するためのビルト
・ DNAチップ
イン変数
・ 電気合体
・ クリーピング流
・ 動電流
・ 毛細管力
・ 電気浸透
・ 動電効果
・ 電気湿潤
・ ダルシーの法則とBrinkman方程式による多孔質媒体における流れ
・ エマルション
・ 流体-構造連成(FSI)
・ インクジェット
・ 多孔質媒体流のForchheimer 抗力
・ ラボオンチップ
・ 層流
・ 磁気泳動
・ マランゴーニ効果
・ マイクロリアクタ、
マイクロポンプ、
マイクロミキサー
・ 移動効果
・ マイクロ流体センサ
・ 多重種ユーザインタフェース
・ 若干希薄な気体流(スリップ流)
・ ニュートン流と非ニュートン流
・ 静的ミキサー
・ 粒子が流れに影響を与える可能性がある粒子トレーシング法(ラグランジュ-
・ 表面張力効果
オイラー)
・ 二相流
・ スリップ流
・ ポリマ流と粘弾性流
・ 2D流の浅い水路の近似
・ 光流体工学
・ 多孔質媒体での種輸送
・ 表面張力効果
・ レベルセット法による二相流
・ フェーズフィールド法による二相流
・ 任意ラグランジュ-オイラー(ALE)で構築した移動メッシュ法による二相流
88
用途
事例紹介(1/2)
キャピラリー充填 - フェーズフィールド法
赤血球から血小板の誘電泳動分離
T字路での液滴分裂
電気浸透性マイクロミキサー
エレクトロウェッティングレンズ
流体系
誘電泳動(DEP)は、不均一な電界にさらされる
ような誘電体粒子に対して力が作用するような
この事例では、水で満たされた容器の上に 場合に発生します。DEPは、バイオセンサ、エマルジョンは不混和液中の浸漬された
配置された、狭い垂直円柱を調査します。診断、粒子操作および濾過(並べ替え)、粒子 小さな液滴から構成されており、広く食品、
空気/水面インタフェースで設定する壁面 アセンブリ、および多くのために使用生物 化粧品、ファインケミカル、および医薬品の
吸着力や表面張力によって、
水は流路に沿って 医学装置の分野で多くの用途があります。 生産で発生します。製品の品質は、液滴の
これらの製造
上昇します。表面張力や壁面吸着力はMEMS 誘電泳動力は大きさ、形状、及び粒子の誘電 大きさに典型的に依存します。
装置中のマイクロ流路を通して流体を輸送 特性によって大きく変化します。このことに 工程をシミュレートすることは、製造工程の
する際に使用されたり、マイクロピペットを よりDEPを用いることで、例えば混合物から ほかの設計変数の最適化と同様に、液滴を
このモデル
使って流体の微細量を測定し、輸送したり 様々な種類の細胞を得るというように、異なる 最適化することに役に立ちます。
分量を追加するために使用されます。多孔質 種類の粒子を分離するために使えます。
赤血球 によって、エマルジョン中の浸漬流体の体積
媒体を通した多相流れと個体壁上への液滴 分離アプリケーションは、
血小板から赤血球を 質量分率が調査されます。この結果から、
流れは、壁面吸着力や表面張力の影響が、分離するために、赤血球を血液試料から選択 液滴の生成が明確に見えるようになります。
流れの動力学に強い影響を与えることとは、的に濾過する方法を示します。DEPフィルタ 流体流れや添加化学物質のような要因も
どのようにそれらが液滴サイズと液滴
全く別の例です。壁面吸着力を正確にモデル 装置では、赤血球は血小板よりも大きいため、また、
このモデルによって調査
化するには、境界条件の取り扱いが重要です。大きな力を受けその結果、
より偏向されます。形成に影響するか、
壁面速度をゼロに固定したとすると、インタ 装置には2つの出口が配置されていて、上方 され見えるようになるのです。
フェースは壁に沿って移動することはできま 出口からは偏向されていない粒子が出て行き、
せん。そうでなければ、すべり速度にゼロで 偏向されていない粒子のみが下方出口から
ない値の設定を許容して、壁の摩擦力を追加 出ることができるようになっています。
する必要があります。そのような境界条件を
設定すると、明白に接触角、すなわち流体
インタフェースと壁との角度、の設定が可能
になります。
インクジェットノズル - レベルセット法
生化学的用途のためのマイクロラボは、
多くの
場合、異なる流体の流れの迅速な混合を必要 固体表面を有する2つの流体界面の接触角は、
とします。マイクロスケールでは、流れは通常 接触点での力のバランスによって決定され
非常に整然とした層流であり、渦がほとんど ます。エレクトロウェッティングにおいて接触 最初はプリンタで使用するための発明でした
発生しないため、撹拌のための拡散の主要 点での力のバランスは、導電性流体と固体 が、インクジェットは多くの適用領域で採用
ライフサイエンス分野
なメカニズムを生み出します。小さな分子 表面との間に電圧を印加することにより更新 されています。例えば、
(したがって急速な拡散を起こす化学種)の されます。多くのアプリケーションにおいて やマイクロエレクトロニクスなどです。シミュ
拡散混合は、数十マイクロメートルの距離で 固体表面は、導電層の上に堆積された薄い レーションは流体流れの理解を向上させる
これは多くの場合、ためだけでなく、特定用途のインクジェット
数秒のうちに起りえますが、
ペプチド、
タンパク 誘電体で構成されています。
質、および高分子核酸のような巨大分子の 誘電体上のエレクトロウェッティング(EWOD) の最適化設定の予測にも有益であり得ます。
インクジェット
撹拌には同程度の距離で数分～数時間が と呼ばれます。エレクトロウェッティングは、このアプリケーションの目的は、
必要です。
このような遅延は、多くの化学解析 導電性液体に印加する電圧を変化させて、ノズルの形状と操作を、所望の液滴サイズの
適応させることです。
液滴サイズは注入
にとっては非実用的な長さです。これらの 動的に接触角を変更して用いることができ ために、
それに
この事例では、2つの不混和性液体間の された液体の接触角、表面張力、粘度、
問題はマイクロ流体システムにおいて、
より ます。
この注入量
光学レンズとして使用されます。濃度に依存します。結果はまた、
効率的な撹拌手法の強烈な模索につながって メニスカスは、
います。
このモデルは、流体を混合するため エレクトロウェッティング効果によるメニスカス によって液滴が、基盤の最終液滴に合体する
に電気浸透を利用しています。システムは の曲率の変化は、広い範囲にわたってレンズ 前に、いくつかの液滴に分裂するかどうかを、
この流体流れは、非圧縮性
時間依存の電場を適用し、得られた電気浸透 の焦点距離を変更するために使用されます。明らかにしました。
フィリップスの流体焦点チーム ナビエ・ストークス方程式と表面張力を用い、
は平行な流線もしくは非常に整然とした層流 このモデルは、
の研究論文に基づいています。
このモデルは、流体界面を追跡するためにレベルセット法
流れを撹拌します。
「層流二相流、移動メッシュインタフェース」
と を用いて、モデル化されます。
時間依存スタディを使用しています。
89
事例紹介(2/2)
薬物送達システム
ラメラミキサー
動電バルブ中の輸送
この事例では濃度可変の水溶性薬物における
薬物送達システムの動作について記述します。巨視的レベルでは、システムは通常、機械的
一定量の水の液滴が毛細血管を一定速度で アクチュエータまたは3Dの乱流流れを用いて このアプリケーションは、3Dマイクロ流路
しかしマイクロスケール システム内の圧力駆動流及び電気泳動の例
下って行きます。
毛細血管壁の一部は分離透過 流体を撹拌します。
このモデル
これらのアプローチはいずれも を示します。研究者は多くの場合、
膜で構成されており、
毛細血管内部を薬物濃縮 レベルでは、
溶液から分離します。液滴が膜を通過すると、実用的でなかったり不可能でさえあったり の一つと良く似た装置を使用し、バイオチップ
このモデルは、
MEMSミキサー中で層状 中における動電試料注入器として使用して、
接触角が変化し薬物が水に溶解します。
この します。
この 明確に定義された分量の解離酸および塩を
プロセスをモデル化するため、膜との長期 層流を使用して、流体の混合を示します。
ラメラミキサー中の溶解した物質 取得したり、これらの分量を輸送したりして
接触のために、
薬物の流束が定数として毛細血 モデルは、
管壁に設定されます。液滴速度を変化させる の対流および拡散と同様に、流体流れの定常 います。試料と緩衝液の圧力駆動流によって
焦点が発生し、試料を集束流路内へ閉じ込め
ことにより、液滴中の薬物の最終濃度を調整 状態を解析します。
ます。定常状態が得られたときに圧力駆動流
することができます。
はオフになり、電界が流路に沿って印加され
ます。電界は、注入チャネルを介して、集束
チャネルに直角焦点ゾーンに見られる解離
サンプルイオンを駆動します。これは、時間
領域で求解されます。
拡散マイクロミキサー
流体系
90
このモデルは、拡散混合制御のために設計
された H字型のマイクロセルをシミュレート
します。セルには、制御期間中、2つの異なる
層流ストリームが接触しています。接触面は
十分に定義され、
流量を制御することによって
拡散を介して、
一方から他方への流れへと輸送
される化学種の量を制御することが可能です。
この事例は元々、シアトルのワシントン大学
で Bruce Finlayson教授監督の下で、Albert
Witarsaによって定式化されました。
この業績
は、数学的モデリングを通したマイクロ流体
工学における特許の可能性評価の目的で、
大学院修了論文の一部として実施されました。
仕様表
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Mathematics
Moving Interface
Level Set Formulation
Phase Field Formulation
Ternary Phase Field Formulation
>Boundary Conditions
Study Steps
Other
Phase Initialization
Transient Initialization
Wall Distance Initialization
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流体系
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Transport of Diluted Species in Porous Media
Boundary Conditions
Volatilization
Edge and Point Conditions
Flux
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
Free Flow
Mass Based Concentrations
Migration in Electric Field
Multiple-Species User Interface
Species Source
>Partially Saturated Porous Media
>Porous Media Transport Properties
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Multiphase Flow
>Three-Phase Flow, Phase Flow, Laminar
>Two Phase Flow, Moving Mesh, Laminar
>Two-Phase Flow, Level Set, Laminar
>Two-Phase Flow, Phase Field, Laminar
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Free and Porous Media Flow
Rarefied Flow
>Slip Flow
Single-Phase Flow
>Creeping Flow
Boundary Conditions
External Fluid Interface
External Slip Wall
Fluid-Fluid Interface
Flux Discontinuity, Porous Media
Inflow Boundary, Porous Media
Initial Interface, Two-Phase Flow
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pressure, Porous Media
Slip Wall
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or
Pressure
Mass Flow Rate and Mass Flux
Standard Mass Flow Rate (SCCM)
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Wall
Electroosmotic Velocity
Slip Velocity using Viscous Slip and Thermal Creep
Wetted Wall and Moving Wetted Wall
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
1D Formulations for Porous Media Flow
Forchheimer Drag
Shallow Channel Approximation, 2D
Surface Tension Effects
Swirl Flow, Axisymmetric, Laminar
Fluid Properties
Non-Newtonian
Carreau Model
Power Law
Porous Media
Fluid and Matrix Properties, Brinkman Equations
Mass Source
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
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91
II-3-4 地下水流モジュール
～地下水流に基づいた地球物理学的現象～
地下水流モジュールは、地下の流量やその他多孔質媒体内の流量
をシミュレートし、
この流量を、多孔質弾性、熱伝達、化学、電磁場など
のその他現象と結びつけようとする技術者や科学者向けです。
この
モジュールでは、地下水の流れ、土壌内の廃棄物と汚染の広がり、
井戸への油やガスの流れ、地下水のくみ上げによる地盤沈下をモデル
化できます。地下水流モジュールは、水路内の地下水の流れ、飽和
した多孔質媒体または可変的に飽和した多孔質媒体、割れ目砕を
モデル化しこれらを溶質と熱輸送、地球化学的な反応、多孔質弾性
のシミュレーションに連成させます。さまざまな産業で、地球物理学
と水文学における課題への取り組みが必要とされています。市民、
鉱業、石油業界、農業、化学、原子力、環境工学の技術者は、彼らが
働いている産業が私たちの生活している地球に(環境整備を通じて)
直接的または関節的な影響を与えるため、
これらの現象を考慮しないわけにはいきません。
地下水流モジュールには、多くの専用のインタフェースがあり、流量やその他地下環境における現象をモデル化するための一定の物理
特性を記述しています。
フィジックスインタフェースとして知られるこれらのインタフェースは、組み合わせて地下水流モジュール内の他の
フィジックスインタフェースだけでなくCOMSOL製品スイートの他のどのモジュールのフィジックスインタフェースとでも、直接連成できます。
たとえば、地下水流モジュールで記述されている多孔質弾性挙動と、
ジオメカニクスモジュールで記述されている土と岩の非線形固体力学
用途との連成があります。
機能
用途
流体系
・ リチャーズ方程式による可変的に飽和した多孔質媒体における流れ
・ 河口解析と河岸解析 – 流れ、移流、拡散
・ Genuchten定式化とBrooks and Corey定式化による可変的に飽和した媒体内の
・ ガス貯蔵、改善、隔離
・ 多孔質材料と繊維状材料の機械的、
重力脱水
保持率
・ ダルシーの法則とBrinkman方程式による飽和多孔質媒体における流れ
・ 石油工学
・ ナビエ-ストークス方程式とストークス流の定式化による自由チャネル内の流れ
・ 地下と表土流の汚染プルーム解析
・ 対流と拡散による材料輸送
・ 浅水域のフローと堆積物輸送
・ 対流、拡散、分散による溶質輸送。吸着係数と遅延係数を考慮
・ 地下水解析と地下水への塩水侵入
・ 地球化学反応動力学の入力条件
・ 井戸水頭解析
・ 固体と液体における伝導と対流による伝熱
・ 地下水の流れ
・ 位相間の伝導性の違い、位相内の伝送性の混合モデル、対流、熱拡散を考慮した
多孔質媒体による伝熱
・ バックグラウンド地熱加熱の条件
・ 多孔質弾性/減衰解析
事例紹介(1/2)
Biot多孔質弾性
地熱ダブレット
多孔質弾性インタフェースをダルシー則インタ
フェースおよび固体力学インタフェースと連成 これは、地下における熱伝達に関するブログ
することにより、流体の満ち引き結果による 記事からの2モデルの一つです:
多孔質媒体の変形評価が可能です。モデルは https://www.comsol.de/blogs/couplingTerzaghi圧縮の例の上に構築されています。heat-transfer-subsurface-porous-mediaTerzaghi圧縮とBiot多孔質弾性解析の結果 flow/
が互いに比較され、書籍化された解析結果 注：多孔質弾性がここに含まれていません。
と非常に良い一致を示しています。
92
可変飽和流れと輸送
この事例では地上にリング状に水が貯められ、
比較的乾燥した円柱型の土壌中へと水を流し、
それによって化学物質が運ばれます。
水が可変
飽和土壌円柱を通って移動するに従い、化学
物質は固体粒子に付着し、溶質輸送を水より
も遅くさせるのです。
さらに液相と固相の両方
での生分解により化学物質濃度が減少します。
事例紹介(2/2)
相変化
ダルシー則による浮揚性流体、
エルダー問題 Forchheimerフロー
静止流体中であっても、密度変動により流れ
この例は相変化をモデル化し、伝熱解析への を開始することができます。地球システムに
影響を予測する方法を示しています。相変化 おいて密度の変化は、自然による製塩、地下
の潜熱の方程式は多くの文献に記述されて の温度変化、または移行汚染から起こり得
いますが、それらの実装は標準ではありま ます。塩湖水系、塩分処理流域、高密度汚染
せん。
このモデルは実装済みのインタフェース 物質、浸透水プリューム、地熱貯留層の流動 これ は、開 水 路と一 方 の 流 路 壁 に 多 孔 質
を利用できます。熱破壊または相変化による における、この浮揚性流体または密度流の ブロックを持つような流体流れの間の、連成
放出は流体流れ、マグマ移動および噴出量、要因は、
ごくわずかです。
この事例では、
多孔質 に関するチュートリアルモデルです。流れは、
化学反応、鉱物安定性、および他の多くの 媒体の時間依存浮力流れをベンチマークし 自由領域中はナビエ・ストークス方程式で
地球科学アプリケーションに影響を与えます。ます。エルダー問題として知られていますが、記述され、多孔質領域中は修正Forchheimer
この1Dの例は、氷柱を加熱して水に変化する それは熱対流を研究するための実験室での 版のブリンクマン方程式で記述されます。
過渡熱伝達を調べるため、伝熱モジュールの 実験に従います。エルダー問題は、2つの物理
多孔質媒体インタフェースの伝熱を使用して インタフェースを連成して濃度を調べます: 多国間にまたがる油井の破壊
います。特にモデルは、温度の関数として変化 ダルシー則インタフェースと溶質輸送インタ
する材料特性を処理する方法を示します。 フェースです。
割れ目の流れ
農薬の輸送と土壌中の反応
流体系
多国間油井 -ひとつの井戸から多数の脚に
枝分かれした油井- は、石油を効率的に生産
することができます。
なぜなら脚は複数の生産
ゾーンをタップして、不浸透性の脚の周りに
この事例は多孔質媒体ブロック内の破壊を アルジカルブは、綿、果物、
ジャガイモ、豆など たどり着くことができるからです。残念ながら、
伴う自由流れ自由流れをモデル化します。様々な作物に使用される市販の殺虫剤です。掘削エンジニアは、多くの場合、ライナーや
その破壊中の流れは、行列ブロック内よりも このことにより一般人が、汚染された水や ケーシングを使って、機械的に多国間油井を
非常に高速です。
食品の摂取によって、アルジカルブにさらさ 安定化させる必要があります。
それには数百万
- ダルシー則物理インタフェースが、多孔質 れる可能性が高まります。
この事例はアルジ ドル程度かかります。坑井はケーシングしない
ブロック内の流れをモデル化するために カルブの分解速度論と副産物の毒性を調査 と建設コストを削減できますが、挿入とポン
し、有毒成分の空間濃度分布と同様に、分解 ピング開始後に、
使用されます。
しかしそうすることで破滅
- 割れ目流れは、
ダルシー則インタフェース 時間スケールも調べます。最初のモデルでは 的な失敗への比較的高いリスクがあります。
に割れ目流れ機能を追加することで、
モデル 化学物質は池に含まれており、完全に混合系 多孔質弾性シミュレーションは、ダルシー則
化されます。割れ目流れは、3Dドメイン内 として取り扱われます。2番目のモデルでは、を用いた地下水流を用い、さらに応力-歪み
の2D表面に追加されます。
殺虫剤が池の外へと侵出し、土壌を通じて 解析を伴う構造変位と連成して、
ポンピングに
このモデルは、地下水流と放射性物質を含む 水に流れ出る際の、土壌中の化学物質の詳細 関連する3D圧縮を評価します。
このモデルは、
汚染物質の輸送に興味のある方に関連性が な分布を追跡します。
ポンピングの開始時に、
流体の圧力が変化する
あります。
また石油会社の人で、破壊を通した
ことによる弾性変位に焦点を当てています。
亀裂への速い流れを調査する必要がある方 細孔スケールの流れ
多孔質媒体内の自由対流
や、岩石や土壌中の小石間の細孔を通る遅い
流れを調べる方にも関連があります。
帯水層の特性
多孔質媒体流れのこの非従来型モデルでは、
多孔質媒体の隙間で、ほふく流(ストークス流) この事例では、多孔質媒体内の自由対流が
を利用します。モデルはサンタバーバラに 解析されるような、地下水流モデリングを取り
このモデルは、帯水層のポンプテストの回数 あるカリフォルニア大学のArturo Keller、
Maria 扱っています。
から離散化二次グリッド上の空間的変数である AusetおよびSanya Sirivithayapakornによって 結果はこの学術分野で出版された文献との
透水係数を決定するための逆問題を解くため 行われた細孔スケールの流動実験に由来 比較がされています。
このモデルは以下を連成
に、最適化インタフェースを使用しています。します。
モデルで使用される幾何学的形状は、しています。運動量収支をエネルギー収支
観察数が未知のパラメータの数よりも少ない 電子顕微鏡画像を走査することにより作成 に方程式を通じて連成し、その方程式は温度
ため、地理統計的なペナルティ項を、解集合 されました。
この事例では、
Keller、
Ausetおよび、依存の方程式で、かつ運動量収支のソース項
から比較的適合する値を識別するために使用 Sirivithayapakornの2D顕微鏡画像の1つを に直接キー入力設定されているような方程式
しています。測定データは、
ダルシー則インタ 撮り、デカルト座標でのストークス方程式を 連成です。
この問題はCOMSOL Multiphysicsの
フェースを用いて実装されて与えられた前進 用いて、細孔流れの流速と圧力を解きます。ユニークな方程式ベースモデリングの可能性
モデルから生成され、
最適化ソルバのパフォー 流束を定量的に評価するために、境界積分 を示しており、
かつまた単相の多孔質媒体流れ
マンスと同様に、逆方法を使って効率的かつ が使用されます。
でのCOMSOL Multiphysicsの可能性のため
正確に解析することが可能になります。
のベンチマークモデルとして考慮し得ります。
93
仕様表
流体系
94
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Transport of Diluted Species in Porous Media
Boundary Conditions
Open Boundary
Volatilization
Edge and Point Conditions
Flux
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
Free Flow
Mass Based Concentrations
Multiple-Species User Interface
Species Source
>Partially Saturated Porous Media
>Porous Media Transport Properties
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Fracture Flow
>Free and Porous Media Flow
>Richards Equation
>Two-Phase Darcy's Law
Single-Phase Flow
>Creeping Flow
Boundary Conditions
Atmosphere/Gauge
Flux Discontinuity, Porous Media
Hydraulic Head, Porous Media
Inflow Boundary, Porous Media
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pervious Layer, Porous Media
Pressure Head, Porous Media
Pressure, Porous Media
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or
Pressure
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
Forchheimer Drag
Gravity Effects
Porous Media
Fluid and Matrix Properties, Brinkman Equations
Mass Source
Richards' Equation, Isotropic and Anisotropic
Storage Model, Isotropic and Anisotropic
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
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Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Porous Media
Boundary Conditions
>Fracture
Volumetric Domain Properties
Heat Transfer with Phase Change
>Heat Transfer in Porous Media
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Structural Mechanics
Physics Interfaces and Study Types
>Poroelasticity
Volumetric Domain Properties
Poroelasticity
Porous Media and Subsurface Flow
Darcy's Law and Biot Poroelasticity
Solid Mechanics
>Isotropic Poroelastic Material
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II-3-5 パイプ流れモジュール
～パイプネットワークの輸送現象と音響特性をモデル化～
パイプ流れモジュールは、パイプとチャネルネットワーク内の流量、
熱と質量の移動、ハイドローリック過渡現象、音響特性をシミュレート
します。
このモジュールは、エンジンブロックの冷却パイプや容器に接続
された供給チャネルと製品チャネルなど、大きなエンティティに対する
配管の影響をモデル化するために、他のCOMSOL®製品スイートのどの
モジュールとでも簡単に統合できます。
このモジュールでは、配管ネット
ワークからなるプロセスのモデル化全体の計算リソースを変更せずに
保全でき、一方では、
これらのネットワーク内のプロセス変数の全体的な
記述も検討できます。パイプ流れシミュレーションでは、速度、圧力、材料
濃度、パイプやチャネル沿いの温度分布が得られ、音波伝搬やウォータ
ハンマー効果もシミュレートできます。
パイプ流れモジュールは、流れが十分に成長すると思われるパイプと
チャネル内の非圧縮性流のモデル化に最適です。
このモジュールでは、
エッジ沿いの接線平均速度成分を持つエッジ要素を使用します。
これはパイプ断面を2次元メッシュや3次元メッシュでメッシュ化する
のを回避するためです。すなわち、モデル化した変数はパイプ断面では平均化され、パイプの長さ方向にのみ変化します。ダルシー
摩擦係数の組み込み式は、層流、乱流、ニュートン流体、非ニュートン流体、各種断面形状やジオメトリ、幅広い範囲の相対表面粗さ値
など、流動の枠組み全体に適用できます。
これらの式は、ネットワークにおけるそれぞれの位置によって異なるか、モデル化した変数に
直接関係しています。
パイプ ネットワーク内の圧力損失における寄与要因は摩擦だけではありません。パイプ流れモジュールでは、屈曲、収縮、膨張、T字接合、
バルブの影響も考慮に入れます。
これらは、業界標準の損失係数の豊富なライブラリで計算します。ポンプも流れ誘導装置として利用
できます。COMSOL製品スイートのすべてのフィジックスインタフェースと同様に、基本方程式は自由に操作でき、自分のソースやシンク
条件を追加し、物理的特性を任意のモデル変数の関数として表現できます。COMSOL Multiphysics®では、データを取り込んで、一定の
流体系
材料特性やプロセスパラメータを記述できるほか、MATLAB®で記述したサブルーチンも取り込めます。
機能
用途
・ パイプとチャネルネットワーク内の層流と乱流
・ 化学プロセスシミュレーション
・ すべての流れの領域、さまざまな断面ジオメトリ、さまざまなサーフェスの粗さの
・ パイプ内の化学反応
・ 冷却系
ダルシー摩擦係数
・ ベンド、収縮、拡張、T-継ぎ手、弁の業界標準損失係数の豊富なライブラリ
・ 地熱系
・ ポンプの流量発生係数
・ 熱交換器と冷却フランジ
・ すべての流れの領域で伝熱に結合した非等温流
・ パイプ内の熱伝達
・ パイプ壁、固体、周囲体積内の自由対流と強制対流による伝導など、パイプ流内の
