Comsol Introduction

Eine erste Einführung in Comsol Multiphysics

1. Comsol Multiphysics starten

2. Leeres Modell erstellen

3. 2D Auswählen

4. Geometrie durch Zeichnen erstellen

5. Material auswählen

6. Gleichung auswählen

7. Definition von Randbedingungen

8. Finite-Elemente-Netz erzeugen

9. Berechnung starten

10. Darstellung der Ergebnisse

11. Einen Bericht erzeugen

Zum Weiterdenken



In den PC-Pools in RAM-2119 und KKB-2097 steht Ihnen Comsol in verschiedenen Versionen zur Verfügung (3.5a, 4.3, 4.4). In Rahmen dieser Einführung ist gibt es keinen wesentlichen Unterschied in der Funktionalität zwischen Comsol 3.5a und 4.4. Der sichtbare Unterschied ist lediglich das Benutzerinterface: Comsol 4.4 verwendet das "modernere" Menüband-Design, während Comsol 3.5a ein klassisches Design verwendet.

Zur Geschichte von Comsol Multiphysics. Comsol Multiphysics hat ursprünglich als eine Erweiterung von Matlab begonnen und war daher eng mit Matlab verflochten. So lagen die Modelle zu Beginn sogar als Matlab-Code vor. Die Verflechtung mit Matlab wurde jedoch in späteren Version leider immer weiter gelöst.

Heute sind die Funktionen und Modelle in Comsol nicht mehr als Quelltext zugänglich. Nur die Datenstrukturen aus Comsol können weiterhin in ein parallel laufendes Matlab per LiveLink exportiert werden. Dafür ist das graphische Benutzerinterface immer besser geworden.



1. Comsol Multiphysics starten

Comsol Multiphysics 4.4 starten Sie in KKB-2097 oder RAM-2119, indem Sie Comsol im Startmenü eingeben und die passende Version auswählen:



Es soll die Wärmeleitungsgleichung in 2D gelöst werden. Es folgt die Beschreibung jedes Schrittes.

2. Leeres Modell erstellen

Es gibt viele vordefinierte Modelle. Wir starten jedoch mit einem leeren Modell; dazu klicken Sie nach dem Start auf "leeres Modell":


Solange Sie mit Comsol noch nicht vertraut sind, kann es hilfreich sein, die Hilfe rechts im Fenster staendig eingeblendet zu lassen. Das erreichen Sie durch Klick auf das kleine "?" oben rechts.



3. 2D Auswählen

Nun müssen dem Modell im "Model Builder" die notwendigen Komponenten hinzugefügt werden. Wir entscheiden uns im Menüband "Home" unter "Komponenten hinzufügen" für die "2D"-Komponente:



4. Geometrie durch Zeichnen erstellen

Die 2D-Geometrie kann nun auf viele verschiedene Weisen erstellt werden: Durch Angabe von Koordinaten, durch Import oder durch Freihandzeichnen. Wir entscheiden uns für das Zeichnen. Wählen Sie dazu im "Geometrie"-Menüband den Knopf "Zeichne Linie" und zeichnen Sie mit Linksklicks ein Rechteck oder Quadrat. Der Polygonzug wird abgeschlossen mit einem Rechtsklick:

Sie können auch krummlinige Geometrie erzeugen, indem Sie stückweise quadratische oder kubische Polynome als Berandung auswählen. Auch Kreise, Quadrate, Rechtecke, etc. können Sie im Geometrie-Menüband auswählen.



5. Material auswählen

Nun wird mit Rechtsklick im Model-Builder mit "Material hinzufügen" ein Material für die Geometrie ausgewählt (Bemerkung: alternativ zum Rechtsklick im Model-Builder können Sie stets auch die entsprechenden Menübänder verwenden).


Im Unterfenster reichts wählen Sie nun z.B. "Kupfer" aus (Silber gibt es nicht) und wählen oben "Zur Komponente hinzufügen".

Der Materialknoten erscheint nun ebenfalls im Modell-Baum.



6. Gleichung auswählen

Nun benötigen wir noch eine Gleichung, die gelöst werden soll. Dazu klicken Sie wieder im Model-Builder mit der rechten Maustaste und wählen "Physik hinzufügen". Alternativ verwenden Sie den entsprechenden Knopf im "Physik"-Menüband.


Klicken Sie nun im Unterfenster rechts auf "Wärmetransport in Feststoffen" und wählen damit die (statische oder zeitabhängige) Wärmeleitungsgleichung aus.



7. Definition von Randbedingungen

Wir werden nun Dirichlet-Randwerte definieren. Klicken Sie im Model-Builder mit rechts auf den neuen Knoten "Wärmetransport in Feststoffen" und wählen Sie "Temperator" aus.


Durch Klick auf die obene Kante wird diese für die Temperatur-Dirichlet-Randbedingung ausgewählt. Im entsprechenden Feld tragen Sie die Temperatur in Kelvin ein.


Geben Sie auf gleiche Weise an der unteren Kante eine (andere) Temperatur vor.

Die Seiten links und rechts sind standardmäßig mit isolierenden Randbedingungen versehen.



8. Finite-Elemente-Netz erzeugen

Anschließend muss dem Model ein Netz hinzugefügt werden. Wir wählen ein Dreiecksnetz aus.

Nun wird das Netz mit Rechtsklick und Auswahl von "Netz erzeugen" erzeugt. Alternativ zum Rechtsklick stehen alle Operationen auch im Menüband Netz zur Verfügung.



9. Berechnung starten

Vor dem Start der Berechnung muss noch entschieden werden, ob die zeitabhängige oder statische Wärmeleitungsgleichung betrachtet werden soll.

Klicken Sie dazu mit rechts in den Model Builder und wählen Studie hinzufügen.


Im Unterfenster rechts wählen Sie "Stationär" aus.


Die Berechnung starten Sie nun mit Rechtsklick im Model-Builder auf "Studie 1".


Alternativ zum Rechtsklick können Sie im Menü auf das große Gleichheitszeichen "=" klicken.

Die Berechnung startet nun unter Verwendung des Standardlösers (direkter Löser)




10. Darstellung der Ergebnisse

Im mittleren Unterfenster erscheint nun die Temperaturverteilung. Der 2D-Farbplot ist eingestellt, diverse andere Darstellung stehen aber ebenfalls zur Verfügung.


Durch Klick auf Positionen in der Geometrie kann die Temperatur abgefragt werden. Sie erscheint mit den Koordinaten unterhalb der Geometrie.



11. Einen Bericht erzeugen

Die Ergebnisse der Rechnung, zusammen mit den Details des Modells, können in einem Bericht zusammengefasst werden. Erzeugen Sie einen detaillierten HTML-Bericht durch Klick auf "Schreiben" im Berichts-Menüband.






Zum Weiterdenken

Es gibt auch sogenannte "Mathematische Module", die die übliche Nomenklatur der Mathematik verwenden:



Sie können sich auch das fertige Modul zur Wärmeleitungsgleichung anschauen.



Schauen Sie sich anschließend auch das fertige Modul zur effektiven Wärmeleitfähigkeit bei Vorliegen einer Mikrostruktur an.