・ 水力学
・ 潤滑
熱伝達と周囲環境への伝熱
・ ニュートン流体と非ニュートン流体
・ パイプ内の質量移動
・ 拡散、分散、対流、化学反応による材料輸送
・ 非等温パイプ流
・ 材料輸送を直接パイプ流に結合する反応流
・ 石油精製パイプシステム
・ パイプネットワーク内の高速な水力過渡による水撃効果
・ パイプ音響
・ 周波数領域と時間領域におけるパイプ音響学 1
・ パイプ流
1
・ 化学プラントのパイプネットワーク
1
音響モジュールが必要
・ 水パイプラインとオイルパイプライン
・ 水撃方程式
95
事例紹介
オルガンパイプ設計
水撃作用
プローブチューブ・マイク
流体系
パイプオルガンデザイナを使用すると、オル
ガン パ イプ の 設 計 を 調 査した 後 、ユ ー ザ バルブがパイプネットワークで急速に閉じる 通常のマイクを直接、測定する音場に挿入
それは水撃として知られている流体過渡 することは不可能であることが多いです。
フレンドリなアプリで設計変更した音やピッチ とき、
これらの流体過渡現象 マイクは、
測定されるシステムの内側に入れる
を再生することができます。パイプの音は、現象を生じさせます。
様々な振幅と波長による影響を含んでいます。の伝播は、極端な場合には、過圧によって には、大きすぎるかもしれません。例えば
オルガンパイプはCOMSOL Multiphysicsの 生じるパイプシステムの故障を引き起こす 補聴器の調整のために、内耳で測定する場合
これは、
リザーバ、パイプ、などです。マイクのサイズは音の波長と比較
パイプ音響周波数領域インタフェースを使用 可能性があります。
してモデル化されます。
シミュレーションアプリ バルブからなる単純な検証配管システムの すると大きすぎるため、音場を乱してしまう
では、第1基本共振周波数が周囲の圧力温度 モデルです。このモデルのバルブは瞬時に かもしれません。これらの場合にプローブ
管は、測定点からマイクを遠ざけるために、
だけでなく、パイプ半径と壁の厚さによって 閉じます。
マイクロホンケースに付けるのが良いかも
どのように変化するかを解析できます。
しれません。このモデルで は、この 小さな
プローブ管を追加することによるマイク感度
への影響を、調査します。これは一般的な
パイプライン設備の隔離
プローブ管マイクの時間依存モデルで、外部
音響領域、弾性プローブ管、それにマイク
床暖房のための地表熱回収
振動板の前面にキャビティを含んでいます。
このプローブ管は、パイプ音響過渡の物理
インタフェースを使用してモデル化され 、
2つの離れた3D圧力音響領域を結合させた、
完全連成の音響シミュレーションです。
この
モデルは、
パイプ流れモジュールが必要です。
石油がパイプライン部分を流れることで、
流体中の内部摩擦力により、熱が放出され
地熱発電は環境に優しく、新しく断熱性の ます。パイプラインは非常に断熱性が高い 射出成形金型の冷却
高い住宅に熱を供給するための、エネルギー ため、長距離で寒冷地を輸送されるという
効率の高い方法です。投資コストがガスヒー 事実にもかかわらず、
この生成熱は予備加熱
ティングや石油ヒーティングよりも高いため、を回避するために利用され得ます。
このモデル
効率的に地下に蓄熱材を配置する可能性を は、パイプラインの石油輸送に関する流れ
調査する必要があります。
このモデルは輻射 とエネルギー方程式を、設定し求解するため
床暖房のために、庭の表土層の表面下に に、非等温流パイプ流れインタフェースを
埋め込まれた3種類のパイプ配置を、比較 使用しています。最適化インタフェースを追加
します。土壌層の典型的な熱特性は、補間 することにより、パイプを流れる温度が一定 このモデルは非等温パイプ流れインタフェース
および区分関数を使用して設定されます。 であるような、パイプライン断熱材の厚さを、を伝熱(固体)インタフェースを一緒に用いて、
自動車ハンドルのポリウレタン部の射出成形
見つけることができます。
冷却をモデル化するための方法を示します。
熱交換プレートでの対流
冷却チャネルを記述する方程式は、成形処理
とポリウレタン部分の伝熱方程式と完全連成
池中ループ設備による地熱発電
されています。
排出槽
この事例はマイクロチャネル熱交換器中の
流れを、3Dの層流インタフェースとパイプ
流れインタフェースで連成し、モデル化して
います。パイプ流れインタフェースを使って
池や湖は地熱発電用途において、熱源として
モデル化することで、マイクロチャネル内の
利用できます。この事例で流体は、密閉系
流れの問題サイズは大幅に削減されます。
中のポリエチレン管を通して水中循環します。このチュートリアルモデルは、水タンクに接続
このモデルは、
自動的に3D形状とパイプ流れ
パイプは美しくコイル形状に巻かれ、そりの された配管システムの、圧力損失と初期流量
ドメインとを接続する、配管接続機能を紹介
上にグループ化されています。非等温パイプ を計算する方法を図示します。パイプ流れ
しています。
流インタフェースが設定され、配管系の温度 インタフェースには、曲がりやバルブでの圧力
および流体流れのための方程式を解きます。損失と同様に、配管の表面粗さに由来する
幾何形状は3D空間上で線として表現されて 摩擦モデルを使用する準備が含まれています。
います。
96
仕様表
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
流体系
Acoustics
Physics Interfaces and Study Types
Acoustic-Structure Interaction
>Pipe Acoustics, Frequency Domain*
>Pipe Acoustics, Transient*
Edge and Point Conditions
Pipe Acoustics
>Edges*
>Points*
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Reacting Pipe Flow
>Transport of Diluted Species in Pipes
Boundary Conditions
Mass Outflow
Edge and Point Conditions
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
Wall Mass Transfer
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Non-Isothermal Flow
>Non-Isothermal Pipe Flow
Single-Phase Flow
>Pipe Flow
>Water Hammer
Boundary Conditions
Pipe Connection
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or
Pressure
Standard Mass Flow Rate (SCCM)
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Pipe Flow Boundary Conditions at Points
Bend
Closed
Contraction/Expansion
Inlet: Mass Flow Rate and Mass Flux, Volumetric Flow Rate
Local Friction Loss
n-way junction
No Flow
Outflow: Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or
Pressure
Pipe Connection
Pump
T-Junction
Valve
Y-junction
Pipe Flow Domain Properties on Edges
Fluid Model
Bingham, Non-Newtonian
Power Law, Non-Newtonian
>Newtonian
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Pipes
Edge and Point Conditions
>Wall Heat Transfer for Heat Transfer in Pipes
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
97
II-3-6 分子流モジュール
～真空システムの低圧気体流をモデル化～
分子流モジュールは、複雑なジオメトリの低圧/低速気体流に従来
利用できなかったシミュレーション機能を提供するために設計され
ました。
このモジュールは、半導体の処理、粒子加速器、質量解析計
などの真空システムのシミュレーションに理想的です。小さなチャネル
の用途(シェールガスの探査やナノ細孔材料における流れなど)にも
対応できます。
分子流モジュールでは、
高速の角度係数手法で定常状態の自由分子流
をシミュレートします。等温分子流と非等温分子流をモデル化して、熱
流束寄与を気体分子から自動的に計算できます。遷移流のシミュレー
ションには離散速度手法も組み込んでいます。
分子流モジュールでは、低速で低圧の流れを管理しやすく正確な結果
が得られる方法で解決できるよう、
これらの方式に対して2つの代替
手法を用意しています。
グラフィカルユーザインタフェース(GUI)で
モデル入力を受け取って、一連の方程式を完全に指定できるように
構成された、2つの専用のフィジックスインタフェースを利用できます。
1つは自由分子流インタフェース、
もう1つは過渡流インタフェースです。
機能
自由分子流
流体系
・ 角度係数手法による等温流と非等温流
・ 流れの領域全体またはサーフェスのみをメッシュ化するために選択する
・ 自由分子流におけるシステム容量の数密度の再構成
・ 拡散フラックス、蒸発、分子流、
リザーバ境界条件
・ 総真空条件と真空ポンプ境界条件
・ 非等温流の温度境界条件
・ ガス放出、
吸着/脱着、
沈殿のための壁境界条件
過渡流
・ 離散速度/ラティスボルツマン法の変形態様を使用したボルツマンBGK方程式による等温流
・ クヌーセン数全域に適用される壁境界条件
・ モデリング領域に流体を侵入または残すためのナビエ-ストークス様式と分子流動様式に適した境界条件
用途
・ 真空装置
・ 半導体製造装置
・ 材料処理装置
・ 質量分析器
・ 粒子加速器
・ シェールガスの探査
・ ナノ細孔流
98
事例紹介(1/2)
毛細管中の分子流
赤血球から血小板の誘電泳動分離
電荷交換セルシミュレータ
誘電泳動(DEP)は、不均一な電界にさらされる
ような誘電体粒子に対して力が作用するような 電荷交換セルは、真空チャンバ内の高圧で
場合に発生します。DEPは、バイオセンサ、気体の領域から構成されます。イオンビーム
任意の幾何学的形状の分子流を計算する 診断、粒子操作および濾過(並べ替え)、粒子 が高密度ガスと相互作用すると、
イオンはその
場合、解析的に計算することが非常に困難 アセンブリ、および多くのために使用生物 ガスとの電荷交換反応を受け、高エネルギー
である複雑な積分方程式を使用します。その 医学装置の分野で多くの用途があります。 の中性粒子を生成します。ビームイオンの
ため解析解は、単純な幾何形状のときのみ 誘電泳動力は大きさ、形状、及び粒子の誘電 一部のみが、電荷交換反応を受ける可能性
入手可能です。解決された最古の問題の一つ 特性によって大きく変化します。このことに があります。従ってそのビームを中和する目的
は、Clausing氏によって最初に正確に取り よりDEPを用いることで、例えば混合物から のために、2つの帯電する偏向板はセルの
扱われた、任意の長さの管を流れる気体流 様々な種類の細胞を得るというように、異なる 外側に配置されています。
このようにして、高
の問題でした。その後彼によって導かれた 種類の粒子を分離するために使えます。
赤血球 エネルギーの中性源を製造することができ
積分式は、Cole氏によってより正確に計算 分離アプリケーションは、
血小板から赤血球を ます。荷電交換セルシミュレータアプリは、
されました。
これらの著者は任意長さの管上 分離するために、赤血球を血液試料から選択 中性アルゴンを含む電荷交換セルで陽子
における分子の通過確率の値が、圧力とは 的に濾過する方法を示します。DEPフィルタ ビームの 相 互 作 用をシミュレートします。
無関係であり、
クヌーセン数が1よりも遙かに 装置では、赤血球は血小板よりも大きいため、ユーザ入力は、気体セルや真空チャンバの
大きい(分子流領域)ことを導き出しました。大きな力を受けその結果、
より偏向されます。いくつかの形状パラメータ、ビーム特性、及び
このモデルは、異なる長さ/半径比のマイクロ 装置には2つの出口が配置されていて、上方 残りのイオンを偏向させるために使用される
キャピラリを通して分子の分子流において、出口からは偏向されていない粒子が出て行き、荷電板の特性を含みます。シミュレーション
通過確率を計算するために自由分子流インタ 偏向されていない粒子のみが下方出口から アプリは中和されたイオン比を計測し、また
フェースを使用しています。
この結果は、Cole 出ることができるようになっています。
どのような種類の衝突が何回発生したかの
氏によって計算された正確な解と比較され
統計を記録して、電荷交換セルの効率を計算
ます。
します。
S字管中の分子流
流体系
負荷固定真空装置中の吸水/脱水
イオン注入真空装置中の分子流
このモデルは、低気圧で真空システムの吸水/ このモデルは、S字管を通過する輸送確率を、
脱水の時間依存解析をシミュレートする方法 自由分子流インタフェースで使用できる角度 イオン注入装置評価アプリは、イオン注入
を示しています。ロードロックにゲートバルブ 係数法と、数学的粒子トレーシングインタ 装置の設計を考慮しています。イオン注入
が開かれたときに水がシステムに導かれ、フェースを用いたモンテカルロ法の、両方を は、ウェハにドーパントを注入するために、
その後の移動およびポンプによる排出が 用いて計算します。2つの手法によって計算 半導体産業で広く使用されています。イオン
モデル化されています。
された輸送確率は、その差が1%以下と非常 注 入 装 置 内 部で は、イオン源 内 部で 生 成
されたイオンが、設定した注入エネルギー
によく一致しています。
このモデルは粒子トレーシングモジュールが 量に達するまで電界によって加速されます。
適 切 な 電 荷 状 態 のイオンは、分 離 磁 石を
必要です。
用いて選択されます。
分離磁石はイオンビーム
を曲げ、
その結果、
特定の電荷質量比のイオン
のみがウェハに到達するようになっています。
イオンビームのエネルギー量及びウェハ角度
は共に、プロセスに重要なパラメータです。
このアプリでユーザは、
ガス放出種の分子量、
ガス放出率、および表面温度だけでなく、
ウェハ角度を変更することができます。冷却
ポンプとターボポンプの速度も調節すること
ができます。数密度、圧力、分子フラックス、
ならびにビームラインに沿った平均数密度
を可視化することも可能です。
99
事例紹介(2/2)
セルを通過する陽子ビームの中和
超真空、化学蒸着
差動排気
化学蒸着(CVD)は、
ウェハ基板の上に高純度の
固体材料の層を成長させるために、半導体
ガスセルは科学機器の設計において、いくつ 産業で多く使用される製造方法です。CVDは
かのアプリケーションを持っています。ガス 多くの異なる技術を用い、しかもそれらを 差動ポンプ真空システムは、非常に圧力差
セルは、機器の主要な真空システム内の高圧 大気圧から超真空(UHV/CVD)までの圧力範囲 が大きな真空系の2つの部分を接続するため
領域を定義するために使用されます。例えば、で適用することで、達成されます。UHV/CVD に、小さなオリフィスまたはチューブを使用
このアプリケーションにおいて、我々は長さ は10の-6乗Pa(10の-8乗Torr)以下の圧力で しています。プロセスがより高い圧力で動作
また動作のためにUHVを必要とする検出
100mmの高圧領域を設計していることに 実施されるので、気体輸送は分子流によって し、
このような
注目してください。また、衝突セル内の動作 達成されます。そのため境界層のようなあら 器によってモニタされる場合には、
このモデル内では、
細管
圧力は1e-3[Torr]であり、また主要な真空 ゆる流体力学的効果が無視されます。加えて、仕組みは不可欠です。
システムの圧力は1e-5[Torr]なのです。質量 分子衝突があまり起きないため、気相化学 を通り高真空チャンバへ通じる気体流れに
分析法において、典型的なアプリケーション 反応も起きません。そのため成長率は、化学 ついて、流量は解析式を用いて近似されます。
は、誘導結合プラズマ質量分析(ICPMS)での 種の数密度と表面分子分解処理によって考慮 このモデルはまた、実験データを直接使用
質量スペクトル干渉の除去、
または衝突セル されます。
このモデルは複数の化学種と自由 するように適合させることができます。解析
としてイオン分子反応の促進、
またはタンデム 分子流を用いて、シリコンウェハの成長を モデルを自由分子流インタフェースに連成
質量分析(MS-MS)での分裂です。
モデル化しています。いくつかのポンピング させて得られた結果は、システムの直管と
UHV部の両方に組み入れた自由分子流シミュ
このモデルには粒子トレーシングモジュール 曲線からの影響が検討されています。
レーションと比較されます。
が必要です。
RFカプラ中の分子流
ガス放出管
一方向分子流中の回転平面
流体系
このベンチマークモデルは、高アスペクト比の このモデルは、高い指向性分子流中の、回転
このモデルはRFカプラを通過する分子の輸送 ガス放出パイプのシステム内の圧力を計算 板表面の粒子束、数密度及び圧力を計算し
確率を、自由分子流インタフェースで使用で します。結果は1Dシミュレーションと、文献 ます。求められた結果は、分子流を計算する
きる角度係数法と、数学的粒子トレーシング から引用した同じシステムのモンテカルロ 他の近似値や、他の技術を用いたものと比較
インタフェースを用いたモンテカルロ法の、シミュレーションとを比較しています。
されます。
両方を用いて計算します。2つの手法によって
計算された輸送確率は、その差が1%以下と
非常によく一致しています。
このモデルは粒子トレーシングモジュールが
必要です。
100
仕様表
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Rarefied Flow
>Molecular Flow
>Transitional Flow
Boundary Conditions
Diffuse Flux
Evaporation
Number Density Reconstruction (Interior Boundaries Only)
Reservoir
Surface Temperature
Total Vacuum
Vacuum Pump (Free Molecular Flow)
Wall
>Molecular Flow Wall Boundary Conditions
Edge and Point Conditions
Molecular Flow Features on Edges or Points
Number Density Reconstruction
Volumetric Domain Properties
Molecular Flow
Molecular Flow
Multiple Species
Number Density Reconstruction
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
流体系
101
II-4 化学系
II-4-1 化学反応工学モジュール
II-4-2 バッテリ&燃料電池モジュール
II-4-3 電気めっきモジュール
II-4-4 腐食モジュール
II-4-5 電気化学モジュール
化学系
103
II-4-1 化学反応工学モジュール
～物質とエネルギーバランスと化学反応～
化学反応器、
ろ過装置、
ミキサや他のプロセスの最適化は、化学反応
工学モジュールを使用して実現可能になります。
そのモジュールには、
表面上や固相内の気体、流体、多孔質媒体もしくは全てのコンビ
ネーションなどあらゆるタイプの環境における任意の化学速度が
分析可能な材料輸送や伝熱のシミュレーションツールが含まれて
います。
皆さんの周囲の環境に密接な”プロセスユニット”や”化学反応”
などが関係している全ての化学的ファセット、プロセス産業、そして
環境工学にいたるまでを完璧にカバーすることができます。
化学反応工学モジュールは、低濃度や濃縮液内における材料輸送
を定義した直感的ユーザインタフェースや化学種の任意数の対流、
拡散、
イオン移動を介した混合物を含んでいます。
これらは、
アレニウス
方程式で容易に定義することが可能で、可逆、不可逆、平衡反応速度
の定義との連成が可能です。
また動力学の速度濃度や温度の影響を
うける任意の速度則とも連成が可能です。化学反応を定義するインタ
フェースは、化学式として分かりやすく、
また方程式に関しては、
まるで
紙の上に書いているように入力することが出来ます。COMSOLは、
質量作用の法則を使用して適切な反応式を設定します。
この反応式は、
ご自身の動力式に変更や訂正を行うことが可能です。それらが
均一なのか不均一か、発生場所がバルク内もしくは表面なのかなどには関係なく、反応式中の化学量論は自動的に物質とエネルギー
バランスを定義します。
機能
用途
・ 化学式ベースで反応式を生成する自動理想リアクタモデル
・ バッチ式反応器と高圧反応器
・ 希釈混合物や濃縮混合物内の質量移動
・ 生物反応器と発酵槽
イオン移動における質量移動
・ 拡散、対流、
・ 生化学、生化学工学、食品科学
・ 多成分質量輸送
・ 化学反応器の設計、サイズ設定、最適化
化学系
・ Fickian、Nernst-Planck、Maxwell-Stefanおよび混合平均輸送
・ クロマトグラフィ
・ ソレー効果を構成する多成分拡散性薄層における拡散
・ 連続反応器と CSTR
・ 拡散バリア
・ 分離器、洗浄機、晶析装置、浸出ユニット
・ 多孔質媒体における種輸送と伝熱
の操作
・ 質量輸送パラメータの多孔性補正モデル
・ 電気化学工学
・ 薄層多孔質媒体流
・ 浸透、電気泳動、電気浸透
・ Hagen-Poiseuille方程式
・ 排気後処理と放出抑制
ダルシーの法則、Brinkman方程式
・ ナビエ-ストークス、
・ 濾過と沈殿
・ 反応流
・ 均一および不均一触媒反応
・ サーフェス拡散と反応
・ 触媒による選択的還元と SCR 触媒
・ サーフェスにおける種の吸着、吸収、沈殿
・ マイクロフルイディクスとラボオンチップ(lab-on-chip)装置
・ マルチスケール輸送と反応機能
・ モノリシック反応器と触媒コンバータ
・ 等温/非等温環境における化学反応速度論の任意定義で無制限の ・ 多成分と薄膜輸動
数の化学種を使用可能
・ アレニウスモデル
・ 充填床反応器
・ 医薬品合成
・ サーフェスにおける吸着等温線、種の吸収/沈殿
・ 栓流反応器設計と管型反応装置
・ 自由/多孔質媒体反応流
・ 重合反応速度論と製造
・ 速度論データ、熱力学、輸送特性のためのCHEMKIN®ファイルイン ・ 予熱バーナと内燃エンジン
ポート機能
・ CAPE-OPEN形式による熱力学データベースのサポート
104
・ 水素改質装置
・ 半導体製造と CVD
事例紹介(1/2)
NOx反応速度の解析
チューブ型反応器によ分離作用
GaAsからの化学蒸着
化学蒸着(CVD)は、分子および分子フラグ
管状反応器は多くの場合、例えば石油産業 メントが表面吸着または表面成長することに
この一連の事例は、選択的NO還元のモデル で、
連続的な大規模生産に使用されています。より、薄膜が表面に成長することを可能にし
化を示します。それは電気自動車の排気装置 主要な設計パラメータの1つには、所望の ます。
この事例では、以下の様なCVD反応器
中のモノリシック反応器の流路を通過し、生成物を生成する、変換率または反応物の量 のモデル化を図示します: トリエチルガリウム
排気ガスとして発生しています。このシミュ が挙げられます。高い転化率を達成するため が最初に分解し、
アルシン(AsH3)吸着と共に
レーションは、生成過程で還元剤として反応 に、生産エンジニアは反応器設計を最適化 反応が生成したり、基板上でGaAs層を形成
しているNH3の最適な配合量を見つけること します: 長さ、
幅それに加熱システムなどです。する反応が起きます。CVDシステムは、運動量
が目的です。
正確な反応器モデルは、設計段階または既存 保存則、エネルギー保存則、それに質量保存
以下の3つの異なる解析が行われます:
反応器チューニングの両方の段階において、則をモデル化し、詳細な気相動力学と吸着動
動態解析:
非常に便利なツールです。
この事例では気相 力学を含みます。
省略された反応スキームは、
この事例では、モノリシック反応器の単一 の解離過程を取り扱い、そこでは化学種Aが 反応工学インタフェースの完全なスキームと
チャネルにおける選択的還元について詳し 反応して化学種Bを形成します。
このモデル 比較されます。
このモデルは可逆反応グループ
プラグフロー では、以下の様な化学反応工学モジュールの 機能を使うことで、反応工学インタフェースと
く調査されます。反応速度は、
反応型の反応工学インタフェースを用いて、いくつかの魅力的な機能の使い方を示します。化学インタフェースの使いやすさを強調しま
解析されます。
- 多成分拡散を考慮した高濃度種輸送の すが、
これは0Dで空間依存の反応器で、反応/
詳細なプロセス・モデリング:
使い方
輸送システムをシミュレートします。反応工学
この事例では、最適なNH3投与量として、- 可変密度を層流インタフェースに連成する インタフェースでは、完全な混合系での、反応
開始時には上記事例での量を用います。 方法
の異なるセットの過渡的振る舞いを調査する
このモデルは3Dで構築され、投与レベル - 温度依存かつ組成依存の反応動力学の ことができます。化学インタフェースには反応
のより良いチューニングを伴って、問題の 実装
動力学が揃っており、輸送パラメータと熱
完全な空間依存性を明らかにします。
- 管状反応器で典型的に使用される、細長い パラメータを計算するので、それをもって他
熱応力のモデリング：
幾何形状を離散化するための、マップ化 のインタフェースとシームレスに連成すること
このモデルはモノリシック構造内の、化学 メッシュの使用法
ができます。
反応によって引き起こされる熱による熱 - 熱収支を追加する方法と、
熱収支、
質量収支
上記の3Dモデルと共に、 と速度場との連成方法
勾配を算出します。
この調査のために構造力学モジュールが
使用されます。
マルチスケール3D充填層反応器
注入針付き多孔質媒体反応器
ラウンドジェットバーナで合成ガスの燃焼
化学系
化学工業における最も一般的な反応器の一つ このアプリケーションは、不均一触媒研究の
は、不均質触媒プロセスで使用するための、ための実験炉内での、流れ場と化学種分布を モデルは単純なラウンドジェットバーナ中の、
充填床反応器です。
このタイプの反応器は、取り扱います。
このモデルは固定床反応期中 合成ガスの非予混合乱流燃焼をシミュレート
合成と排出物処理の両方および触媒燃焼で の、自由流れおよび多孔質媒体流れの連成 します。合成ガスは、主に水素、一酸化炭素
使用されます。
このモデルは、ペレット周囲を 解析を例示します。反応器は、主軸方向に 及び二酸化炭素からなるガス混合物です。
流れる原子炉ガス中の濃度密度を計算する 垂直な注入管を有する直管構造で構成されて 合成ガスの名前は、合成天然ガス生成に使用
このモデルでは、
合成
ように設定されていますが、
それはまた、
その います。主管と注入管へ注入される化学種が、されることに由来します。
モデルの各多孔質触媒ペレット内部の濃度 固定多孔質触媒床で化学反応を起こします。ガスは、ゆっくりとした空気の並行流と共に、
分布のモデル化に、余分な次元をも使用して このモデルは、ナビエ・ストークス方程式と パイプから開放領域に供給されます。パイプ
います。余分な次元は機能反応性ペレット ダルシー則を拡張したブリンクマン則を用い から流出すると、合成ガスは非予混合方式で、
ベッドに組み込まれ、
それはCOMSOL 5.0から て、
自由流れと多孔質流れを連成します。
3化学 周囲の空気と混合し燃焼します。結果として
バーナヘッドに取り付け
内蔵されています。
反応器は、
触媒粒子を充填 種の質量輸送は、対流拡散方程式でモデル 得られた乱流火炎は、
られます。
このモデルは反応流インタフェース
した円筒状のシェルで構成されています。
これ 化されています。
と流体中の伝熱インタフェースを組み合わせ
らの粒子は、チューブまたはチャネルのよう
ることで、求解します。
ジェット内の乱流はk-ε
な、支持構造内に収容することができ、また
乱流モデルでモデル化され、乱流反応は渦
はそれらは反応器内の一つの区画に充填する
消散モデルを用いてモデル化されます。反応
ことができます。
ジェット中で得られた速度、温度および化学
種質量分率は、実験値と比較されています。
105
事例紹介(2/2)
透析による分離反応
不均一系触媒での炭素析出
熱分解
固体触媒の表面上の炭素析出は、一般的に このチュートリアルでは、
平行平板反応器内の
炭化水素処理において観察されます。既知の 発熱反応をモデル化するために、伝熱方程式
透析は、広く使用される化学種の分離方法 問題は、炭素堆積物は触媒の活性を妨げる と質量輸送方程式が層流解析と連成してい
です。その一例が血液透析で、腎不全を持つ だけでなく、触媒床を通るガスの流れを遮断 ます。COMSOL Multiphysicsの組込み物理
人々のための人工腎臓として用いられます。することができるということです。
この例では、インタフェースを用いて、
どのようにして徐々
透析では特定の成分のみが、分子サイズ差 触媒上で水素と固体炭素へのメタンの熱分解 に洗練されたモデルを体系的に構築し求解
および溶解度差に基づき、膜を通して拡散 を調査します。触媒活性の影響は、理想的な するかを例示します。
されます。
この膜透析アプリは、流体中の汚染 反応器モデルとして反応工学インタフェース
物質濃度を低下させる工程をシミュレート を用いて、
まず最初に求められます。
これが、
します。
この装置は中空糸モジュールで構成 炭素析出が考慮されたことにより多孔性が
されており、その中空糸の壁面では汚染物質 減衰するような、空間的あるいは時間依存
を除去する膜として作用します。
このアプリの モデルとして拡張されます。
結果によって、膜材料の選択や、繊維寸法の
選択、および透析の操作条件の選択の助け
になります。
生体センサ設計
化学系
106
吸着-反応-脱着ステップを伴う表面反応は、
例えば、光触媒やバイオセンサなどで一般的
です。バイオセンサ内のフローセルは、例えば
水溶液中の抗原の吸着のために、マイクロ
ピラー配列構造が含まれています。表面被覆
率に比例する信号は、例えば化学発光を介し
て、センサで検出することができます。この
デモアプリケーションは、活性表面を有する
フローセルを備えています。
ユーザはアプリを
用いて、センサの設計パラメータを変更する
ことができます。例えばピラー直径、
グリッド
間隔、それに流入速度などです。そして検出
結果にどのように影響するかを確認できます。
仕様表
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Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Free and Porous Media Flow
Boundary Conditions
Flux Discontinuity, Porous Media
Inflow Boundary, Porous Media
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pressure, Porous Media
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or
Pressure
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
1D Formulations for Porous Media Flow
Forchheimer Drag
Porous Media
Fluid and Matrix Properties, Brinkman Equations
Mass Source
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Porous Media
Volumetric Domain Properties
>Heat Transfer in Porous Media
Ideal Gas
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Stationary
Stationary Plug Flow
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化学系
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
Chemistry
>Nernst-Planck Equations
>Reaction Engineering
>Surface Reactions
>Transport of Concentrated Species
>Transport of Diluted Species in Porous Media
Reacting Flow
>Laminar Flow
Reacting Flow in Porous Media
>Concentrated Species
>Diluted Species
Boundary Conditions
Current Density
Current Discontinuity
Electric Insulation
Electric Potential
Mass Fraction
Open Boundary
Reacting Boundary
Surface Properties
Volatilization
>Inflow with Mixture Specification
Edge and Point Conditions
Flux
Line Mass Source
Point Mass Source
Thermodynamics and Kinetics Data Import
Mixture properties, CAPE-OPEN standard
Parameter estimation*
>CHEMKIN file import of thermo- transport- and kinetic data
Volumetric Domain Properties
Free Flow
Generate Space-Dependent Model
Infinite Domain Modeling with Infinite Elements
Mass Based Concentrations
Migration in Electric Field
Multiple-Species User Interface
Reactive Pellet Bed
Species Source
Species, Chemical Reaction Engineering
>Effective Mass Transport Parameters
>Partially Saturated Porous Media
>Porous Media Transport Properties
>Reactions, extended for Chemical Reaction Engineering
Diffusion-Models for Transport of Concentrated Species
Fick's Law
Knudsen Diffusion
Maxwell-Stefan
Mixture-Averaged
107
II-4-2 バッテリ&燃料電池モジュール
～バッテリと燃料電池設計～
バッテリと燃料電池は、高濃度エネルギーや電力効率などを含め、
より
厳しい環境で、
より長い年月の作業を要求されます。
これらの条件は、
この産業界にさらなるプレッシャーをかけ、開発、設計、最適化、
そして
質と安全の確立のため、バッテリ&燃料電池のモデリングやシミュレー
ションは必要不可欠なツールの1つになっています。システムの例と
して、鉛酸蓄電池、
リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、固体電解質
型燃料電池(SOFCs)、直接メタノール型燃料電池(DMFCs)、
そしてプロ
トン交換膜燃料電池(PEMFCs)が、あげられます。
バッテリ&燃料電池モジュールでは、バッテリおよび燃料電池の電極
と電解液内の根本的な電気化学的挙動をモデリングします。様々な
操作状況、設計構造、数多くの老朽化メカニズムが原因で起こる劣化
に対する性能解析が可能になります。
このアドオンモジュールと共に、
荷電種-中性種の輸送、電流電動、流量、伝熱、そして平面的で多孔質
な電極の電気化学反応の性質と駆動力をシミュレートできます。
これ
らの特性を理解することで、、性能、熱管理、安全に関連するシステム
内の電極、セパレータ、膜組織、電解質、電流コレクタ、電流フィーダの
設計およびジオメトリと材料選択の最適化を行うことが可能になります。
機能
・ 自由多孔質媒体の電解質と多孔質電解質における電流平衡の一次、二次および三次電流分布
インタフェース
・ 電気的中性、支持電解質または荷電平衡方程式のポアソン方程式の定式化
用途
設計と運用の研究:
・ アルカリ形FC
・ 直接メタノール形FC
・ 希釈溶液と濃縮溶液におけるNernst-Planck方程式
・ 融解炭酸塩形FC
・ 電解質における移動度と拡散率の関連付けに関するNernst-Einstein方程式
・ 固体高分子形(PEM)FC
・ ソースとシンクとしての均一系反応と電気化学反応など気体中の輸送に関するMaxwell-Stefan
・ 固体酸化物形FC
方程式
・ 燃料電池スタック
化学系
・ 電極におけるオームの法則と電流の保存
・ 鉛酸バッテリ
・ 平衡電位および濃度過電圧に関するNernst方程式
・ リチウムイオンバッテリ
・ 電極反応に対する材料と電流平衡の自動連成のための化学量論とファラデーの法則
・ ニッケル水素バッテリ
・ 活性化過電圧と濃度過電圧を説明する電極反応速度論
・ バッテリパック
・ 吸着と脱着などの電極触媒作用
・ 電流のコレクタとフィーダ
・ 定義済みの速度論に関するButler-Volmer方程式とTafel方程式
・ 多孔質電極
・ 動作条件に応じてインタフェースの厚さを変更するためのモデル変数を含む、固体電解質インタ
・ ガス拡散電極(GDE)
フェース(SEI)定義
・ 固体電解質
・ 電極粒子における種のインタカレーション
・ 有効媒体のBruggeman関係を使用する多孔性とねじれの効果など、多孔質電極とGDEの定義
済みの定式化
・ 熱管理
・ 多孔質電極とGDE内の多孔質電解質における輸送を説明する凝集モデルと薄膜モデル
・ 熱暴走したバッテリ
・ 電荷移動反応に連成したモデル変数として多孔性を組み込んだことによる操作時の電極材料の
・ バッテリ内の短絡
分解による多孔性変化
・ 二重層容量の影響など記述されたすべてのシステムに対応する電気化学的インピーダンス分光法
(交流インピーダンス)スタディ
・ 電流遮断スタディ
・ 電気化学系に合わせたソルバ設定による定常シミュレーションと過渡シミュレーション電極と
電解質における抵抗損失によるジュール加熱と活性化損失による加熱
・ 非等温層流など、
自由/多孔質媒体における伝熱
・ Brinkman方程式による、燃料電池バイポーラ板と冷却チャネルなどの開放チャネルと接触した
多孔質媒体における流体に関する定義済みの連成
・ セパレータなどバッテリ材料の化学劣化による劣化のシミュレーションのための化学種輸送と反応
108
モデリングとシミュレーション:
・ 構造、
温度、
化学影響による劣化
事例紹介(1/2)
1Dリチウムイオン電池、
インピーダンスモデル 溶解性レドックス・フロー鉛蓄電池
リチウムイオン電池インピーダンス解析アプリ
負LTO電極と正NCA電極を持つリチウムイオン
このアプリケーションの目標は、実験で求めた
電池セルのインピーダンスは、10mHzから レドックスフロー電池の内部では、電気化学 電気化学インピーダンス分光法(EIS)測定を
100Hzまでの高調波摂動のためモデル化を 的エネルギーが電解液中にレドックス対と 説明すること及び、
リチウムイオン電池の特
行います。
このモデルは正極において、導電 して貯蔵されますが、それらは電気化学セル 性を推定するための計測と共にシミュレー
性材料での追加二重層電流を組み込みます。の外側タンクに貯蔵されます。動作期間中は ションアプリが使用可能だと示すことです。
セパレータ中央に存在する基準電極と各電極 電解質がセルを介してポンピングされ、電気 リチウムイオン電池インピーダンスアプリは
とのインピーダンスも、測定可能です。最適化 化学反応によって、電解液中の活性化物質の EIS実験から測定を行い、入力値として使用
フロー電池の充電 しています。その後それらの測定を模擬し、
インタフェースを用いることで、このモデル 個々の濃度が変化します。
反応系(タンク+ポンプ 実験データに基づいてパラメータの推定を
は文献の実験データとフィッティングされます。状態は電解質種の濃度、
そして 実行します。制御パラメータは交換電流密度、
4つの制御変数を用いて最適化することで、+ホース+セル)中の総流動電解質容積、
結果が求まります。ベストフィットは、数値勾配 おそらく電極上の固体種濃度によってさえも 粒子状の固体電解質界面の抵抗率、NCAの
法のSNOPT法を用いています。このアプリ 決定されます。電池化学によると、電池セルは 二重層容量、正極中の炭素支持体の二重層
ケーションは入力値としてEIS測定から実験 陽極部分と陰極部分、それに電解質タンクに 容量、それに正極中のリチウムイオン拡散
データを取得し、
この計測をシミュレートした 分離またはまとめられます。このモデルは、係数です。
そして10MHz～1kHzの周波数範囲
後、
実験データに基づくパラメータ推定を実行 充放電負荷サイクル中の溶解鉛蓄流れ電池 で測定された正極のインピーダンス値に対し
します。制御パラメータは交換電流密度、粒子 をシミュレートします。正極の表面化学は2つ て、
カーブフィッティングが行われます。
それにモデル中の2つの
上の抵抗層の抵抗率、NCAの二重層容量、の異なる鉛酸化物と、
それに正極におけるカーボン担持体の二重層 異なる正の電極反応を用いてモデル化され
キャパシタンスです。
フィッティングは10mHz ます。
～1kHzの周波数範囲で測定された、正極の
インピーダンスに対して行われます。
マイクロディスク電極のボルタンメトリ
SOFCの電流密度分布解析
拡散二重層
化学系
このモデルは、固体酸化物燃料電池(SOFC)の 電極-電解質界面において、拡散二重層に
ボルタンメトリは、半径10μmの微小電極で 電流密度分布の研究を提示します。
このモデル おける空間電荷の薄い層があります。この
モデル化されます。
この一般的な分析電気化学 は以下の完全連成を含みます:
ことは電気化学キャパシタやナノ電極のよう
技術では、作用電極の電位がスイープアップ 陰極と陽極の質量収支、
ガス流路内の運動量 なデバイス設計に、関連があるかもしれま
またはダウンして、電流が記録されます。電流- 収支、多孔質電極内のガス流、酸化物イオン せん。このチュートリアル事例では、Gouy電圧波形("ボルタモグラム")は、分析物の反応 により運ばれるイオン電流の収支、それに Chapman-Sternモデルに従って拡散二重層
および物質輸送特性に関する情報を提供し 電子電流の収支です。
を記述するために、
ネルンスト-プランク方程式
ます。少量の有効電極材料で高い電流密度を このマルチフィジックスモデルには、多数の をポアソン方程式と連成する方法を示して
得ることができるため、
微小電極は電気分析で 完全連成が存在します。結果には酸素欠乏が います。
人気があります。微小電極への拡散を短時間 起きたことによりほとんどの電流が陰極入り口 以下の条件で、静電場と希釈種輸送の物理
計測したところ定常解析結果が正確である 近くで生成されていて、電流密度分布が非常 インタフェースが連成されています：
ことが判明したため、定常スタディが使用でき に乏しいことを示しています。
これは、セルが - ゼロ電流
ます。二次電流密度分布と希釈種輸送インタ 最適に使用されていないことを意味します。 - セルサイズがデバイ長よりもはるかに大き
フェースが、電極反応への電荷及び物質輸送
い場合
との連成に使用されます。
109
事例紹介(2/2)
サイクリックボルタンメトリ
電気化学インピーダンス分光解析
オレンジ電池
電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、電気
サイクリックボルタンメトリは、電気化学シス 分析で一般的な技術です。電気化学システム
テムを調査するための一般的な分析技術 の高調波応答を研究するために使用されます。
です。この方法では、作用電極と参照電極 小さな正弦波的変化は作用電極の電位に印加
との電位差が開始電位から頂点電位まで時間 され、そして得られた電流は周波数ドメイン このチュートリアル事例では、オレンジと2本
的に直線的に掃引され、開始電位に戻ります。で解析されます。
インピーダンスの実部と虚部 の金属棒でできた電池(腐食セル)の、溶解
ボルタモグラムと呼ばれる電流-電圧波形は、は、セルの運動や物質輸送特性に関する情報 した金属イオンの電流と濃度をモデル化して
このタイプのバッテリは、
一般的に化学
電解質の反応性および質量輸送特性に関する だけでなく、二重層容量を介して表面特性を います。
オレンジの代わり
情報を提供します。
このアプリの目的は、サイ 与えます。電気化学インピーダンス分光分析 の授業で使用されています。
レモンまたはジャガイモを使用することも
クリックボルタンメトリの使用を実証しシミュ アプリの目的は、
EIS、
ナイキスト、
およびボード に、
レートすることです。ユーザは両方の物質の 線図を理解することです。
アプリでは、バルク 可能です。
バルク濃度、
輸送特性、
動態パラメータ、
および 濃度、拡散係数、交換電流密度、二重層容量、
サイクリックボルタンメトリの設定を変更する 最大周波数と最小周波数を変更することが
ことが可能です。
できます。
全固体リチウムイオン電池
3D円筒リチウムイオン電池の熱解析
化学系
この例では、薄膜全固体リチウムイオン電池
の電流と電解質物質輸送をモデル化する
ために三次電流分布のインタフェースを使用 このモデルは、水冷式電池パック内のセル
する方法を示しています。独立した希釈種 数と冷却フィン数の温度プロファイルをシミュ この事例は、3Dで空冷円筒形電池内の熱プロ
このモデルは3Dで、
負荷サイクル ファイルをシミュレートしています。電池は、
輸送インタフェースが、化学反応と連成し、レートします。
リチ 電池パック内にマトリクス状に配置されて
正極におけるリチウムの物質輸送をモデル化 中のある動作点での結果を求解します。
この熱モデルは1D電池モデルと連成
します。様々な放電電流が計算され 、電圧 ウム電池用の完全な1D電気化学モデルに います。
され、活性電池材料中の熱源の生成に用い
よって、平均熱源を算出します。
損失の異なる要因が分析されます。
られます。
このモデルはバッテリ&燃料電池
モジュールと伝熱モジュールが必要です。
2Dリチウムイオン電池
リチウムイオン電池の2次元チュートリアル
モデルです。
セルの幾何形状は、実際のアプリ
ケーションに基づいていません；このモデル
は単に2Dモデル設定を示しただけです。
110
液冷リチウムイオン電池パック
仕様表
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Electrochemistry
Boundary Conditions
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
Double Layer Capacitance
Electrode Reaction
Film Resistance
Pair Boundary Conditions on Interior Boundaries
Continuity
Insulation
Symmetry
Electrode
Current
Electrolyte
Current
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
Edge and Point Conditions
Electric Reference Potential
Electrode Potential at Edges and Points
Electrolyte Potential at Edges and Points
Line Current Source
Point Current Source
Reference Electrode
>Edge Electrode
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Current and Species Transport in
Concentrated Binary Electrolytes
Electrolyte
Intercalating Species (Li, Hydrogen, or
other)
Reactions
Separator
Solid Electrolyte Interface (SEI)
>Effective Transport Parameter
Correction
>Electrode
>Porous Electrode
Current Source
Electronic
Ionic
Infinite Domain Modeling with Infinite
Elements
Electrode
Electrolyte
Lead-Acid Battery
Electrolyte
Reservoir
Separator
Porous Electrode
Negative Porous Electrode
Positive Porous Electrode
Li-Ion Battery
Concentrated Binary Electrolyte
Initial Cell Charge Distribution
Porous Electrodes
Additional Porous Electrode Material
Li Intercalation
Negative Electrode
Positive Electrode
Solid Electrolyte Interface (SEI)
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Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Free and Porous Media Flow
Boundary Conditions
Electrode-Electrolyte Interface Coupling
Flux Discontinuity, Porous Media
Inflow Boundary, Porous Media
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pressure, Porous Media
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity,
Volumetric Flow Rate or Pressure
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity,
Flow Rate or Pressure
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
1D Formulations for Porous Media Flow
Forchheimer Drag
Porous Media
Fluid and Matrix Properties, Brinkman
Equations
Mass Source
Porous Electrode Coupling
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Porous Media
Volumetric Domain Properties
Heat Sources, Electrochemical Reactions
and Joule Heating
>Heat Transfer in Porous Media
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Other
Current Distribution Initialization
Time Dependent
Cyclic Voltammetry
Time Dependent, Fixed Geometry
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化学系
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Surface Reactions
>Transport of Concentrated Species
>Transport of Diluted Species in Porous
Media
Reacting Flow in Porous Media
>Concentrated Species
>Diluted Species
Boundary Conditions
Electrochemical Reactions
Mass Fraction
Open Boundary
Reacting Boundary
Surface Properties
Volatilization
>Inflow with Mixture Specification
Edge and Point Conditions
Flux
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
Electrochemical Reactions
Free Flow
Mass Based Concentrations
Migration in Electric Field
Multiple-Species User Interface
Species Source
>Effective Mass Transport Parameters
>Partially Saturated Porous Media
>Porous Media Transport Properties
Diffusion-Models for Transport of
Concentrated Species
Fick's Law
Knudsen Diffusion
Maxwell-Stefan
Mixture-Averaged
Electrochemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Battery with Binary Electrolyte
>Current Distribution on Edges, BEM
>Electroanalysis
>Electrode, Shell
>Lead-Acid Battery
>Lithium-Ion Battery
>Primary Current Distribution
>Secondary Current Distribution
>Tertiary Current Distribution, NernstPlanck
Boundary Conditions
Insulation
Periodic Condition
Symmetry
Electrode
Current
Current Density
Electrode Power
Ground
Potential
Electrolyte
Concentration
Current
Current Density
Flux
Inflow
No Flux
Open Boundary
Outflow
Potential
>Electrode Surface
>Electrolyte-Electrode Domain Interface
111
II-4-3 電気めっきモジュール
～電気めっきプロセスのモデリングとコントロール～
モデリングとシミュレーションは、
電気めっきプロセスを理解して最適化
を図って、
コントロールするためのコスト効率の高い手法です。標準的
なシミュレーションでは電極表面の電流分布を作り出し、めっき層の
厚さと成分を表します。シミュレーションは、セル構造、電解質構造、
電極反応速度、作動電圧・電流、温度効果など重要なパラメータを
詳細に調査するために利用されます。
こうしたパラメータに関する
情報により、材料損失やエネルギー損失を最小限に抑えながら電気
化学セルの作動条件やマスクの配列・設計を最適化し、表面の品質
を確保することができます。
電気めっきモジュールは幅広い分野で応用されており、電子機器や
電子部品などの金属めっき、防食や摩耗の保護、装飾用めっき、薄く
複雑な構造の部品の電鋳法、エッチング、電子加工、電解採取、電気
製錬などに活用されています。電気めっきモジュールを利用して共有
する全ての現象を検討し、
これらを同時にシミュレーションすることが
できます。
さらに具体的に言えば、電流輸送と保存、化学種輸送、電荷
平衡、電気化学反応速度を説明する式を連結することができます。いくつかの関連する現象を構成する機能があり電極表面のめっきの質、
形、厚さの正確な評価を得ることができます。
ツールおよび物理特性インタフェースは処理プロセスでの物理的特性を定義するために、電気めっきモジュールの中で利用することが
できます。あらかじめ定義された公式により、一次、二次、三次電流分布効果のモデルを作成することができ、
これは処理プロセスにおける
表面仕上げや製品品質の優れた指標になる場合が多くあります。
機能
用途
化学系
・ 電解質の電流収支の一次、二次、三次電流分布インタフェース
・ 陽極処理
・ 電気的中性、支持電解質または荷電平衡方程式のポアソン方程式の定式化
・ 金属セルでのバイポーラ効果推定
・ 希釈溶液と濃縮溶液におけるNernst-Planck方程式
・ クロムめっき
・ 電解質における移動度と拡散率の関連付けに関するNernst-Einstein方程式
・ クロム処理
・ 電極におけるオームの法則と電流の保存
・ イー・コーティング
・ 平衡電位と濃度過電圧に関するNernst方程式
・ 電着
・ 電極反応に対する材料と電流平衡の自動連成のための自動的に練成された化学量論
・ 電解着色
とファラデーの法則
・ 鉱業用途の電着
・ 活性化過電圧と濃度過電圧を説明する電極反応速度論
・ プリント基板製造の電着
・ 酸素発生など対電極の電極触媒作用
・ 電鋳
・ 定義済みの速度論に関するButler-Volmer方程式とTafel方程式
・ 電気めっき
・ 蒸着時の電極ジオメトリにおける小さな変化による局所コンダクタンスに影響を与える
・ 電解採取
電極表面における電極厚み変数
・ 電極ジオメトリにおける大きな変化に対する電極と電気化学エッチングの蒸着層の
移動境界
・ 電極と電解質における抵抗損失によるジュール加熱
・ エッチング
・ フラッシュ層めっき
・ 機能性電気めっき
・ ハルセル
・ 活性化損失による加熱
・ 下地処理
・ 均一電着性の推定値
・ 表面仕上げ
・ Wagner数の推定値
・ 耐摩耗性コーティング
・ 電気化学製造業
・ 電解研磨
・ 電解加工
・ シールドとマスキング
112
事例紹介(1/2)
亜鉛電解採取セル中の二次電流分布
装飾めっき
絶縁材近傍の電極成長
これは、亜鉛電解採取セルにおける二次電流
この
分布のモデルです。
このモデルはパラメトリック 電気めっきのチュートリアルモデルです。
スタディを用いて電極位置が変化する際の、モデルは、陽極と陰極両方のための完全な
電流分布への影響を調査します。ジオメトリ バトラー・ボルマー動力学による二次電流
分布を使用しています。陰極に堆積された層 この例では、移動ジオメトリを用いて二次
は2Dです。
の厚さは、陽極表面の溶解によって生じる 電流分布と電極成長をモデル化する方法
を示しています。数値的な不安定性を回避
パターンと同様に計算されます。
するために、シード層が最初のジオメトリに
導入されており、成長する電極と絶縁体との
間にエッジで直角を得られるようになって
います。
マイクロディスク電極のボルタンメトリ
トレンチ内の銅めっき
サイクリックボルタンメトリ
回線円筒・ハルセル
自動車ドアの電着塗装
インダクタコイルの電気めっき
化学系
このモデルは回路基板上の銅電着アプリ
ケーションで、移動メッシュの使用方法を
ボルタンメトリは、半径10μmの微小電極で 示します。このような環境では、空洞または サイクリックボルタンメトリは、電気化学シス
モデル化されます。
この一般的な分析電気化学「トレンチ」
による影響が甚大です。
このモデル テムを調査するための一般的な分析技術
技術では、作用電極の電位がスイープアップ ではメッシュ変形を追跡するために、電着 です。この方法では、作用電極と参照電極
またはダウンして、電流が記録されます。電流- のための三次ネルンスト・プランク・インタ との電位差が開始電位から頂点電位まで時間
電圧波形("ボルタモグラム")は、分析物の反応 フェースを使用しています。さらに、境界上に 的に直線的に掃引され、開始電位に戻ります。
および物質輸送特性に関する情報を提供し は銅電着での電気化学反応則としてバトラー・ ボルタモグラムと呼ばれる電流-電圧波形は、
ます。少量の有効電極材料で高い電流密度を フォルマー式が、自由に設定されます。この 電解質の反応性および質量輸送特性に関する
得ることができるため、
微小電極は電気分析で モデルは本質的には時間依存解析で、銅の 情報を提供します。
このアプリの目的は、サイ
人気があります。微小電極への拡散を短時間 不均一な電着によりトレンチ入り口が狭め クリックボルタンメトリの使用を実証しシミュ
計測したところ定常解析結果が正確である られる、
という結果を明らかに示しています。レートすることです。ユーザは両方の物質の
ことが判明したため、定常スタディが使用でき さらにこのシミュレーションは、
輸送特性、
動態パラメータ、
および
トレンチ長さ バルク濃度、
ます。二次電流密度分布と希釈種輸送インタ による銅イオン濃度の変化について示して サイクリックボルタンメトリの設定を変更する
フェースが、電極反応への電荷及び物質輸送 います。
ことが可能です。
との連成に使用されます。
回転円筒ハルセルは電気めっきおよび電着に この事例は、自動車のドアへの電着塗装を この事例ではインダクタコイルの電気めっき
おける重要な実験的なツールであり、不均一 時間依存シミュレーションでモデル化します。を3Dでモデル化します。幾何形状は、分離用
な電流分布、質量輸送及びめっき浴の均一 堆積した塗料は非常に高い抵抗値を示す フォトレジストマスクへの付着パターンの押し
電着の測定のために使用されます。
このモデル ため結果として、コーティングされた部分 出し、及びフォトレジストの上への拡散層を
は、論文[1]で公開されている市販のセルに へは遅い堆積速度となります。膜抵抗モデル 含みます。電解液中の銅イオンの物質輸送は
ついての結果(RotaHull(R))を再現します。特 と組み合わせて、一次電流分布は、電解質中 堆積速度に大きな影響を与え、沈着パターン
に電極に沿って、一次、二次および三次電流 の電荷輸送を記述するために使用されます。の外側部分よりも高い体積率となります。
この
分布と同様に陰極の周りの拡散層における このモデルが3Dで、インポートされたCAD モデルは、移動メッシュを使用して時間依存
銅の拡散を調査します。
幾何形状を使用しています。
スタディで求解されます。
113
事例紹介(2/2)
拡散二重層
マイクロボアの電解加工
電気化学インピーダンス分光解析
電極-電解質界面において、拡散二重層に
電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、電気
おける空間電荷の薄い層があります。この いくつかの高精度の用途、特に油圧システム 分析で一般的な技術です。電気化学システム
ことは電気化学キャパシタやナノ電極のよう や燃料インジェクタの場合には、微小孔が の高調波応答を研究するために使用されます。
なデバイス設計に、関連があるかもしれま 不可欠です。ほとんどの場合、噴射孔の形状、小さな正弦波的変化は作用電極の電位に印加
せん。このチュートリアル事例では、Gouy- 特にエッジ丸めは液体の霧化、ひいては燃焼 され、そして得られた電流は周波数ドメイン
Chapman-Sternモデルに従って拡散二重層 プロセスに大きな影響を与えます。通常これ で解析されます。
インピーダンスの実部と虚部
を記述するために、
ネルンスト-プランク方程式 らの微小孔は、放電加工（EDM）によって機械 は、セルの運動や物質輸送特性に関する情報
をポアソン方程式と連成する方法を示して 加工されます。EDM製造工程の特徴により だけでなく、二重層容量を介して表面特性を
シャープなエッジが発生するため、
エッジ形状 与えます。電気化学インピーダンス分光分析
います。
この理由のため、アプリの目的は、
以下の条件で、静電場と希釈種輸送の物理 の影響の特定は不可能です。
EIS、
ナイキスト、
およびボード
エッジ丸めに関して何らかの調整が必要です。線図を理解することです。
インタフェースが連成されています：
アプリでは、バルク
このような経緯から電解加工(ECM)プロセス 濃度、拡散係数、交換電流密度、二重層容量、
- ゼロ電流
- セルサイズがデバイ長よりもはるかに大き は、COMSOL Multiphysicsの助けによって、最大周波数と最小周波数を変更することが
開発され研究されてきました。
できます。
い場合
2Dマイクロコネクタ隆起への電気めっき
化学系
114
オレンジ電池
このモデルは、
銅マイクロコネクタバンプ(金属
ポスト)の輸送が制限された電着上の対流と
拡散の影響を示しています。マイクロコネクタ
バンプは、例えば液晶ディスプレイ(LCD)と このチュートリアル事例では、オレンジと2本
ドライバチップ間の相互接続部品など、様々 の金属棒でできた電池(腐食セル)の、溶解
なタイプの電子用途に利用されます。電極 した金属イオンの電流と濃度をモデル化して
表面上のバンプの位置は、フォトレジスト います。このタイプのバッテリは、一般的に
マスクを用いて制御されます。均一性および 化学の授業で使用されています。オレンジの
レモン又はジャガイモを使用する
形状の観点から電流分布の制御は、インター 代わりに、
コネクタバンプの形状保持性と結果安定性 ことも可能です。
のために重要です。セルは高過電圧で起動
しているので、溶着速度は電解液中の堆積
イオンの輸送速度に支配されます。
この動作
条件の結果の一つとして、電解質と電極に
おける電位はバンプ上の電流分布を求める
際にモデル化の必要がありません。
このモデル
は近藤らの論文に基づいています。
仕様表
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Electrochemistry
Edge and Point Conditions
Electric Reference Potential
Electrode Potential at Edges and Points
Electrolyte Potential at Edges and Points
Line Current Source
Point Current Source
Reference Electrode
>Edge Electrode
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Electrolyte
Reactions
Separator
>Electrode
>Porous Electrode
Current Source
Electronic
Ionic
Infinite Domain Modeling with Infinite Elements
Electrode
Electrolyte
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Free and Porous Media Flow
Boundary Conditions
Electrode-Electrolyte Interface Coupling
Flux Discontinuity, Porous Media
Inflow Boundary, Porous Media
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pressure, Porous Media
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or
Pressure
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
1D Formulations for Porous Media Flow
Forchheimer Drag
Porous Media
Fluid and Matrix Properties, Brinkman Equations
Mass Source
Porous Electrode Coupling
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Porous Media
Volumetric Domain Properties
Heat Sources, Electrochemical Reactions and Joule Heating
>Heat Transfer in Porous Media
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Other
Current Distribution Initialization
Time Dependent
Cyclic Voltammetry
Time Dependent, Fixed Geometry
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化学系
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Surface Reactions
>Transport of Diluted Species in Porous Media
Boundary Conditions
Electrochemical Reactions
Open Boundary
Surface Properties
Volatilization
Edge and Point Conditions
Flux
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
Electrochemical Reactions
Free Flow
Mass Based Concentrations
Migration in Electric Field
Multiple-Species User Interface
Species Source
>Partially Saturated Porous Media
>Porous Media Transport Properties
Diffusion-Models for Transport of Concentrated Species
Electrochemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Current Distribution on Edges, BEM
>Electroanalysis
>Electrode, Shell
>Electrodeposition, Primary
>Electrodeposition, Secondary
>Electrodeposition, Tertiary, Nernst-Planck
>Primary Current Distribution
>Secondary Current Distribution
>Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck
Boundary Conditions
External Depositing Electrode
Insulation
Nondepositing Boundary
Periodic Condition
Symmetry
>Depositing Electrode Surface with Thickness and Composition
Electrode
Current
Current Density
Ground
Potential
Electrolyte
Concentration
Current
Current Density
Flux
Inflow
No Flux
Open Boundary
Outflow
Potential
>Electrode Surface
>Electrolyte-Electrode Domain Interface
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
Double Layer Capacitance
Electrode Reaction
Film Resistance
Pair Boundary Conditions on Interior Boundaries
Continuity
Insulation
Symmetry
Electrode
Current
Electrolyte
Current
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
115
II-4-4 腐食モジュール
～電気化学の腐食過程と陰極保護設計～
腐食対策には、
世界で毎年1兆ドル以上の費用が費やされています。
ほとんどの
腐食は水面下、湿った、もしくは、湿気のある環境で引き起こされる電気化学
反応の過程によって生じます。腐食モジュールは、技術者と科学者が、構造物
を保護するために腐食の過程を調査し、腐食が構造物の耐用年数の間引き
起こす状況における理解を深めることも可能です。そして、電食を抑制させて
再発防止策を実用化させることをも可能にします。本モジュールは根本的な
メカニズムを調査するために微少量における腐食をシミュレーションすること
も、大規模で長い間構造を腐食から保護する方法を見出すために、
より大きな
範囲で腐食をシミュレーションすることも可能にします。
腐食モジュールは、
特徴、
インタフェース、
全ての電食の過程のシミュレーション
への簡単なアプローチを可能にするためのモデル例、例えば、動電気や、穴が
できるように、およびすき間腐食等を含んでいます。腐食物や腐食された材料
の透過は、腐食表面の変化の動的モデリングと、そのような表面に接触した
電解質から説明できます。腐食モジュールには、
ターフェル、バトラー-ウォリ
メル、
または他のユーザによって定義された方程式で電気化学反応動力学に
ついて説明できる腐食過程の腐食電位と現在の配分をモデル化するための
標準インタフェースを含んでいます。電気化学反応は、電解質、金属組織、均質の化学反応、および腐食のため金属面の形の変化などの
腐食過程に特有の現象を電位で完全に解決できます。
機能
用途
・ 濃度と腐食電位などの動力学パラメータが温度依存になる電気
化学反応の任意定義
・ バトラー-フォルマー方程式とターフェル方程式のビルトインインタ
フェースで二次電流と三次電流の密度分布を生成
・ 陽極防食
・ 水中電位(UEP)
・ 陰極防食
・ 腐食関連磁界(CRM)
・ 二重層容量
・ AC/DC(HVDC)干渉解析
・ 防食(CP)
・ 土壌抵抗率
・ すきま腐食
・ 陽極ベッドデザイン
・ ガルバニック腐食
・ 表面防食
・ 多孔質媒体内の化学種輸送と流体流れ
・ 加電流陰極防食(ICCP)
・ ICCPスレッド
・ 電極反応における限界電流密度
・ AC軽減
・ 腐食反応を研究するためのサイクリックボルタメントリ、
ポテンショ
・ 不動態化
・ 希釈電解質と濃縮電解質における拡散、対流、イオン移動による
質量移動(ネルンスト-プランク方程式)
化学系
・ 孔食
メトリ、ACインピーダンス
・ 電気化学反応、電流分布、腐食電位の腐食表面形状の影響
・ シグネチャ管理
・ 層流、伝熱、
ジュール加熱
事例紹介(1/2)
大気腐食
船体の防食
電極変形を伴うガルバニック腐食解析
このモデルは、鋼と接触しているアルミニウム
この2次元モデルは陽極腐食の内部で幾何学
合金の、大気中の電解腐食をシミュレートし
ガルバニック連成
ます。電解質膜の厚さは、周囲の空気と金属 印加電流陰極防食は、外部電流が船体表面 的変形を引き起こすような、
表面上NaCl結晶の塩負荷密度の相対湿度に に印加され低電位へ分極化させるため、船体 のモデル化を示しています。使用されている
依存します。限界酸素還元電流密度を導出す の腐食を軽減するための一般的な戦略です。パラメータデータはマグネシウム合金(AE44)
プロペラ周囲に設定された 軟鋼用であり、
ブライン溶液(塩水)と関連付い
るために、実験データから算出された酸素 このモデルでは、
拡散率と溶解率の表式がモデル中に含まれて 電流値によるプロペラへの影響が実証され ています。
ます。
います。
116
事例紹介(2/2)
犠牲陽極を用いた石油採掘装置の防食
強化コンクリート中の鉄のカソード式防食
オレンジ電池
鉄鋼構造物を海中に埋没させる際、陰極防食 この事例では、コンクリート柱の鉄筋の陰極
を施すことで腐食を防ぐことができます。
この 保護についてモデル化しています。鉄筋表面
防食は印加外部電流または犠牲陽極を使用 において、三つの異なる電気化学反応が考慮
することで達成できます。犠牲陽極の使用は されています。コンクリートの領域に、電荷 このチュートリアル事例では、オレンジと2本
その単純さ故に、非常に好まれます。
この事例 移動および酸素物質輸送がモデル化されて の金属棒でできた電池(腐食セル)の、溶解
では、
石油プラットフォームのアルミニウム犠牲 いて、電解質導電率と酸素拡散率が含水率 した金属イオンの電流と濃度をモデル化して
電極による防食システムの一次電流密度分布 に依存しています。
このモデルで、腐食電流 います。このタイプのバッテリは、一般的に
化学の授業で使用されています。オレンジの
についてモデル化されます。
の含水率による影響が調査されました。
代わりに、
レモン又はジャガイモを使用する
ことも可能です。
サイクリックボルタンメトリ
拡散二重層
電気化学インピーダンス分光解析
電極変形を伴うニッケル隙間腐食
めっき釘の腐食解析
化学系
電極-電解質界面において、拡散二重層に 電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、電気
サイクリックボルタンメトリは、電気化学シス おける空間電荷の薄い層があります。この 分析で一般的な技術です。電気化学システム
テムを調査するための一般的な分析技術 ことは電気化学キャパシタやナノ電極のよう の高調波応答を研究するために使用されます。
です。この方法では、作用電極と参照電極 なデバイス設計に、関連があるかもしれま 小さな正弦波的変化は作用電極の電位に印加
との電位差が開始電位から頂点電位まで時間 せん。このチュートリアル事例では、Gouy- され、そして得られた電流は周波数ドメイン
的に直線的に掃引され、開始電位に戻ります。Chapman-Sternモデルに従って拡散二重層 で解析されます。
インピーダンスの実部と虚部
ボルタモグラムと呼ばれる電流-電圧波形は、を記述するために、
ネルンスト-プランク方程式 は、セルの運動や物質輸送特性に関する情報
電解質の反応性および質量輸送特性に関する をポアソン方程式と連成する方法を示して だけでなく、二重層容量を介して表面特性を
情報を提供します。
このアプリの目的は、サイ います。
与えます。電気化学インピーダンス分光分析
クリックボルタンメトリの使用を実証しシミュ 以下の条件で、静電場と希釈種輸送の物理 アプリの目的は、
EIS、
ナイキスト、
およびボード
レートすることです。ユーザは両方の物質の インタフェースが連成されています：
線図を理解することです。
アプリでは、バルク
バルク濃度、
輸送特性、
動態パラメータ、
および - ゼロ電流
濃度、拡散係数、交換電流密度、二重層容量、
サイクリックボルタンメトリの設定を変更する - セルサイズがデバイ長よりもはるかに大き 最大周波数と最小周波数を変更することが
ことが可能です。
できます。
い場合
マイクロディスク電極のボルタンメトリ
このモデルはすきま腐食の基本的な原理と、このチュートリアル事例は腐食モジュールの ボルタンメトリは、半径10μmの微小電極で
電極変形をシミュレートするためにどのように イントロダクションとして働き、
また金属酸化 モデル化されます。
この一般的な分析電気化学
して時間依存スタディが使用されるかを例示 反応のモデル化や、電解質として機能する 技術では、作用電極の電位がスイープアップ
します。
このモデルは2Dで作成され、
腐食反応 湿った木片で囲まれためっき釘表面の酸素 またはダウンして、電流が記録されます。電流のための分極データがAbsulsalamらの論文 還元電流密度をモデル化します。釘表面の 電圧波形("ボルタモグラム")は、分析物の反応
から引用されています。
このモデルと結果に 亜鉛保護層は完全にはカバーされておらず、および物質輸送特性に関する情報を提供し
ついては、ブラックマンらの研究による1D そのため釘の先端部は基礎となる鉄表面が ます。少量の有効電極材料で高い電流密度を
モデルに似ています。
このモデルは、物質輸送 露出しています。最初の計算部分で電解質 得ることができるため、
微小電極は電気分析で
による影響を考慮していません。
隙間における 電導度および電極反応速度が、二次電流密度 人気があります。微小電極への拡散を短時間
より詳細な物質輸送の扱いについては、
"酢酸/ 分布を求めるためにモデル化されます(しかし 計測したところ定常解析結果が正確である
酢酸ナトリウム溶液中の鉄の隙間腐食"モデル セル内の濃度変化は考慮されません)。2番目 ことが判明したため、定常スタディが使用でき
事例を参照してください。
の部分では、酸素輸送が三次電流密度分布を ます。二次電流密度分布と希釈種輸送インタ
求めるためにモデル化されています。
フェースが、電極反応への電荷及び物質輸送
との連成に使用されます。
117
仕様表
化学系
118
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Surface Reactions
>Transport of Diluted Species in Porous
Media
Reacting Flow
Reacting Flow in Porous Media
Rotating Machinery, Reacting Flow
Boundary Conditions
Electrochemical Reactions
Open Boundary
Surface Properties
Volatilization
Edge and Point Conditions
Flux
Line Mass Source
Point Mass Source
Thermodynamics and Kinetics Data Import
Volumetric Domain Properties
Electrochemical Reactions
Free Flow
Mass Based Concentrations
Migration in Electric Field
Multiple-Species User Interface
Species Source
>Partially Saturated Porous Media
>Porous Media Transport Properties
Diffusion-Models for Transport of
Concentrated Species
Electrochemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Corrosion, Primary
>Corrosion, Secondary
>Corrosion, Tertiary
>Current Distribution on Edges, BEM
>Electroanalysis
>Electrode, Shell
>Primary Current Distribution
>Secondary Current Distribution
>Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck
Boundary Conditions
External Corroding Electrode
Insulation
Noncorroding Boundary
Periodic Condition
Symmetry
>Corroding Electrode Surface with
Thickness and Composition
Electrode
Current
Current Density
Ground
Potential
Electrolyte
Concentration
Current
Current Density
Flux
Infinite Electrolyte
Inflow
No Flux
Open Boundary
Outflow
Potential
>Electrode Surface
>Electrolyte-Electrode Domain Interface
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
Double Layer Capacitance
Electrode Reaction
Film Resistance
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Electrochemistry
Boundary Conditions
Pair Boundary Conditions on Interior Boundaries
Continuity
Insulation
Symmetry
Electrode
Current
Electrolyte
Current
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
Edge and Point Conditions
Electric Reference Potential
Electrode Potential at Edges and Points
Electrolyte Potential at Edges and Points
Line Current Source
Point Current Source
Reference Electrode
>Edge Electrode
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D
Formulations
Electrolyte
Reactions
Separator
>Electrode
>Porous Electrode
Current Source
Electronic
Ionic
Infinite Domain Modeling with Infinite
Elements
Electrode
Electrolyte
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Free and Porous Media Flow
Boundary Conditions
Electrode-Electrolyte Interface Coupling
Flux Discontinuity, Porous Media
Inflow Boundary, Porous Media
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pressure, Porous Media
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity,
Volumetric Flow Rate or Pressure
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity,
Flow Rate or Pressure
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
1D Formulations for Porous Media Flow
Forchheimer Drag
Porous Media
Fluid and Matrix Properties, Brinkman
Equations
Mass Source
Porous Electrode Coupling
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
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Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Porous Media
Volumetric Domain Properties
Heat Sources, Electrochemical Reactions
and Joule Heating
>Heat Transfer in Porous Media
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Other
Current Distribution Initialization
Time Dependent
Cyclic Voltammetry
Time Dependent, Fixed Geometry
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II-4-5 電気化学モジュール
～電気分析、電気分解、電気透析用途の設計～
電気化学モジュールは、正確なシミュレーションを通じて、電気化学
システムを設計、理解、最適化する可能性を広げます。
この製品は、
研究者や電気化学工業のエンジニアに大きな利益をもたらします。
電気化学反応メカニズム、物質輸送、電流密度分布などをモデル化
する機能は、電気分解、電気透析、電気分析
電気化学センサ、生体
に関する電気化学などの分野で活用され、効率的なシミュレーション
ができるようになります。
電気化学モジュールは電気化学反応に関する幅広い分野で適用でき
ます。
これは、電気分析、自由流れと多孔質媒体中流れ、伝熱、不均一
化学反応、
均一化学反応、
物質輸送などが、
一次、
二次、
三次の電流分布
のインタフェースを通じて実現されます。応用分野には、塩素-アルカリ
および塩素酸の電気分解、水素と酸素の生産のための水の電気分解、
廃水処理、海水の脱塩(淡水化)の研究および設計、電気透析や電気
分析の基礎電気化学研究、ブドウ糖、pH値、水素、その他の気体の
検出器などが含まれます。
機能
・ 電解質の状態が一定であるとの仮説のもとでの一次電流、二次電流の密度分布
の解析
・ Tafel方程式、Butler-Volmer方程式に基づく電気化学反応のモデル化
用途
・ 電気分析
・ 電気分解
・ 電気透析
・ 電気的中性を仮定し、Nernst-Plank方程式による三次電流の密度分布の解析
・ 電気化学センサ
・ Nernst-Einstein方程式による、温度依存のイオン泳動の取り扱いが可能
・ 生物電気化学
・ 有効導電率への補正因子による多孔質電極の電気化学の解析
・ グルコースセンサ
・ 電解質体積分率を用いた、Bruggeman導電率補正
・ ガスセンサ
・ 限界電流密度に加えて、電極反応における二重層容量の取り扱い
・ 塩素-アルカリ電解
・ 水素-酸素生成
・ 海水の脱塩
・ 電気分析のための支持電解質の取り扱いが可能
・ 超純水製造
・ サイクリックボルタメントリの既定インタフェース
・ 質廃棄物電解処理
・ 自由流れと多孔質媒体中の種輸送、伝熱、流体流れ
・ 流動食のpHコントロール
・ 表面を横切る化学種があるような表面触媒反応の取り扱い
・ 生物医学インプラントの電気化学反応
・ ACインピーダンスの結果のNyquistおよびBode表示
化学系
・ 薄膜抵抗による電極-電解質界面での電位降下
・ ACインピーダンスのための調和摂動と他の電気分析への応用のための参照電位
コントロール
119
事例紹介(1/2)
グルコースセンサ
電荷移動を伴う拡散二重層
電気透析セル中の脱塩解析
拡散二重層では電極表面の最初の数ナノ 電気透析は、電場とイオン選択性膜の使用に
電気化学的グルコースセンサは、試料中の メートル以内は、電気的中立性仮説は電荷 基づいた電解質の分離プロセスです。電気
グルコースの濃度を測定するために、電流 分離が起きるため有効ではありません。微小 透析プロセスのいくつかの一般的な用途は
測定方法を使用します。
この事例では、
グル 薄膜電解質のモデリングにおいて、電気化学 以下の通りです:
コースの拡散反応と、櫛形電極の上部にある キャパシタと微小電極を含んでいる場合に - プロセス流の脱塩、
排水、
飲料水、
ストリーム
単位セル内のフェリ/フェロシアン化酸化還元 は、通常、拡散二重層は計算上考慮されます。- 例えば、
フルーツジュース、
ワインから酸を
反応をモデル化します。センサはある一定 この事例は、電気的中立性からのずれを考慮 除去するためのpH調節
濃度範囲内にわたって、線形的に応答します。するための、ネルンストプランク方程式とポ - 貴金属の電解採取
電気分解インタフェースは、作用電極および アソン方程式の連成について示しています。このチュートリアルでは、脱塩セル中の、希薄
対電極において化学種輸送と電気分解の 一定容量のシュテルン層はポアソン方程式 水溶液から塩化ナトリウムを除去し、さらに
連成に使われ、
グルコースはミカエリス・メン の表面電荷の境界条件を導出するために使用 高濃度な溶液に変えるという、電気透析法の
テン動力学に従って、溶液中のグルコース されます。この1次元モデルは、文献に掲載 基本を示しています。
オキシダーゼ酵素により酸化されます。
された結果を再現しています。
マイクロディスク電極のボルタンメトリ
化学系
120
ワイヤ電極
塩素アルカリ薄膜電池中の電流密度
このモデルに示す電気化学セルは、多くの 塩素アルカリ膜プロセスの生産高は、塩素と
ボルタンメトリは、半径10μmの微小電極で 工業プロセスでは一般的であるより大きな 苛性ソーダ両方合わせて年間約40万トンで
モデル化されます。
この一般的な分析電気化学 ワイヤメッシュ電極の単位セルとみなすこと あり、
工業電解で最大の産業の一つです。
塩素
技術では、作用電極の電位がスイープアップ ができます。電気化学セルの設計における はポリ塩化ビニル(PVC)原料の、塩化ビニル
またはダウンして、電流が記録されます。電流- 最も重要な特性の一つは、電解質と電極の モノマの製造のために主に使用されます。
電圧波形("ボルタモグラム")は、分析物の反応 電流密度分布です。不均一な電流密度分布 膜セル技術における電流密度は、膜セルの
および物質輸送特性に関する情報を提供し は、電気化学プロセスの動作に有害であり得 改善と共に、過去10年間で劇的に増加して
ます。少量の有効電極材料で高い電流密度を ます。多くの場合、高い電流密度にさらされる います。
これによって、生産拡大のための投資
得ることができるため、
微小電極は電気分析で 電極の部分は、より速い反応速度で下げる コストが抑えられます。
しかし電流密度が増加
人気があります。微小電極への拡散を短時間 ことができます。電流密度分布の知識は、典型 するということは、もし電圧上昇の減衰策が
計測したところ定常解析結果が正確である 的には高価な貴金属で構成されている電極 とられていない場合、消費電力が増加します。
ことが判明したため、定常スタディが使用でき 触媒の利用率を最適化する際に不可欠です。内部対流の増加、内部抵抗の減少、
より良い
ます。二次電流密度分布と希釈種輸送インタ 不均一な堆積及び消費、
不必要に高い過電圧、膜構造などを含むセル設計の進歩によって、
フェースが、電極反応への電荷及び物質輸送 エネルギー損失および望んでない副反応は セル電圧をほんの少し増加させるだけで電流
との連成に使用されます。
副作用をもたらすため、最小化されるべき 密度を大幅に増加できるようになりました。
です。
この例では、ワイヤ電極と任意の電気 この事例によって、膜セルにおける現実的な
化学セルとの1次、2次、3次電流密度分布を アノードおよびカソード構造における電流
シミュレートします。この電流密度分布は、密度分布を図解します。
電気化学セルをモデル化する際に徐々に
複雑さが増すように、
連続的に計算しています。
事例紹介(2/2)
オレンジ電池
腫瘍の電気化学的治療
薄膜クロノアンペロメトリ
このモデルは、腫瘍組織の治療において輸送 微視的薄層における徹底的なアンペロメト
および電解反応を組み込みます。陽極での リック検出の一般的な電気分析法は、1D酸素発生によって陽子を生成しpHを低下させ、対称拡散問題としてモデル化されます。
シミュ
このチュートリアル事例では、オレンジと2本 塩素生成によって塩素加水分解が起きてさら レーション結果は短時間では分析コットレル
の金属棒でできた電池(腐食セル)の、溶解 にpH低下が起こります。低pHによって腫瘍 方程式と一致しますが、長時間で拡散層が
した金属イオンの電流と濃度をモデル化して 組織中のヘモグロビンの恒久的破壊が起こ 薄膜セルにまたがる場合は、予想通り方程式
います。このタイプのバッテリは、一般的に り、
その結果として腫瘍組織の根絶へと繋がり からずれが生じます。
化学の授業で使用されています。オレンジの ます。
このモデルはネルンストプランク方程式
代わりに、
レモン又はジャガイモを使用する インタフェースを用いて、肝臓内腫瘍組織の
ことも可能です。
電気分解療法の輸送と反応を予測します。
拡散二重層
サイクリックボルタンメトリ
化学系
電極-電解質界面において、拡散二重層に
おける空間電荷の薄い層があります。この サイクリックボルタンメトリは、電気化学シス
ことは電気化学キャパシタやナノ電極のよう テムを調査するための一般的な分析技術
なデバイス設計に、関連があるかもしれま です。この方法では、作用電極と参照電極
せん。このチュートリアル事例では、Gouy- との電位差が開始電位から頂点電位まで時間
Chapman-Sternモデルに従って拡散二重層 的に直線的に掃引され、開始電位に戻ります。
を記述するために、
ネルンスト-プランク方程式 ボルタモグラムと呼ばれる電流-電圧波形は、
をポアソン方程式と連成する方法を示して 電解質の反応性および質量輸送特性に関する
情報を提供します。
このアプリの目的は、サイ
います。
以下の条件で、静電場と希釈種輸送の物理 クリックボルタンメトリの使用を実証しシミュ
レートすることです。ユーザは両方の物質の
インタフェースが連成されています：
バルク濃度、
輸送特性、
動態パラメータ、
および
- ゼロ電流
- セルサイズがデバイ長よりもはるかに大き サイクリックボルタンメトリの設定を変更する
ことが可能です。
い場合
121
仕様表
化学系
122
Chemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Surface Reactions
>Transport of Diluted Species in Porous Media
Boundary Conditions
Electrochemical Reactions
Open Boundary
Surface Properties
Volatilization
Edge and Point Conditions
Flux
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
Electrochemical Reactions
Free Flow
Mass Based Concentrations
Migration in Electric Field
Multiple-Species User Interface
Species Source
>Partially Saturated Porous Media
>Porous Media Transport Properties
Electrochemistry
Physics Interfaces and Study Types
>Current Distribution on Edges, BEM
>Electroanalysis
>Primary Current Distribution
>Secondary Current Distribution
>Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck
Boundary Conditions
Insulation
Periodic Condition
Symmetry
Electrode
Current
Current Density
Ground
Potential
Electrolyte
Concentration
Current
Current Density
Flux
Inflow
No Flux
Open Boundary
Outflow
Potential
>Electrode Surface
>Electrolyte-Electrode Domain Interface
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
Double Layer Capacitance
Electrode Reaction
Film Resistance
Pair Boundary Conditions on Interior Boundaries
Continuity
Insulation
Symmetry
Electrode
Current
Electrolyte
Current
Electrolyte-Electrode Boundary Interface
Edge and Point Conditions
Electric Reference Potential
Electrode Potential at Edges and Points
Electrolyte Potential at Edges and Points
Line Current Source
Point Current Source
Reference Electrode
>Edge Electrode
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-●
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●
Electrochemistry
Volumetric Domain Properties
1D, 2D, Axisymmetric, and 3D Formulations
Electrolyte
Reactions
Separator
>Electrode
>Porous Electrode
Current Source
Electronic
Ionic
Infinite Domain Modeling with Infinite Elements
Electrode
Electrolyte
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
Porous Media and Subsurface Flow
>Brinkman Equations
>Darcy's Law
>Free and Porous Media Flow
Boundary Conditions
Electrode-Electrolyte Interface Coupling
Flux Discontinuity, Porous Media
Inflow Boundary, Porous Media
Mass Flux, Porous Media
No Flow, Porous Media
Pressure, Porous Media
Inlet
Laminar Flow with Average Velocity, Volumetric Flow Rate or
Pressure
Outlet
Laminar Flow with Average Velocity, Flow Rate or Pressure
Edge and Point Conditions
Line Mass Source
Point Mass Source
Volumetric Domain Properties
1D Formulations for Porous Media Flow
Forchheimer Drag
Porous Media
Fluid and Matrix Properties, Brinkman Equations
Mass Source
Porous Electrode Coupling
>Darcy's Law, Isotropic and Anisotropic
Heat Transfer
Physics Interfaces and Study Types
>Heat Transfer in Porous Media
Volumetric Domain Properties
Heat Sources, Electrochemical Reactions and Joule Heating
>Heat Transfer in Porous Media
Mathematics
Coordinate Systems
Scaling System
Study Steps
Other
Current Distribution Initialization
Time Dependent
Cyclic Voltammetry
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●
II-5 汎用
II-5-1 最適化モジュール
II-5-2 材料ライブラリ
II-5-3 粒子トレーシングモジュール
汎用
123
II-5-1 最適化モジュール
～工学設計の最適化と改善～
最適化モジュールは、既存のCOMSOL Multiphysics製品と組み合わせ
て利用できるアドオンパッケージです。製品やプロセスのCOMSOL
Multiphysicsモデルを作成しても、設計に手をいれたくなるのが常
です。
これは、次の4つのステップで行います。
まず、
目的関数、すなわち
システムを記述する性能指数を定義します。次に、設計変数セットを
定義します。
これは変更しようとするモデルに対する入力です。3番目
は、制約セットを定義します。設計変数の限界や、満足すべき動作条件
が該当します。最後に、最適化モジュールを利用して制約範囲内で
設計変数を変更して設計を改善します。最適化モジュールは、目的
関数を定義し、設計変数を指定し、
これらの制約をセットアップする
ための汎用インタフェースです。モデル入力はどれも、それが幾何学
的寸法、部品形状、材料特性、
あるいは材料分布のいずれであれ、設計
変数として処理でき、モデル出力はすべて目的関数の定義に使用
できます。
目的関数は、COMSOL Multiphysics製品ファミリのどれでも
使用でき、
さらにLiveLinkアドオン製品と組み合わせてサードパーティ
CADプログラムで幾何学的寸法を最適化できます。
機能
・ 曲線のあてはめ
・ 導関数を使用しない最適化
・ 寸法と形状の最適化
・ 勾配ベースの随伴法最適化
・ レベンバーグ-マーカートソルバ
・ Nelder-Mead法、座標検索法、モンテカルロ法
・ 電気的モデル、機械的モデル、流体モデル、化学モデルの最適化
・ パラメータ推定
・ SNOPTソルバ
・ トポロジ最適化
汎用
124
事例紹介(1/2)
音響のサブコンポーネント・ランピング、
イン
ピーダンス境界条件つき
ツイータ音響導波路の形状最適化
荷重間接構造のトポロジ最適化
このアプリケーションは、
重要な設計上の制約
このアプリケーションは、音響モジュールを を満たす斬新なデザインを自動的に開発する
用いて物理的に一貫性のある簡略化した ために、COMSOLの最適化機能を使用する 軽量マウンテンバイクのフレーム設計をして
モデルを導出するためのモデリングアプローチ 方法を示します。
このモデルは、シンプルな いると想像してみてください。ある大きさの
を示しています。このアプローチは、複雑な スピーカ形状を最適化します。制約条件の例 箱に納める必要があり、また8kg以下の重量
サブコンポーネントをインピーダンス境界 として、スピーカ半径または最小音圧レベル にしなければならないとします。バイクの負荷
フレーム剛性の最大化
条件に変換し、
それ以外の場所ではCOMSOL を設定することもできます。最適化の可能性 が与えられたとすると、
モデル全体にシンプルな音響モデルを使用 を例示するために、
このアプリケーションは を目的関数として材料分布を求めることで、
するによって構成されています。その結果、ツイータユニット(スピーカ)の正面に固定 この課題は達成できます。このようにして、
かなりの計算の高速化を図ることができます。された単純な音響導波路の形状最適化を実行 材料分布問題としてフレームのトポロジ最適
このモデルではCOMSOL
ここで取り扱った例は、
メインダクトとヘルム します。
音響導波路の形状は、
共振器を用いて 化を策定できました。
ホルツ共鳴器(サブコンポーネント)からなる 2500Hz近辺で共鳴するように、意図的に誇張 Multiphysicsを用いて、構造トポロジ最適化
簡素化されたマフラのようなシステムで構成 されています。共振器には、共振を減衰させる にSIMPモデル(Solid Isotropic Material with
されています。粘性と熱損失が重要なので、ために幾らか遮音するような軽量の多孔性 Penalization)を適用する方法を示しています。
この特定のモデルによって、L字型フレームで
共振器内の音響は、熱音響でモデル化されて 材が充填されています。
います。目的は、インピーダンスモデルに熱 最適化は以下の3つのケースで実行されます： の材料分布問題が解決できます。目的関数
音響ドメインをひとまとめにすることです。1. 周波数帯域にわたって、平均SPLを増加 は荷重における最小コンプライアンス問題
このアプリケーションは新しく単純なモデル させ、分散(深い共鳴を削除し)を減少させ であり、制約条件としてフレームの上限境界
が固定され、さらに下向きの荷重が右端に
からインピーダンスを呼びだすだけでなく、 る最適化
複、雑な音響モデルからインピーダンス境界 2. 目標曲線へ近づけるような、空間領域に 沿ってかかっているとしています。
を導出する方法を図解化します。さらにこの わたる空間応答の最適化
モデルは、導出されたインピーダンスをRCL 3. 指向性指数DIの最適化
モデルに適用するような最適化モジュール
の使い方について、詳しく説明します。また
この2番目のアプローチが、このモデル化
されたシステムについてのさらなる洞察を
得るために、どのように利用され得るかに
ついて言及しています。
リチウムイオン電池インピーダンス解析アプリ 音叉の形状最適化
フライホイールの形状最適化
汎用
このアプリケーションの目標は、実験で求めた
均一な厚みで、軸対称、かつ均一なフライホ
電気化学インピーダンス分光法(EIS)測定を 音叉が叩かれると、共振モードの重ね合わせ イール内の半径方向応力は、内半径近くに
説明すること及び、
リチウムイオン電池の特 として数学的に記述することができる複雑な 鋭いピークを示します。ピークの場所からフ
それはまた、固有 ライホールの外縁でゼロに達するまで、応力
性を推定するための計測と共にシミュレー 動作パターンで振動します。
ションアプリが使用可能だと示すことです。モードとしても知られています。各モードは、は単調に減少します。応力分布が不均一な
リチウムイオン電池インピーダンスアプリは 特定の固有振動数と関連しています。音叉は ことから、材料の最適な使用がされていない
EIS実験から測定を行い、入力値として使用 全ての固有振動数の重ね合わせによってでき 設計である、
ということが明らかです。
フライ
しています。その後それらの測定を模擬し、た特定の音色から、その特徴的な音を生成 ホイールの質量と慣性モーメントを入力す
この音叉アプリでは枝の長さを変更 れば、
実験データに基づいてパラメータの推定を します。
このモデルは均等な半径方向応力分布
その長さから音叉の基本共振 を求めることを目的関数として、最適な厚さ
実行します。制御パラメータは交換電流密度、することができ、
粒子状の固体電解質界面の抵抗率、NCAの 周波数を算出します。もう一つの機能として、プロファイルの探索問題を解きます。最適
二重層容量、正極中の炭素支持体の二重層 ユーザが目標とする周波数値を入力すること プロファイルを使った場合、内半径での半径
アプリケーションが割線法を基にしたアル 方向最大応力値は、
容量、それに正極中のリチウムイオン拡散 で、
フラットなフライホイール
係数です。
そして10MHz～1kHzの周波数範囲 ゴリズムを使用して対応する枝の長さを求め と比較しておよそ40%低減されています。
で測定された正極のインピーダンス値に対し ることもできます。
て、
カーブフィッティングが行われます。
125
事例紹介(2/2)
ブラケットの様々な最適化
MBBビームのトポロジ最適化
時間依存最適化
このチュートリアルでは、最適化ソルバを用い 構造力学モジュールと最適化モジュールを
この形状最適化の例では、
ジオメトリオブジェ た非線形モデル問題の周期的な定常状態 使用した、
トポロジ最適化のデモンストレー
クト数や位置を変更することによりブラケット の解を計算する方法を示しています。この ションです。
質量を最小化します。
また求解要件として最低 ソルバは、計算開始時の初期条件を、終了時 古典的モデルとして、
ここではMBBビームの
固有周波数と、静的荷重条件における最大 の解と一致するように変更します。
このモデル 例を示しています。
この最適化手法ではSIMP
応力の両方に制限を与えます。このことは、は最適化ソルバと時間依存ソルバを組み合わ 法を基にして、元の組み合わせ最適化問題を
制約条件として2つの異なるスタディによる せることで、時間依存ソルバ単体を使うより 連続最適化問題として再計算します。
計算結果を最適化問題で使用しなければ もはるかに高速に求解します。その理由は、
ならないということを意味します。応力の制約 この解法では定常状態に達するまでに膨大
条件では、
ドメイン全体中で最大応力値を な期間で計算する必要がないからです。
とる位置が不明なため、計算しなければなり
ません。さらに、ジオメトリの実現可能性を
維持するために、いくつかの幾何学的な制約
条件の追加が必要です。
熱生成の最適化
マイクロチャネルの流速最小化
Mooney-Rivlinモデルのカーブフィッティング
ナビエ・ストークス方程式のトポロジ最適化
は、例えば自動車の換気システム設計など、
様々な分野や用途に用いられます。
このような このプレゼンテーションでは、実験データに
問題に適用できる一般的なテクニックとして、材料モデル曲線をフィッティングさせるため
多孔質材料分布を連続的に変化させる手法 の最適化モジュールの使い方を示しています。
2つのヒータが流路に沿って吹き出している があります。
このモデルでは、流路中心部の これは構造力学ユーザガイドに掲載されて
気体の温度を上昇させるという、熱生成の 水平速度成分の最小化を目的関数として、いる、
超弾性Mooney-Rivlin材料モデルの事例
シナリオがモデル化されています。最適化 マイクロ流路中の多孔質材料の最適分布解 をベースとしています。
モジュールを使って、流出温度の最大化を を見つけています。
目的関数に、ヒータ自体のピーク温度の維持
を制約条件とした場合の、ヒータ出力値を
求めています。
仕様表
汎用
126
Chemistry
Thermodynamics and Kinetics Data Import
Parameter estimation*
Mathematics
Optimization and Sensitivity
Optimization Interface and Study Step
Parameter Estimation
Time-Dependent Forward and Adjoint Sensitivity
>Constraints
Study Steps
Control Steps
Optimization
Parameter Estimation
●
●
●
●
●
●
●
II-5-2 材料ライブラリ
～モデル補強のための正確な材料特性～
2,500 種を超える材料と、材料ごとに最大24件の主要特性
COMSOL Multiphysicsは、モデルビルダと材料ブラウザを用いて、
材料特性を完全に制御できます。材料ブラウザは、解析モデルで使用
する材料特性を一括管理し、材料ライブラリによって補完されます。
材料ライブラリには、元素、鉱物、金属合金、熱絶縁体、半導体、圧電
材料を含む2,500の材料データが含まれています。
各材料は、24個ものキーとなる、温度依存性も含めた物性に関する
物性関数を参照することで表現されています。
これらの関数はグラフ
で表示でき定義内容の確認ができます。変更や追加も可能です。操作
を済ませた定義は、マルチフィジックスモデル化の特性関数変数に
依存する、
その他の物理特性シミュレーション連成でも使用できます。
利用できる材料
・ 要素
・ Fe&Ni合金
・ Al&Cu合金
・ Mg&Ti合金
・ 酸化物
・ 炭化物、サーメット、工具鋼
・ 炭素と断熱
・ 金属間化合物、TBC(遮熱コーティング)、耐熱金属
・ ポリアミドとポリエステル
・ アセタール、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、EVA(エチレン
酢酸ビニル)
・ エラストマとエポキシ樹脂
・ その他ポリマとポリマ複合材料
・ 鉱物、岩、土壌、木材
・ ポリプロピレンと PET(テレフタル酸ポリエチレン)
・ 膨張制御合金と熱電対合金
・ 半導体、光学材料、
その他材料
・ はんだ、歯科用合金、
コバルト合金
・ 抵抗合金、磁性合金
・ シリサイド、ホウ化物
汎用
・ 金属基質複合材料、セラミック基質複合材料
・ 塩、燃料電池、蓄電池、エレクトロセラミックス
・ ガラス、
ガラス状合金、窒化物、ベリリド
・ 鋳鉄、型剤
127
II-5-3 粒子トレーシングモジュール
～粒子と場の間の連成を調査する～
粒子トレーシングモジュールは、粒子-粒子、流体-粒子、粒子-場の連成
など、流体内や電磁場の粒子の軌道を計算するCOMSOL環境の機能
を拡張します。粒子の運動を駆動する場の計算のために、用途固有
のモジュールは、粒子トレーシングモジュールとシームレスに組み合わ
せることができます。粒子には質量を設定してもしなくてかまいま
せん。動きは、古典力学のニュートン、
ラグランジュ、
またはハミルトン
の定式化で定義できます。ジオメトリの壁の粒子に境界条件を適用
すると、粒子を停止、固着、跳ね返り、消去、
または散在的に反射させる
ことができます。ユーザ定義の壁条件も指定できます。
ここでは、衝突
後の粒子速度が通常、
飛来粒子の速度の関数になり、
壁は法線ベクトル
になります。飛来粒子が壁に衝突したときに放たれた二次粒子も取り
込むことができます。二次粒子の数とその速度分布関数は、一次粒子
の速度と壁ジオメトリの関数になります。粒子は、任意の式または付着
確率に従って壁に付着することもあります。
追加の依存変数をモデルに
追加すると、
粒子質量、
温度、
あるいは回転などの数量を計算できます。
粒子は、格子の定義または任意の式のとおり、基本メッシュに従って境界と領域で一様に放出できます。粒子と場との相互作用の具体的
な内容は、
さまざまな定義済みの力で記述できます。適切な式で定義した任意の力を追加できます。双方向連成を粒子と場の間の双方向
連成をモデル化できます(粒子-場連成)。同じく、粒子同士の粒子連成もモデル化できます(粒子-粒子連成)。
機能
・ 背景ガスをともなう弾性衝突など、電界と磁場におけるイオン軌道と電子軌道をモデリング
するCharged Particle Tracing(荷電粒子追跡)インタフェース
・ 流体における微視的粒子と巨視的粒子の動きをモデリングするFluid Flow(流量)インタ
フェース用のParticle Tracing(粒子追跡)
・ 解決した方程式に完全な自由度を提供するMathematical Particle Tracing(数学的粒子追跡)
インタフェース
・ 質量分析
・ ビーム物理
・ ブラウン運動
・ イオン光学
・ イオン移動度による分光学
・ 流体流れの可視化
・ 質量ゼロ、ニュートン、
ラグランジュ、ハミルトン公式
・ スプレー
・ モデルのセットアップを助ける定義済みの力
・ エアロゾルダイナミックス
ブラウン、熱泳動、重力、音響泳動、誘導泳動、磁気泳動
・ 電気、磁気、衝突、抗力、
・ ミキサー
・ ユーザ定義の力
・ 二次放出
・ 粒子場の相互作用
・ 分離と濾過
・ 粒子対粒子の相互作用
・ イオンエネルギー分布関数の可視化
・ 論理式に基づいた粒子速度ベクトルの再初期
・ 音響泳動
設定では、汎用モンテカルロモデリングが可能
・ 古典力学
・ 粒子放出機構
・ メッシュ要素ごとに特定の数の粒子が放出されるメッシュベース、所与の境界における
・ 粒子の均一な分布、特定の場所で大きい粒子密度を許容する式ベース、格子
汎用
・ 境界条件
・ フリーズ、
スティック、バウンス、消失、一般的な反射、散漫散乱、二次放出、付着確率
・ 後処理
・ 粒子軌道のプロット(線、管、点、彗星の尾)、任意の方程式による色軌道、
プロットする粒子
動画、
ポアンカレ断面とマップ、
相図、
すべての粒子の最大、
最小、
平均、
積分を計算、
・ を濾過、
粒子データをエクスポート、
1Dヒストグラムと2Dヒストグラム、
・ 粒子データを表に書き込み、
・ 透過可能性
・ 粒子質量、回転などの計算のために補助従属変数を追加
・ 移動メッシュと完全に互換性あり
128
用途
事例紹介
赤血球から血小板の誘電泳動分離
電荷交換セルシミュレータ
回転する銀河
誘電泳動(DEP)は、不均一な電界にさらされる 電荷交換セルは、真空チャンバ内の高圧で
ような誘電体粒子に対して力が作用するような 気体の領域から構成されます。イオンビーム このチュートリアルモデルは、粒子 - 粒子相互
この
場合に発生します。DEPは、バイオセンサ、が高密度ガスと相互作用すると、
イオンはその 作用を手動で追加する方法を示します。
診断、粒子操作および濾過(並べ替え)、粒子 ガスとの電荷交換反応を受け、高エネルギー 例では、銀河中の2500個の星同士の重力
アセンブリ、および多くのために使用生物 の中性粒子を生成します。ビームイオンの がモデル化されています。銀河は最初剛体
その後重力によって形状
医学装置の分野で多くの用途があります。 一部のみが、電荷交換反応を受ける可能性 として回転しますが、
誘電泳動力は大きさ、形状、及び粒子の誘電 があります。従ってそのビームを中和する目的 が変化します。
特性によって大きく変化します。このことに のために、2つの帯電する偏向板はセルの
よりDEPを用いることで、例えば混合物から 外側に配置されています。
このようにして、高 理想的クローク
様々な種類の細胞を得るというように、異なる エネルギーの中性源を製造することができ
種類の粒子を分離するために使えます。
赤血球 ます。荷電交換セルシミュレータアプリは、
分離アプリケーションは、血小板から赤血球を 中性アルゴンを含む電荷交換セルで陽子
分離するために、赤血球を血液試料から選択 ビームの相 互 作 用をシミュレ ートします。
的に濾過する方法を示します。DEPフィルタ ユーザ入力は、気体セルや真空チャンバの
装置では、赤血球は血小板よりも大きいため、いくつかの形状パラメータ、ビーム特性、及び このモデルは、異方性光学特性を有する光学
大きな力を受けその結果、
より偏向されます。残りのイオンを偏向させるために使用される 的に大きな屈折率分布構造を研究するため
装置には2つの出口が配置されていて、上方 荷電板の特性を含みます。シミュレーション の光学追跡の使用方法を示しています。さら
典型的には例えばレンズなど
出口からは偏向されていない粒子が出て行き、アプリは中和されたイオン比を計測し、また にこのモデルは、
偏向されていない粒子のみが下方出口から どのような種類の衝突が何回発生したかの の従来の光学デバイス中における、曲面上の
出ることができるようになっています。
統計を記録して、電荷交換セルの効率を計算 屈折率の不連続性を処理するための平滑化
技術の使い方を紹介しています。
します。
層流スタティックミキサー中の粒子軌道
ブラウン運動
イオンサイクロトロン運動
スタティックミキサー、
もしくは静止ミキサー/
インラインミキサーの中では、流体は静翼を
持つパイプを通してポンピングされます。
この撹拌技術は特に層流ミキサーに適して 自然界の純粋な拡散輸送は、ブラウン力を
このモデルは、流体 このモデルは均一な磁場中でのイオンの軌道
います。その理由は、
この流動領域中に殆ど 用いてモデル化できます。
圧力損失を生じないからです。この事例は 流れ物理インタフェースの粒子追跡にブラウン を計算します。磁場の影響を受けたイオン
ツイスト・ブレード付き定常ミキサーの流れ 力を追加する方法を示します。流体中の粒子 の軌道は数学的粒子追跡インタフェース中
を研究します。
また撹拌槽中を浮遊する粒子 拡散は拡散方程式を直接解いた結果と流体 に、ニュートニアン、ラグランジアン、ハミル
の軌跡を調査することで、撹拌性能を算出し 流れインタフェースの粒子追跡で計算された トニアン方程式で定義されます。
ます。
このモデルでは、層流インタフェースと 結果が比較されます。
流体流れの粒子追跡インタフェースを使用
します。
汎用
129
仕様表
AC/DC
Physics Interfaces and Study Types
>Charged Particle Tracing
>Particle Field Interaction, Non-Relativistic
>Particle Field Interaction, Relativistic*
Particle Tracing
>Boundary Conditions
>Formulation
>Particle Properties and Forces
>Particle Release
Volumetric Domain Properties
Fluid Flow
Physics Interfaces and Study Types
>Fluid-Particle Interaction
>Particle Tracing for Fluid Flow
Particle Tracing
>Boundary Conditions
>Formulation
>Particle Properties and Forces
>Particle Release
Mathematics
Particle Tracing
>Boundary Conditions
>Formulation
>Particle Properties and Forces
>Particle Release
Study Steps
Time Dependent
Particle Trajectories
汎用
130
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
II-6 インタフェース
II-6-1
II-6-2
II-6-3
II-6-4
II-6-5
II-6-6
II-6-7
II-6-8
II-6-9
II-6-10
II-6-11
II-6-12
II-6-13
II-6-14
LiveLink™ for MATLAB®
LiveLink™ for Excel®
CADインポートモジュール
デザインモジュール
ECADインポートモジュール
LiveLink™ for SOLIDWORKS®
LiveLink™ for Inventor®
LiveLink™ for AutoCAD®
LiveLink™ for Revit®
LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™
LiveLink™ for PTC® Pro/ENGINEER®
LiveLink™ for Solid Edge®
File Import for CATIA® V5
各モジュールの動作環境
COMSOL, COMSOL Multiphysics, Capture the Concept, COMSOL Desktop, COMSOL Server, LiveLinkはCOMSOL ABの商標または登録商標です。MATLAB
は The MathWorks, Inc の登録商標です。Microsoft、Excelおよび Windowsは、
アメリカおよびその他の国々のマイクロソフト社の登録商標です。SolidWorks は
列会社のすべてまたはいずれかの登録商標です。PTC、Creo Parametricおよび Pro/ENGINEERはPTC社または、
アメリカおよびその他の国々の子会社の登録商
標です。Solid Edgeは、
アメリカおよびその他の国々における Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. またはその子会社の商標または登録商標
です。CATIAは、
ダッソー・システムズ（DassaultSystèmes）
もしくはダッソー・システムズの子会社のアメリカおよびその他の国における登録商標です。
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
インタフェース
Dassault Systèmes SolidWorks Corp の登録商標です。AutoCAD、Inventor、および Revit は、
アメリカおよびその他の国々における Autodesk, Inc.、子会社、系
131
II-6-1 LiveLink™ for MATLAB®
～柔軟性に富んだスクリプト記述でマルチフィジックス解析を拡張～
COMSOL Multiphysics®をMATLAB®とシームレスに統合して、MATLAB
環境におけるスクリプト記述プログラミングによるモデル化を拡張
します。LiveLink™ for MATLAB®では、前処理、モデル操作、後処理で
MATLABツールボックスのフルパワーを活かします。
・ 強力なマルチフィジックスシミュレーションでインハウスMATLAB
コードを強化
・ 確率的データまたは画像データに基づいたジオメトリモデル化
・ シミュレーション結果に対する任意の統計解析の実施
・ マルチフィジックスモデルをモンテカルロシミュレーションおよび
遺伝的アルゴリズムと併用
・ 制御システムを組み込むために、
状態空間マトリクス形式でCOMSOL
モデルをエクスポート
・ COMSOL Desktop®からMATLAB関数を呼び出し
機能
・ スクリプト記述ツールとしてMATLABを使用しCOMSOLモデルをセットアップし、解決する
・ MATLABワークスペースに対してデータをインポート/エクスポート
・ COMSOL Desktop環境のインタフェースにより、モデリングの際にMATLAB関数を利用可能
・ 使いやすい専用関数スイート
・ サポート対象バージョン: MATLAB 2015bとMATLAB 2015a
用途
・ 画像や実験などのデータを前処理してモデルに組み込む
・ カスタマイズした後処理と可視化のためにモデルからデータを抽出
・ コマンド行またはスクリプトからモデルを操作してジオメトリ、物理特性、
ソリューションスキームをパラメータ化する
・ 所属組織のユーザ間で活用してもらうため、MATLABのGUI建物ツールで、モデルにカスタムメイドのグラフィカルユーザインタフェース
を作成する
・ MATLAB関数でモデル設定を定義する
・ ループにソリューションプロセスをラップするソリューションプロセスでさまざまな事例を処理、指定したソリューションをベースに
ソリューションを停止、再開。
カスタム初期条件を作成する
インタフェース
MATLAB は The MathWorks, Inc の登録商標です。
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
132
事例紹介
化学反応器中の均質化
近似周期境界による対流熱伝達
ドメインの有効化/無効化
このモデルは、空間依存化学反応モデルに このモデルは、水で満たされた流路内の対流 加熱の際に対象ドメインを色々と変更する
周期的な均質化プロセスをシミュレートする 熱伝達をシミュレートします。使用メモリ量を ために、
ドメインの有効化/無効化を切り替え
方法を示しています。
この均質化は、設定時間 低減するために、
このモデルは擬似的な周期 ることで物理の適用ドメインを変更するテク
間隔で反応器内の濃度勾配を消失させます。構造をもつ流路を繰り返し求解します。各解 ニックの一例です。
このモデルでは、LiveLink™
このモデルではまず最初に、時間依存ソルバ は別のセクションに対応します。また各求解 for MATLAB®を使用する方法を示しています。
を停止する方法を示します。その次に、求め ステップの前には、直前解の流出口境界条件
られた解を初期値にして計算をリスタートする 温度が、流入口境界にマッピングされます。
方法を示します。
魔法瓶中の温度分布
この例では、熱いコーヒーを保温する真空
フラスコ内の温度分布を求解します。主な
目的は、材料特性および境界条件の定義を
するのに、MATLAB関数を使用する方法を
示すことです。
バスバー形状のパラメータ化
これは、物理インタフェースとパラメータ化
されたジオメトリを含むLiveLink™ for MATLAB®
モデルのテンプレートMPH-ファイルです。
インタフェース
133
II-6-2 LiveLink™ for Excel®
～Excel®であなたのモデリングを簡素化・拡張～
Excel®のシミュレーション機能は、COMSOL Multiphysics®とシームレス
につながることによって拡張されます。あなたが、その作業工程を記
述した E x c e l デ ータの 経 験 を 積 ん だ エンジ ニ アで 、C O M S O L
Multiphysicsシミュレーションに、これを利用しようとしているか、
あるいは、あなたが材料特性の価値を見出し、最適化するために
シミュレーションを活用した いと考えている科 学 者 で あるか に
かかわらず、LiveLink™ for Excel®は、あなたが必要とする柔軟性を
備えています。
LiveLink for Excelは、
Excelが提供する機能と構造的な簡易性の利便性
を活用するので、あなたのCOMSOL Multiphysicsモデリング能力を
拡張することができます。COMSOL Multiphysicsにおいて定義・モデル
化されるパラメータおよび変数はMicrosoft Excelで直ぐに利用でき、
自動的にあなたの物理特性モデルと同期します。
さらにLiveLinkには、
ワークシートに保存されたデータからLiveLink材料ライブラリを作り、
COMSOL Multiphysicsに取り込む機能が追加されています。また、
パラメータや変数リストのために、COMSOL DesktopにExcelファイル
をローディングする支援機能も備えています。
機能
・ Excelの環境からCOMSOL Multiphysicsのモデリングを実行、制御
・ COMSOL MultiphysicsのモデルをExcelのワークブックから開く
・ Excelのワークシートに記述されたパラメータ、変数、関数とCOMSOLモデルデータの同期
・ Excelのワークシートに記述されたパラメータ、変数、関数を変更した場合、モデルを更新して解析
・ Excelの環境からパラメトリックスイーブの実行
・ 解析結果をモデルから抽出してExcelのワークシートに反映
・ COMSOLモデルウインドウで解析の進捗を確認
・ COMSOL Desktopでのモデル作成中に、Excelのワークブックから定義情報を読み込み/書き出し
・ Excelのワークシートに記載されたデータからCOMSOLの材料ライブラリを作成
・ Windows版Excelの下記のバージョンに対応:
Excel 2013(デスクトップ版、MSIベースインストレーション)、Excel 2010(Excel 2010 Starter以外)、Excel 2007
事例紹介
LiveLink for Excelを使った バスバー中の電気
発熱
インタフェース
134
このチュートリアルモデルはExcel上でCOMSOL
モデルを操作する方法を示しています。以下
の方法が含まれています: ファイルのロード、
ファイルの保存、モデルパラメータの更新、
求解、結果の取得。
Microsoft、Excelおよび Windowsは、米国およびその他の国々のマイクロソフト社の登録商標です。それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産で
す。
II-6-3 CADインポートモジュール
～効率的なシミュレーションとCADインテグレーション～
CADインポートモジュールは、STEPやIGESのような汎用ファイル形式
から、Parasolid®およびACIS®形式など、多種多様なファイル形式の
インポートをサポートしています。そのプロセスで重要なことは、CAD
インポートモジュールでは、
Inventor®、
PTC® Creo®Parametric™、
および
SOLIDWORKS®のようなCADシステム独自形式ファイルをインポート
することが可能ということです。
CATIA® V5用のファイルインポートでは、
このシステムの独自ファイル形式のインポートをサポートします。
CADインポートモジュールがすでにインストールされている場合、
全てのCADファイルは、モジュールに含まれるParasolid®ジオメトリ
エンジンを使用して、
自動的にParasolid®ジオメトリにコンバートされ
ます。続いて、
これらのジオメトリはCOMSOL MultiphysicsおよびCAD
インポートモジュール内で、多様なツールを使用して変更を行うことが
可能です。
このケースの一例として、CADで設計された周囲のモデル
ドメインの構築が挙げられます。CADモデルの大半は製造用オブジェ
クトで、
シミュレーションは、たとえば空気の流れのような、
オブジェクト
周囲の現象をモデリングするために使われます。
これらの変更が実行
されると、CADインポートモジュールでは、
この変更をParasolid®にエクスポートし、もしくは、他のツールでインポートするために、ACIS®
ファイル形式でへエクスポートします。
製品開発の最初のステップは、CADの作成もしくは、シミュレーションモデリングを行うことです。
このシミュレーションモデリングにより、
私たちは、さらに理解を深めることができ、
また必要部分の構成やデバイスの最適化を図ることが可能です。その一方で、CADモデリング
では、正確で適切、かつ製造上必要となる詳細情報を提供してくれます。完全にな理解を得るためには、両方のモデリング作成が必要に
なります。一方のモデリングからの情報とデータは、
もう一方のモデリングにも影響を及ぼし、
また時としてその情報とデータは、直接行き来
する可能性もあるため、
シミュレーションとCADの両方のモデリングプロセスのインテグレーションは必要不可欠になります。
このインテグ
レーションを実現するために、COMSOLでは、
ロバストなツール: CADインポートモジュールを提供いたします。
機能
・ Parasolid®、ACIS®、STEP、IGES、Inventor®、PTC® Creo® Parametric™、SolidWorks®ファイル形式のファイルインポート
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ サードパーティファイル形式をCOMSOLジオメトリカーネルに変換
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
135
対応する形式
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
セダン内の音響
このモデルは典型的なファミリーカーである
セダン内の音響モデルです。モデルは音源
のスピーカ位置および、吸収面(座席および
カーペット)の柔軟体モデルインピーダンス
条件を設定します。モデルは車内の圧力、
音圧レベルおよび音の強さをプロットします。
車内のいくつかの位置での周波数応答も示し
ます。
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
136
仕様表
CAD File Formats
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
CATIA® V5 (.CATPart, .CATProduct) R8-R25*
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from Parasolid®
Representation, 3D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
●
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●
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●
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●
●
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●
●
●
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
137
II-6-4 デザインモジュール
～シミュレーションのためのパラメトリックジオメトリの作成と操作～
デザインモジュールは、ジオメトリの作成とさまざまなCADファイル
形式のインポートのための追加ツールを提供してCOMSOL Multiphysics
ソフトウェアの幾何学的モデル化機能を拡張します。
ジオメトリの準備
はシミュレーションプロセスの重要部分であり、
解析の CAD設計で最適
な方法は何かを探すことに重点を置きます。
ここでは、一定の幾何学的
詳細情報が解析に関係があるか、
あるいは代わりにシェルの近似化を
シミュレーションに使用できるかの判断を行う場合もあります。
あるい
は、
インポートしたCAD設計の一定のフィーチャを変更してパラメータ
化し直さなければならないこともあります。場合によっては、新しくより
シンプルなパラメータ化ジオメトリをゼロから作成しないと、適切な
解析のための関連設計フィーチャをキャプチャできないこともあり
ます。
デザインモジュール は、Parasolid®ソフトウェア形式、ACIS®ソフトウェア形式、STEP形式、IGES形式などさまざまなファイル形式のインポ
ートをサポートしています。
さらに、Autodesk® AutoCAD®ソフトウェア、Autodesk® Inventor®ソフトウェア、NX®ソフトウェア、PTC® Creo®
Parametric™ソフトウェア、SOLIDWORKS®ソフトウェアなど、
さまざまなCADツールのネイティブファイル形式をインポートできます。
デザインモジュールには、
シミュレーションとCAD設計の両方を本製品の開発プロセスに統合する助けになるロバストなツールがあります。
すべてのジオメトリを作成したら、
デザインモジュールでそれらをParasolid®ソフトウェアファイル形式またはACISソフトウェアファイル形式
にエクスポートして他のツールへのインポートに備えます。
機能
・ 断面プロファイルからロフトオブジェクトを作成
・ ソリッドオブジェクトとサーフェスオブジェクトに3Dフィレットとチャンファを適用
・ ミッドサーフェス操作と肥大化操作でソリッドをサーフェスに、あるいはサーフェスをソリッドに変換
・ 最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid® 形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
対応する形式
インタフェース
138
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
ベース、
ソケット、軸受けスタッドの交点にフィ
スライバを取り除くと、必要なメッシュ化を大 フェイスまたはホールに対するキャップまた レットとチャンファがある球面継ぎ手のモデ
幅に削減できる一方で、フィーチャの削除 はフィルは、設計モジュールで実行します。 ル。
アクションにより、周囲のジオメトリが平滑化
されて隙間が埋まります。
サーフェスと設計モジュールの肥大化フィー
ヘリコプタスウォッシュプレートのベースに
チャで作成したフランジのモデル。
は、多くのフィレットエッジとチャンファエッジ 最終的にインペラを構成するブレードの作成
にはロフティングコマンドを使用しました。
が必要です。
仕様表
CAD File Formats
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
●
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●
●
インタフェース
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from
Parasolid® Representation, 3D
Midsurface
Thicken
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Chamfer
Fillet
Loft
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
139
II-6-5 ECADインポートモジュール
～ECADファイルのインポートおよび電子部品の解析～
MEMEデバイス、ICまたはチップ、PCB(プリント回路基板)は、プロト
タイプの製造前の段階でも、素子特性および性能を正確に予測する
ことがますます求められています。部品サイズはさらに小さくなり、
物理現象の作用を組み込むシミュレーションが必要になっています。
ECADインポートモジュールを利用して、
自分のECADファイルをCOMSOL
Multiphysicsにインポートし、2Dレイアウトをシミュレーションに対応
した3Dジオメトリに変換することができます。
このことは、他のアプリ
ケーションと共同で、
これらの部品や装置の電磁気・熱・構造などの
シミュレーションの世界を開くものです。
ECADデータのフォーマットには、
このデバイスがチップまたはPCB
(プリント回路基板）のいずれかにかかわらず、
これを構成する各レイヤ
のレイアウトを含みます。ECADインポートモジュールは、
これらのレイ
アウトの幾何形状を認識し、
ファイルに含まれているか、もしくはイン
ポート中に提供されるレイヤの積み重ね情報に従って、押出形成の
平面ジオメトリオブジェクトを作成します。MEMS(Micro Electro
Mechanical Systems)およびIC(集積回路)のシミュレーションニーズに対して、ECADインポートモジュールはGDSIIフォーマットを用意して
います。PCBの開発用にODB++(X) および NETEX-Gファイルフォーマットがインポートできます。
このNETEX-Gフォーマットは同名のプロ
グラム固有のフォーマットで、
これはGerberレイアウトとドリルファイルから、特定のネットのために、関連する金属配線を抽出する手段で
あり、製造のためにPCBの設計図を送る際に広く利用されています。
機能
・ COMSOL Multiphysicsで解析するために設計された、集積回路(IC)とプリント基板(PCB)のインポート
・ 選択したレイヤのインポート除外
・ レイヤ厚さのファイル読み込み、
または選択により、インポートされたGDSレイアウト中からインポート時の円弧と直線の自動認識に
よる自動押し出し
・ GDSファイルからインポートするセル選択
・ ODB++®またはODB++(X)ファイル中のテキスト・オブジェクトインポートの除外
・ インポート時に内部エッジの自動削除
・ ジオメトリサブ操作またはモデル調整に必要なレイヤ選択の作成
対応する形式
ファイル形式
GDSII
NETEX-G
ODB++®
ODB++(X)
拡張子
.gds
.asc
.zip, .tar, .tgz, .tar.gz
.xml
インタフェース
ODB++ は、Mentor Graphics Corporation の商標です。
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
140
インポート
はい
はい
はい
はい
エクスポート
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
事例紹介
プレーナトランスのレイアウトは、ECADファ
イルからインポートされており、３Dのジオメ
トリに変換されます。
これは、
その表面の電
位を示しています。
仕様表
CAD File Formats
Read from File, ECAD
GDSII (.gds)
NETEX-G (.asc)
ODB++(X) (.xml)
ODB++® (.zip, .tar, .tgz, .tar.gz)
インタフェース
ODB++ は、Mentor Graphics Corporation の商標です。
●
●
●
●
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
141
II-6-6 LiveLink™ for SOLIDWORKS®
～解析における SOLIDWORKS® 設計を強化～
COMSOL MultiphysicsとLiveLink™ for SOLIDWORKS®は、すぐれた
接続性を備えており、
シミュレーションを効率的に設計ワークフロー
に統合できます。SOLIDWORKS®は、3次元設計と製品データ管理向
けの優れたCADソリューションです。マルチフィジックスシミュレーシ
ョンと併用すると、製品の設計、評価、最適化用の強力なツールになり
ます。LiveLink™ for SOLIDWORKS®を利用すれば、COMSOL
Multiphysicsの機能を活かしてSolidWorks®設計が、目的の動作環境
でどのような働きをするかよく理解でき、あらゆる物理的効果とその
連成によるインパクトを正確に評価できます。
LiveLink™ for SOLIDWORKS®にはCOMSOL Desktop®と
SOLIDWORKS®間の双方向インタフェースがあります。
このインタフェ
ースで、CAD設計をCOMSOLモデルと同期させることができるだけで
なく、作成したシミュレーションでSolidWorksファイルの設計パラメ
ータを制御できます。
これにより、
自動パラメトリックスイープのシミュ
レーションでCAD設計を最適化できます。
より密接度の高いインテグ
レーションにより、OneWindow(ワンウィンドウ)インタフェースは、COMSOL Multiphysics®で使い慣れたウィンドウ、ツール、
アイコン、
メニ
ュー項目を提供し、SolidWorksユーザインタフェースからシミュレーションのセットアップと実行を可能にしました。
機能
・ SOLIDWORKS® 2014または2015バージョンのCADソフトウェアとCOMSOL Multiphysicsが同時実行しているときに両者間で同期する
LiveLink™インタフェース
・ SOLIDWORKS® GUI内の埋め込みCOMSOL Desktop®と連携。
または同時に実行する2つの独立したプログラムとして機能
・ SOLIDWORKS®ジオメトリとCOMSOL Multiphysics®間で3D幾何学的オブジェクト(ソリッド、サーフェス、曲線、点)を同期
・ 同期したジオメトリは連携性が高く、大型アセンブリを短時間で同期させるため、面、エッジ、または頂点の結合性機能は不要時には
オフに設定可能。
・ SOLIDWORKS®設計とCOMSOLモデル間で選択した材料とその他ユーザ定義の選択結果を同期
・ 手動により、
またはパラメトリックソルバまたは最適化ソルバでSOLIDWORKS®設計とCOMSOL Multiphysics®モデル間でパラメータ
を同期させてCOMSOL Multiphysics®ジオメトリを変更を変更
・ 最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
インタフェース
SolidWorks は Dassault Systèmes SolidWorks Corp の登録商標です。
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
142
対応する形式
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
飛行制御入力をロータブレードの回転に伝え
るヘリコプタのスウォッシュプレート機構。
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
143
仕様表
CAD File Formats
Associative Read via Linked CAD System
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) 2015, 2016
Modify via Linked CAD System
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) 2015, 2016
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Read from File, ECAD
Read from File, Geographic Information System (GIS)
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid® Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from Parasolid®
Representation, 3D
Geometric Primitives, 2D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 2D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometry Sequences and Programming
Parts
Selections
Transforms
Virtual Operations
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
LiveLink™ Interface
General Functionality
Associative Read of 3D Geometry via Linked CAD System
Create Selections in Model Based on Material Settings in CAD File
Create Selections in Model Based on User Defined Selections in CAD
File
Modify Geometry via Linked CAD System
Synchronization of Curve and Point Geometric Objects
Turn on/off Associativity for Faces/Edges/Vertices
Turn on/off Synchronization of Object Types
>Link CAD Parameters to COMSOL Model
One Window Interface
Create COMSOL Models in CAD System's User Interface
Open Native COMSOL (.mph) Files (3D only) in CAD System
>Save COMSOL (.mph) files from CAD System
Supported CAD Systems
SOLIDWORKS® 2015, 2016
●
●
-
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
144
●
●
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II-6-7 LiveLink™ for Inventor®
～Inventor機械的設計の解析用～
LiveLink™ for Inventor®では、COMSOL Multiphysics®解析を有数の
CADソフトウェア - Autodesk® Inventor®と組み合わせて、3次元機械
設計ができます。Inventor®モデル化環境内でCOMSOL Multiphysics
の機能と統合でき、
ジオメトリ設計機能を利用できます。LiveLink™ for
Inventor®により、
シミュレーションを設計ワークフローに統合できます。
シミュレーション前のジオメトリの修復とフィーチャ削除のための機能、
シミュレーションプロセス時の設計変更機能、自動化パラメトリック
スイープまたは調査の最適化による設計の最適化機能を備えています。
COMSOL MultiphysicsとLiveLink™ for Inventor®は、設計の目的で
ある環境におけるプロセスや物理的現象の働きを理解するにに役
立ちます。
また、さまざまな物理特性が設計内でどのように相互作用
するかをシミュレートできます。LiveLink™ for Inventor®にはCOMSOL
Desktop®が埋め込みツールとして、Inventorグラフィカルユーザインタ
フェース(GUI)内にあり、2つの環境間の切り替えはシームレスに行われ
ます。One Window(ワンウィンドウ)インタフェースとして知られるこの
環境には、Model Builder、設定ウィンドウ、COMSOL Multiphysicsにおけるモデル化で使い慣れたツール、
アイコン、
メニュー項目があり
ます。
さらに結果は、Inventorのグラフィックツールとレンダリングで調査できます。
機能
・ Inventor®2014または2015バージョンのCADソフトウェアとCOMSOL Multiphysics®が同時実行しているときに両者間で同期するLiveLink™
インタフェース
・ Inventor® GUI内の埋め込みCOMSOL Desktop®と連携。
または同時に実行する 2 つの独立したプログラムとして機能
・ Inventor®ジオメトリとCOMSOL Multiphysics®間で3D幾何学的オブジェクト(ソリッドとサーフェス)を同期
・ 同期したジオメトリは連携性が高く、再同期後にCOMSOL Multiphysicsでモデル設定を再適用しなくてもCOMSOL Multiphysics®内で
CADモデルを変更可能
・ 選択した材料と、
その他ユーザが定義した選択結果を、Inventor®設計とCOMSOL®モデル間で同期
・ 手動により、
またはパラメトリックソルバまたは最適化ソルバでInventor®設計とCOMSOL Multiphysics®モデル間でパラメータを同期
させてCOMSOL Multiphysics®ジオメトリを変更を変更
・ 最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
インタフェース
Inventorは、
アメリカおよびその他の国々における Autodesk, Inc.、子会社、系列会社のすべてまたはいずれかの登録商標です。
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
145
対応する形式
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
このモデルは、セダン内部の音響をシミュ
レートします。スピーカの代表的な位置の
音源が組み込まれています。結果では、全体
の音響圧力場と、
キャビン内部の各点における
周波数応答が表示されます。
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
146
仕様表
CAD File Formats
Associative Read via Linked CAD System
Inventor® (.ipt, .iam) 2015, 2016
Modify via Linked CAD System
Inventor® (.ipt, .iam) 2015, 2016
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid® Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from Parasolid®
Representation, 3D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
LiveLink™ Interface
General Functionality
Associative Read of 3D Geometry via Linked CAD System
Create Selections in Model Based on Material Settings in CAD File
Create Selections in Model Based on User Defined Selections in CAD
File
Modify Geometry via Linked CAD System
Turn on/off Synchronization of Object Types
>Link CAD Parameters to COMSOL Model
One Window Interface
Create COMSOL Models in CAD System's User Interface
Open Native COMSOL (.mph) Files (3D only) in CAD System
>Save COMSOL (.mph) files from CAD System
Supported CAD Systems
Inventor® 2015, 2016
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●
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
147
II-6-8 LiveLink™ for AutoCAD®
～AutoCAD設計をさらに活用～
LiveLink™ for AutoCAD®は、マルチフィジックスシミュレーションの
設計ワークフローを拡張するために最も重要な機能を備えており、
対象となる操作環境で、対象製品やプロセスがどのように機能するか
評価することができます。AutoCAD®のCADシステムの強力なツール
により、効率的に3D製品設計を行えます。LiveLink™ for AutoCAD®を
利用することで、あなたのCADモデルをCOMSOL Multiphysics®と
同期させることが可能となり、基本的にどんな物理的効果や反応でも
分析するシミュレーション用のモデルを作成することができるように
なり、あなたの設計データを理解し、最適化することができます。
LiveLink™ for AutoCAD®には、マルチフィジックスシミュレーションの
設計プロセスへの統合を容易にする多くのツールがあります。
ジオメトリ
の補修や不要な部分の削除、
CAD設計の自動更新支援、
設計パラメータ
の最適化、COMSOL Multiphysics®における自動パラメータスイープ
などの機能があります。
LiveLink™ for AutoCAD®は、
あなたの AutoCAD設計ファイルと
COMSOL Multiphysics®モデルの間でのジオメトリの更新と同期しています。
ファイルインポートおよびエキスポートのプロセスの繰り返
しを避けるために、同時にAutoCAD® とCOMSOL Multiphysics®を開いておけば、更新は自動的に行われます。AutoCAD®で定義される
CADモデルのパラメータは、COMSOL Multiphysics®でパラメトリックスウィープを可能にするために、繰り返しアクセスすることができます
。最適化の調査やパラメトリックスウィープにより、部品形状やサイジングのような微調整設計パラメータが可能になります。
LiveLink™ for AutoCAD®の重要な特性は、
設計変更が行われていても、
CADの設計データとCOMSOL Multiphysics®モデルの間で、
ジオメト
リの結合性が同期していることです。
この機能の結果として、
物理的定義もまた、
設計とシミュレーション工程を通して、
それぞれのモデル領
域と境界で関連した状態を維持します。
機能
・ AutoCAD®2014または2015バージョンのCADソフトウェアとCOMSOL Multiphysics®が同時実行しているときに両者間で同期するLiveLink™
インタフェース
・ AutoCAD®ジオメトリとCOMSOL Multiphysics®間で3D幾何学的オブジェクト(ソリッドとサーフェス)を同期
・ 同期したジオメトリは連携性が高く、
手動により、
またはパラメトリックソルバまたは最適化ソルバでAutoCAD®設計とCOMSOL Multiphysics®
モデル間でパラメータを同期させてCOMSOL Multiphysics®ジオメトリを変更を変更
・ 最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
148
対応する形式
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
AutoCAD®での表面図形に基づく、太陽熱
収集器からの金属箔電線の電流シミュレー
ション
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
149
仕様表
CAD File Formats
Associative Read via Linked CAD System
AutoCAD® (.dwg, 3D only) 2015, 2016
Modify via Linked CAD System
AutoCAD® (.dwg, 3D only) 2015, 2016
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from Parasolid®
Representation, 3D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
LiveLink™ Interface
General Functionality
Associative Read of 3D Geometry via Linked CAD System
Modify Geometry via Linked CAD System
Turn on/off Synchronization of Object Types
>Link CAD Parameters to COMSOL Model
Supported CAD Systems
AutoCAD® 2015, 2016
●
●
●
●
●
●
●
●
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
150
●
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II-6-9 LiveLink™ for Revit®
～マルチフィジックス解析をお手元の Revit®に統合～
LiveLink™ for Revit®は、要素のジオメトリをAutodesk® Revit®ソフト
ウェアからCOMSOL Multiphysics®ソフトウェアに伝えるインテグレー
ションツールでありインタフェースです。
Autodesk® Revit®は、
CAD設計と建物の情報モデル化(BIM)ワークフロー
をサポートする建築設計用のすぐれたソフトウェアです。LiveLink™
インタフェースでは、選択した部屋と建物の組み込んだ建築要素の
ジオメトリを生成できます。
選択した部屋と要素はCOMSOL Multiphysics
モデルに同期され、
ここで正確なシミュレーションに必要な物理的
効果を組み込みます。
効率的モデルセットアップのため、LiveLink™ for Revit®は各種要素
の選択肢を生成します。モデル化条件や機能を特定の要素に適用
するときはインタフェースでそれを選択するだけです。
この選択結果
により、
ウォールを移動するなど、Autodesk® Revit®設計を変更する
ときに、モデル領域と境界のすべての設定をCOMSOL Multiphysics®
に保存できます。
機能
・ 本ソフトウェアのRevit® 2015バージョンとCOMSOL Multiphysics®が同時に実行しているときに、その両者を同期するLiveLink™インタ
フェース
・ 同期時に自動的に作成される部屋容積のジオメトリオブジェクト
・ Revit®ジオメトリとCOMSOL Multiphysics®間で3Dアーキテクチャ要素を同期(ソリッドとサーフェス)
・ 同期したジオメトリは連携性が高く、再同期後にCOMSOL Multiphysicsでモデル設定を再適用しなくてもRevit®内でアーキテクチャ
モデルを変更可能。
・ Revit®プロジェクトとCOMSOLモデル間でアーキテクチャ要素の選択結果を同期
・ 最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
対応する形式
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
インタフェース
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
151
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
スピーカシステムによる室内の音圧レベル
を示すシミュレーション。モデルジオメトリは
Autodesk® Revit® で作成し、LiveLink™ for
Revit® で同期します。
仕様表
CAD File Formats
Associative Read via Linked CAD System
Revit® and Revit® Architecture (.rvt) 2015, 2016
Modify via Linked CAD System
Revit and Revit Architecture (.rvt) 2015, 2016
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
インタフェース
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid® Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from
Parasolid® Representation, 3D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
LiveLink™ Interface
General Functionality
Associative Read of 3D Geometry via Linked CAD System
Create Selections in Model Based on Architectural Elements in CAD
File
Modify Geometry via Linked CAD System
Synchronization of Mass Elements
Supported CAD Systems
Revit® 2015, 2016 and Revit® Architecture 2015, 2016
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
152
●
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II-6-10 LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™
～解析からCreo® の柔軟なCAD機能を利用～
LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™は、PTC® Creo® Parametric™
CADシステムにおける3D設計を、
シミュレーションのためにCOMSOL
Multiphysicsモデル図形にシームレスに接続するCOMSOL Multiphysics
の付属装置です。
Creo Parametricは、
3D CADの業界標準であり、
柔軟性
と生産性を最大限に実現できる総合的ツールを備えています。
LiveLink™
for PTC® Creo® Parametric™を備えたCOMSOL Multiphysicsにより、
最先端の設計をおこなうためにCreo Parametricの先進機能からの
メリットを受けることが可能で、
その結果、分析と最適化のために、
この
設計をCOMSOL Multiphysicsモデルに統合することができます。
LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™は、
あなたの設計ワークフロー
を更新し、あなたの製品や設計が、対象となる操作環境の中でどの
ように機能するかを十分理解できるようするマルチフィジックスシミュ
レーション機能を備えています。COMSOL Multiphysicsのモデルには、
あなたの設計を正確にシミュレーションするための関連のある物理
効果やその相互作用があります。
LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™には、
CAD図形を準備する機能があり、
自動パラメトリックスウィープ
と最適化研究とを同時におこなうために、
シミュレーションプロセス中に設計を更新するこができます。
LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™は、Creo Parametric における設計を、COMSOL Multiphysics モデルと同調させ、
このプログラム
を並行して実行している間に自動的に設計の更新情報を伝えます。CADモデルは、
それぞれの変更に際して、手動でCOMSOL Multiphysics
にインポートあるいはエクスポートする必要はありません。
Creo Parametricで定義された部品の大きさや配置などのパラメータは、
COMSOL
Multiphysicsから繰り返しアクセスされており、パラメトリックスウィープや最適化の調査ができるようになっています。直接的な同調を
通して、LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™は、たとえ特性が変更され、設計に追加された時でも、モデル領域や境界に関連した物理
特性の定義を保存します。
機能
・ PTC® Creo® Parametric™2.0または3.0バージョンのCADソフトウェアとCOMSOL Multiphysics®が同時実行しているときに両者間で同期
するLiveLink™インタフェース
・ PTC® Creo® Parametric™ジオメトリとCOMSOL Multiphysics®間で3D幾何学的オブジェクト(ソリッドとサーフェス)を同期
・ 同期したジオメトリは連携性が高く、手動により、
またはパラメトリックソルバまたは最適化ソルバでPTC® Creo® Parametric™設計と
COMSOL Multiphysics®モデル間でパラメータを同期させてCOMSOL Multiphysics®ジオメトリを変更を変更
・ 最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
インタフェース
PTCおよびCreo ParametricはPTC社または、その米国や他の国々の子会社の登録商標です。その他全ての商標は、それぞれの所有者の財産です。
153
対応する形式
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
バーナの換気ファン翼の位置と大きさは、
LiveLink™ for Creo Parametric®で提供される
結合特性を利用して決定することが可能です。
モデルはRiello S.p.A社のGianluca Argentini
氏のご厚意により転載を許可していただいた
ものです。
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
154
仕様表
CAD File Formats
Associative Read via Linked CAD System
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) 2.0, 3.0
Modify via Linked CAD System
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) 2.0, 3.0
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid® Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from
Parasolid® Representation, 3D
Geometric Primitives, 2D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 2D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometry Sequences and Programming
Parts
Selections
Transforms
Virtual Operations
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
LiveLink™ Interface
General Functionality
Associative Read of 3D Geometry via Linked CAD System
Create Selections in Mode+C15l Based on Material Settings in CAD
File
Modify Geometry via Linked CAD System
Turn on/off Synchronization of Object Types
>Link CAD Parameters to COMSOL Model
One Window Interface
Supported CAD Systems
PTC® Creo® Parametric™ 2.0, 3.0
●
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インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
155
II-6-11 LiveLink™ for PTC® Pro/ENGINEER®
～PTC® Pro/ENGINEER® 設計解析に～
LiveLink™ for PTC® Pro/ENGINEER®は、3D CAD設計をマルチフィジッ
クスシミュレーションと統合して、
ワークフローを最新の状態にアップ
デートし、生産性を後押しします。PTC® Pro/ENGINEER®は、用途の広い
CADソリューションであり、
技術者は製品設計時にこれでパラメトリック
ソリッドモデルを作成できます。COMSOL Multiphysics®と組み合わ
せると、Pro/ENGINEERで設計を作成し、設計をCOMSOL環境でシミュ
レートできます。
CAD設計からCOMSOLモデルジオメトリを作成するのは簡単であり、
目的の動作環境における製品設計の性能を評価できます。基本的に、
いかなる関連物理的効果とその連成も、COMSOLモデルに組み込ん
で設計の正確なシミュレーションを実行することができます。LiveLink™
for PTC® Pro/ENGINEER®には、マルチフィジックスシミュレーションを
設計プロセスに統合するために、COMSOL環境CADジオメトリ修復、
双方向モデル更新、直接CADパラメータアクセス用の機能があります。
3次元CADファイルのインポートは、
設計からCOMSOLモデルジオメトリを作成するもうひとつの方法です。
LiveLink™ for PTC® Pro/ENGINEER®
で組み込むファイルインポート機能は、CADインポートモジュールから派生したものであり、SOLIDWORKS®形式、Inventor®形式、PTC® Pro/
ENGINEER®形式、PTC® Creo® Parametric™形式以外に、広く使用されているACIS® 形式、Parasolid®形式、STEP形式、IGES形式をサポートして
います。CATIA® V5ファイル形式のオプションサポートも利用できます。デフォルトで、インポートしたCAD設計は、COMSOL Multiphysics
では、
さらに変更や更新ができるParasolidジオメトリになります。たとえば、
インポートしたジオメトリをCOMSOL環境で描画したジオメトリ
と組み合わせて、そのジオメトリオブジェクトを分割して追加の計算領域を作成することができます。
これは、CAD設計のインポートした
ソリッドオブジェクトの周辺領域までシミュレーションを延長するときに、便利な機能です。COMSOL MultiphysicsからACIS形式とParasolid
形式でファイルをエクスポートすると、他のCADプログラムやビューアとジオメトリを共有し、
データを交換できます。
機能
・ PTC® Pro/ENGINEER®Wildfire 4.0またはWildfire 5.0バージョンのCADソフトウェアとCOMSOL Multiphysics®が同時実行しているとき
に両者間で同期するLiveLink™インタフェース
・ PTC® Pro/ENGINEER®ジオメトリとCOMSOL Multiphysics®間で3D幾何学的オブジェクト(ソリッドとサーフェス)を同期
・ 同期したジオメトリは連携性が高く、最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ 手動により、
またはパラメトリックソルバまたは最適化ソルバでPTC® Pro/ENGINEER®設計とCOMSOL Multiphysics®モデル間でパラ
メータを同期させてCOMSOL Multiphysics®ジオメトリを変更を変更
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
インタフェース
PTCおよび Pro/ENGINEERはPTC社または、
アメリカおよびその他の国々の子会社の登録商標です。
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
156
対応する形式
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
腐食軽減: ハル(船体)の印可電流カソード防食
のシミュレーション。
結果としてプロペラを被覆
したハルの電解質の電位を示します。
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
157
仕様表
インタフェース
CAD File Formats
Associative Read via Linked CAD System
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) Wildfire 4.0, 5.0; PTC® Creo®
Elements/Pro 5.0
Modify via Linked CAD System
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) Wildfire 4.0, 5.0; PTC® Creo®
Elements/Pro 5.0
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Read from File, ECAD
Read from File, Geographic Information System (GIS)
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid® Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from Parasolid®
Representation, 3D
Geometric Primitives, 2D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid® Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 2D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometry Sequences and Programming
Parts
Selections
Transforms
Virtual Operations
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
LiveLink™ Interface
General Functionality
Associative Read of 3D Geometry via Linked CAD System
Create Selections in Model Based on Material Settings in CAD File
Modify Geometry via Linked CAD System
Turn on/off Synchronization of Object Types
>Link CAD Parameters to COMSOL Model
One Window Interface
Supported CAD Systems
PTC® Pro/ENGINEER® Wildfire 4.0, 5.0; PTC® Creo® Elements/Pro 5.0
●
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●
●
●
●
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
158
●
II-6-12 LiveLink™ for Solid Edge®
～解析を通じSolid Edge®設計を加速～
LiveLink™ for Solid Edge®は、マルチフィジックスシミュレーションを3
次元製品の設計ワークフローに統合できるロバストなプラットフォーム
の一部です。
Solid Edge®は、
設計を強化し、
設計プロセスの効率を向上
させる3次元設計システムです。Solid Edgeの3次元設計をCOMSOL
Multiphysicsのシミュレーション機能と組み合わせると、物理的設計と、
実際の動作環境でどのように機能するかその両方を視覚化して最適化
できます。
ユーザの設計から作成したCOMSOLモデルには、
関連物理的
効果とその連成をどれでも組み込むことができ、シミュレーションの
正確さを保証することができます。
COMSOL MultiphysicsとLiveLink™ for Solid Edge®の組み合わせは、
インテグレーションを支え、設計評価の可能性を広げるツールとその
機能で最大限の生産性を実現します。最適化スタディ、
自動化パラメト
リックスイープ、ジオメトリ微調整技術、シミュレーションプロセス時
の設計の同時更新などの機能があります。
COMSOLモデルジオメトリは、LiveLink™ for Solid Edge®の機能を利用して対応するCAD設計で直接同期します。
ジオメトリ同期は連想的
です。
すなわち、
設計更新プロセスでモデル領域と境界の物理特性の定義が維持されます。
両方のプログラムを同時に開いて、
最適化スタディ
やパラメトリックスイープを実行しているとき、双方向更新が自動的に実行されます。
このプロセスの間、Solid Edgeに定義したCADモデル
パラメータは、最適化基準の評価またはそのスイープに指定したパラメータ値に従ってCOMSOL Multiphysicsが繰り返しアクセスして
変更します。最適化スタディのおかげで、本来は複数のCADファイルの追跡に基づいて多くのシミュレーションをセットアップしなければ
ならない重要なフィーチャの配置などの設計パラメータも簡単に検証できます。
機能
・ Solid Edge®ST6またはST7バージョンのCADソフトウェアとCOMSOL Multiphysics®が同時実行しているときに両者間で同期するLiveLink™
インタフェース
・ Solid Edge®ジオメトリとCOMSOL Multiphysics®間で3D幾何学的オブジェクト(ソリッドとサーフェス)を同期
・ 同期したジオメトリは連携性が高く、大型アセンブリを短時間で同期させるため、面、エッジ、または頂点の結合性機能は不要時には
オフに設定可能。
・ 手動により、
またはパラメトリックソルバまたは最適化ソルバでSolid Edge®設計とCOMSOL Multiphysics®モデル間でパラメータを同期
させて COMSOL Multiphysics®ジオメトリを変更を変更
・ 最も一般的なCADファイル形式のファイルインポート。対応する形式を参照のこと
・ 周囲領域での現象をモデル化するためにジオメトリをカプセル化
・ Parasolid®形式とACIS®ファイル形式にジオメトリファイルをエクスポート
・ 幾何学的不一致の特定と、面接合によるソリッドの作成を通じたジオメトリの修復
・ フィレット、微小エッジ、
スライバ、微小面、
スパイクの検出と削除によるフィーチャの削除
・ 面を手動で削除し、
その結果生じたギャップを、埋める(新しい面の作成)または塞ぐ(隣接した面の縮小または拡大)ことで修復
・ ソリッドオブジェクトから面を除去して新しいソリッドオブジェクトを作成
・ 孔や空洞をキャッピングして空間を埋め、モデリング領域を作成
・ 周囲のサーフェスを拡大または縮小して削除した面を塞ぐ
インタフェース
Solid Edge および Parasolid は、
アメリカおよびその他の国々における Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. またはその子会社の商標ま
たは登録商標です。その他の商標は、すべてそれぞれの所有者の財産です。
159
対応する形式
ファイル形式
ACIS®
AutoCAD®
AutoCAD® DXF
IGES
Inventor® assemblies
Inventor® parts
NX®
Parasolid®
PTC® Creo® Parametric™
PTC® Pro/ENGINEER®
SOLIDWORKS®
STEP
拡張子
.sat, .sab, .asat, .asab
.dwg
.dxf
.igs, .iges
.iam
.ipt
.prt
.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin
.prt, .asm
.prt, .asm
.sldprt, .sldasm
.step
バージョン
up to R25
2.5・2014
2.5・2014
up to 5.3
11, 2008・2015
6・11, 2008・2015
up to 10
up to V28
1.0・3.0
16 to Wildifire 5.0
98・2015
AP203, AP214
インポート
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
はい
エクスポート
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
はい
いいえ
いいえ
いいえ
いいえ
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
事例紹介
アルミニウム押し出しプロセスの鋳造成形に
おける流体-構造連成(FSI)。
アイソサーフェス
は、非ニュートンアルミニウム流の動的粘性
を示したものです。
インタフェース
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
160
仕様表
●
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●
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
インタフェース
CAD File Formats
Associative Read via Linked CAD System
Solid Edge® (.par, .asm) ST7, ST8
Modify via Linked CAD System
Solid Edge® (.par, .asm) ST7, ST8
Read from File, CAD
ACIS® (.sat, .sab, .asat, .asab) up to R25
AutoCAD® (.dwg) versions 2.5-2014
AutoCAD® DXF (.dxf, 3D) versions 2.5-2014
IGES (.igs, .iges) up to version 5.3
Inventor® assemblies (.iam) versions 11, 2008-2015
Inventor® parts (.ipt) versions 6-11, 2008-2015
NX® (.prt) up to version 10
Parasolid® (.x_t, .xmt_txt, .x_b, .xmt_bin) up to V28
PTC® Creo® Parametric™ (.prt, .asm) versions 1.0-3.0
PTC® Pro/ENGINEER® (.prt, .asm) versions 16 to Wildfire 5.0
SOLIDWORKS® (.sldprt, .sldasm) versions 98-2015
STEP (.step, 3D geometry only) AP203, AP214
Read from File, ECAD
Read from File, Geographic Information System (GIS)
Write to File
ACIS® (.sat, .sab) R4, R7, and R23
Parasolid® (.x_t, x_b) V28
Geometric Modeling
Booleans and Partitions
Boolean Operations using the Parasolid® Kernel
CAD Defeaturing, 3D
Delete Faces
Delete Fillets
Delete Short Edges
Delete Sliver Faces
Delete Small Faces
Delete Spikes
Detach Faces
CAD Repair, 3D
Knit to Solid
Repair
Conversions
Convert to COMSOL Native Geometry Representation from Parasolid®
Representation, 3D
Geometric Primitives, 2D
Geometric Primitives, 3D
Parasolid Based Geometric Primitives, 3D
Geometry Operations, 2D
Geometry Operations, 3D
Cap Faces
Geometry Sequences and Programming
Parts
Selections
Transforms
Virtual Operations
Geometric Modeling Kernel
Parasolid® Kernel (CAD Kernel)
LiveLink™ Interface
General Functionality
Associative Read of 3D Geometry via Linked CAD System
Create Selections in Model Based on Material Settings in CAD File
Modify Geometry via Linked CAD System
Synchronization of Curve and Point Geometric Objects
Turn on/off Associativity for Faces/Edges/Vertices
Turn on/off Synchronization of Object Types
>Link CAD Parameters to COMSOL Model
Supported CAD Systems
Solid Edge® ST7, ST8
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
161
II-6-13 File Import for CATIA® V5
CADインポートモジュールまたはデザインモジュールと併用
～CATIA® V5設計をCOMSOL Multiphysics®へ～
CADインポートモジュール、デザインモジュールへのアドオンとして
File Import for CATIA® V5を使用すると、CATIA® V5ファイルへの最高
品質データトランスレーションを提供可能です。
このアドオンは、CATIA
V5内の信用度の高いライブラリを使用して(.CATProduct)ファイルを
組み立てたり、
CATIA V5part(.CATPart)をトランスレートします。
トポロジ
を定義する境界表現(Boundary REPresentation=BREP)情報や、設計
ジオメトリは、読み取られ、CADインポートモジュールで使用される
Parasolid®フォーマットに変換されます。
CATProductファイルの構成を基に、選択構成の自動的実装が可能と
なる、選択作成/Create Selections プションを使用し、
シミュレーション
設定の貴重な時間を削減することができます。
これを使用して、材料
プロパティをドメインに指定することが可能です。インポートファイル
内のコンポーネントの名前から自動的にそれらの名前を導き出す
ことができます。
機能
・ COMSOL Multiphysics®で解析するためのCATIA® V5からのパーツおよびアセンブリファイルのインポート
・ ジオメトリサブ操作やモデル設定で利用するための、
アセンブリ構造をベースとした選択作成
対応する形式
ファイル形式
拡張子
バージョン
インポート
エクスポート
CATIA® V5
.CATPart, .CATProduct
R8-R25
はい
いいえ
CADインポートモジュールに対するFile Import for CATIA® V5アドオンを利用できるのは Windows® 7以降のみです。
事例紹介
自動車ドアのCATIA® V5ジオメトリは、
COMSOL
Desktop®にインポートされます。
仕様表
インタフェース
CAD File Formats
Read from File, CAD
CATIA® V5 (.CATPart, .CATProduct) R8-R25*
●
CATIAは、
ダッソー・システムズ（DassaultSystèmes）
もしくはダッソー・システムズの子会社のアメリカおよびその他の国における登録商標です。
Parasolidは、
アメリカおよびその他の国々における Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. またはその子会社の商標または登録商標です。
162
それ以外の全ての商標は、それぞれの所有者の資産です。
II-6-14 各モジュールの動作環境
CADインポートモジュールおよびデザインモジュール動作環境
Windows®
Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10。
Mac OS X
Linux®
Vistaはサポートされていますが一部の機能に制限のつく可能性があります。
Mac OS X 10.9 以降
NX®ファイル形式のインポートは、サポートされた Windows®または Linux®
各OS固有の動作環境のみサポート
オペレーションシステムのみ利用できます(Mac OS Xではご利用できません)。
またAutoCAD®、Inventor®、SOLIDWORKS®ファイル形式のインポートは、
サポートされた Windows®オペレーションシステムのみ利用できます(Mac
OS XおよびLinux®ではご利用できません)。
File Import for CATIA® V5
File Import for CATIA® V5はCADインポートモジュールとの併用が必要で、Windows® 7、Windows® 8、Windows® 8.1およびWindows® 10
のみ対応しています。
LiveLink™ for Excel®
LiveLink™ for Excel®はWindows上のExcel® 2007、
2010、
2013および2016のみ対応しています。
Excel® 2010 Starterはサポートしておりません。
LiveLink™ for MATLAB®
LiveLink™ for MATLAB®は全てのOSのMATLAB® R2015aおよびR2015bに対応しています。Linux系OSでは、xtermおよびcshプログラムが
必要です。
LiveLink™ Products for CAD Software
下記の表に詳細記述されているLiveLink製品の双方向インタフェース機能は、
Windows® 7、
Windows® 8、
Windows® 8.1それにWindows® 10
のみ対応です。例えばファイルインポートやジオメトリ操作などのその他の機能については、上記の「CADインポートモジュールおよび
「デザインモジュール動作環境」項目を参照ください。
対応バージョン
AutoCAD® 2015 and 2016
Inventor® 2015 and 2016
PTC® Creo® Parametric™ 2.0 and 3.0
PTC® Pro/ENGINEER® Wildfire® 4.0 and 5.0, and PTC® Creo®Elements Pro 5.0
Revit® 2015, 2016, and Revit® Arcithecture 2015, 2016
Solid Edge® ST7 and ST8
SOLIDWORKS® 2015 and 2016
ここで掲載されている商標はすべてそれぞれの所有者に帰属します。
またCOMSOL ABおよびその子会社とCOMSOL製品は、
これらの商標の所有者による
インタフェース
LiveLink™製品名
LiveLink™ for AutoCAD®
LiveLink™ for Inventor®
LiveLink™ for PTC® Creo® Parametric™
LiveLink™ for PTC® Pro/ENGINEER®
LiveLink™ for Revit®
LiveLink™ for Solid Edge®
LiveLink™ SOLIDWORKS®
提携、承認、
スポンサー、
もしくは、サポートする関係ではありません。
163
COMSOL Server
III. COMSOL Server
III-1 概要紹介
III-2 動作環境
III-3 ライセンス形態
165
III-1 概要紹介
COMSOL Server
はじめに
アプリケーションビルダで作成したアプリケーションモデルを、WEBアプリとして配信するプラットフォームがCOMSOL Serverです。
これに
よって普段CAEに慣れていないような大勢の皆様にも、CAE技術者の成果をより気軽にお使いいただけます。COMSOL Serverには主要な
WEBブラウザ(IE/Chrome/FireFox/Safari)からアクセスできるため、PC(Win/Mac/Linux)だけでなくiPad/Androidなどのタブレット端末でも
ご利用いただけます。
またCOMSOL Serverはワールドワイド配信も可能なライセンスとなっています。
ワールドワイドに配信
Model Builderによる解析モデル
※ マフラの音響解析結果の例
Application Builder機能でアプリ
ケーションモデルを作成
COMSOL Server経由で
Web配信(タブレットでも)
COMSOL Serverの概要
アプリケーションモデルを配信するためのCOMSOL Serverは、COMSOL Multiphisicsとは別のライセンスになっています。
アプリケーション
モデル配信・管理用のサーバマシンを用意していただき、
そこにインストールする必要があります。
ユーザ数は無制限で、
アカウントがあれば
COMSOL Serverにアップロードされているアプリケーションモデルの一覧をいつでも閲覧することが可能です。但し、
そこから所望のアプリ
ケーションモデルを同時に開ける人数には制限があり、その人数分のCOMSOL Serverのライセンス数が必要です。
ご購入を検討される際
には注意してください。
・ Application Builder機能は、Windows版のみの対応です
が、COMSOL ServerはLinuxやOSXにも対応しています。
・ ライセンスには、アプリケーションモデル構築時と同じ
モジュール構成が必要です。
・ COMSOL Serverでは、
解析モデルやアプリケーションモデル
の作成はできません。
・ ライセンスは購入した国内でホストする必要があります。
ワールドワイドに配信
Windows PC
166
アプリケーションモデル作成にはWindows版のCOMSOL Multiphysics
が必要です。COMSOL Serverにアップロードすることで、
ネットワーク
上のPCまたはタブレット端末で共有できます。
III-2 動作環境
・ インストール時にはネットワークカードとインターネット接続を推奨します。
・ 最低1GBメモリ以上、
しかし コア数あたり4GB以上を推奨します。
COMSOL Server
全プラットフォームで共通の動作環境
・ 1～5GBのディスク容量、
ライセンスされた製品およびインストールオプションによって容量が異なります。
・ PDF形式のCOMSOLドキュメントの閲覧と印刷に、Adobe® Acrobat® Reader 9.0以降が必要です。
COMSOL Server License (CSL)
COMSOL Serverライセンス形式はネットワークライセンス形式で、
ネットワーク上の複数の Windows®、Linux®、およびOS X オペレーション
システムで実行しているコンピュータがサポートされます。
ライセンスマネージャおよびCOMSOL Serverソフトウェアは、Windows®、Linux®、
あるいはOS Xで動作し、
また両方を1台のコンピュータで動作させることもできます。
Academic Server License (ASL)
Academic Server License の動作環境は、COMSOL Server Licenseと同一です。
オペレーションシステム動作環境
下表のオペレーションシステム動作環境に加えて、CADインポートモジュール、デザインモジュール、それに LiveLink™製品のためには
「II-6-14 各モジュールの動作環境」
をご参照ください。
いずれも64bit環境のみ対応。
Windows®
Windows® 10/ Windows® 8.1/ Windows® 8/ Windows® 7/ Windows® Vista/ Windows Server® 2012 R2/
Windows Server® 2012/ Windows Server® 2008 R2/ Windows Server® 2008/ Windows HPC Server® 2008
Linux®
R2/ Windows HPC Server® 2008
Debian® 5.0, 6.0, 7.0, 8.0
OpenSUSE® 13.2
Ubuntu® 12.04 LTS, 14.04 LTS
RedHat® Enterprise Linux®5, 6, 7
Mac OS X
(RedHat® Enterprise Linux® 5はサーバ、バッチ、
クラスタコンピューティングのみサポート)
Mac OS X 10.7, 10.8, 10.9, 10.10, 10.11
(Mac OS X 10.7以降はJava 1.7のインストールが必要)
OS由来の動作環境
いずれも64bit環境のみ対応。
Linux
GNU C Library version 2.8以降(6.0.9より前のバージョンのlibstdc++をお使いの場合、-forcegccオプションを
つけたcomsol起動が必要となる場合があります)
Linux® kernel 2.6.18以降Intel® Pentium® IVまたはAMD Athlon® XPプロセッサ以降FLEXnetにはLinux Standard
Base (LSB)が必要です。
167
並列化動作環境
COMSOL Server
共有メモリ型並列
(Shared-memoryParallelism)
分散メモリ型並列(DistributedmemoryParallelism) … クラスタ並列など
Windows®
Mac OS X
Linux®
全てのサポートされたWindows® 全てのサポートされたMac OS X 全てのサポートされた Linux ディストリビュー
ション
Windows Server® 2012R2
サポートしていません
RedHat® Enterprise Linux® 5 and 6
Windows Server® 2012
Debian® 6
Windows HPC Server® 2008R2
Ubuntu® 12.04
Windows HPC Server® 2008
クラスタ中の全てのコンピュータは同一Linux
バージョンを使わなければならず、良く似た
ハードウェアを使った方が良いでしょう。
OpenFabrics Enterprise Distribution (OFED)
1.4以上のインストールを推奨します。RDMA
対応ネットワーク機器をご使用の場合は、
DAPL
1.2以上のバージョンの適切なドライバまたは
ライブラリが必要です。そのソフトウェアは
通常、ハードウェアと一緒に提供されます。
グラフィックス動作環境
COMSOL Serverはグラフィックスレンダリング不要です。COMSOL Serverのwebインタフェースを使うには、Windows用のCOMSOL Client
を利用するかまたは、推奨されたwebブラウザを使います。Running COMSOL Applications項目を参照してください。COMSOL Serverは
バッチモードでも利用できますが、
その際もグラフィックスレンダリング不要です。
168
III-3 ライセンス形態
COMSOL Server License (CSL)
COMSOL Server
COMSOL Server™は、従来のCOMSOL Multiphysics®のライセンスとは独立したCSLライセンス、
またはASLライセンスが必要です。
同時実行ユーザ数ごとにライセンスが発行されます。各ユーザは一度に4つのセッションを実行することができます。本CSLライセンスでは、
アプリケーション・ビルダで構築されたアプリケーションを実行することができます。本CSLライセンスでは組織内にCOMSOL Serverを
ホストしたりアプリケーションを実行することが許可されているだけでなく、
またワールドワイドで組織外の人々にもユーザスロットを時間
貸しすることができます。その際アプリケーションは、様々なOS上の主要なWebブラウザや、Windows用COMSOL Clientを介してアクセス
することができます。詳細な要件については、動作環境を参照してください。
Academic Server License (ASL)
1ライセンスで 300名の同時実行ユーザが使用でき、
さらに各ユーザは一度に4つのセッションを実行することができます。本ASLライセンス
では、
アプリケーション・ビルダで構築されたアプリケーションを実行することができます。本ASLライセンスではワールドワイドでCOMSOL
Serverをホストし、学生、教員、および教育機関の職員がアプリケーションを実行したり、
または他の学術機関の関係者がアプリケーション
を実行することが許可されています。
完全なライセンス事項については、COMSOL License Agreementをご参照ください。
https://www.comsol.jp/sla/
169
KESCOが提供する有限要素法マルチフィジックス解析ソフト
COMSOL総合カタログ
2016年 3月 1日 初版発行(Version 5.2)
2016年 5月16日 第2版発行(Version 5.2)
2016年 5月25日 第3版発行(Version 5.2)
2016年 11月 7日 第4版発行(Version 5.2)
著作発行: 計測エンジニアリングシステム株式会社
Printed in Japan
ソフトウエアはライセンスの同意条項のもとでのみ使用またはバックアップが許可されます。
本書の一部または全部を著作権法の定める範囲を越え、無断で複写、複製、転載することを禁じます。
計測エンジニアリングシステム株式会社
〒101-0047
東京都千代田区内神田1-9-5
井門内神田ビル 4F
FAX: 03-5282-0808
TEL: 03-5282-7040
URL: http://www.kesco.co.jp
E-mail: [email protected]

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第6章 管内流れの基礎と流体摩擦損失

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A Report on the Flow Analysis XI in Mallorca Island

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建築 CAD（スケッチアップ）（3 次元）

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マルチモードファイバチャネルの アイパターンによる伝送特性

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書評「数学はいつも苦手だった」 数学通信2005年8月号 (PDF FILE)

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