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

　　COMSOL Multiphysics與MATLAB的接口

　　COMSOL Multiphysics提供了與MATLAB的完美接口LiveLink for MATLAB。在這種整體環(huán)境下，用戶可以像在MATLAB中那樣保存和運(yùn)行文件，這樣就給用戶提供了一種可以使用別的建模方法自由地對基于模型的偏微分方程、模擬運(yùn)算和結(jié)果分析進(jìn)行整合的方便。

　　圖1 運(yùn)行COMSOL with MALTAB模式，不但可以讓COMSOL Multiphysics調(diào)用

　　MALTAB內(nèi)核及其包含的所有工具箱，更能夠使用命令行的形式操作物理模型。

　　COMSOL Multiphysics與MTDATA的接口

　　由于COMSOL Multiphysics與MATLAB的無縫連接，任何一個COMSOL Multiphysics創(chuàng)建的模型(.mph文件)都可以保存為MATLAB m文件，并在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行。所以MATLAB與MTDATA的接口可以應(yīng)用于COMSOL Multiphysics中。需要注意的是COMSOL Multiphysics模型在調(diào)用MTDATA DLL中的函數(shù)和子程序時，只需要被載入(load)一次。如果MTDATA DLL已經(jīng)被載入內(nèi)存中，而再次重復(fù)載入的話就會提示鏈接錯誤【1】。

　　圖2 COMSOL Multiphysics與MTDATA、MATLAB三種軟件之間的鏈接機(jī)制示意圖【1】

　　集成材料與工藝仿真平臺的典型應(yīng)用

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

　　圖3 在MATLAB與COMSOL Multiphysics中創(chuàng)建的幾何模型和網(wǎng)格【1】

　　擴(kuò)散方程通過COMSOL Multiphysics中的PDE模式的一般形式(General From)進(jìn)行定義和求解。化學(xué)勢與摩爾體積利用MATLAB與MTDATA的接口進(jìn)行計算，從而求解動力學(xué)過程圖。

　　圖4 浸焊過程中，銅溶解動力學(xué)過程仿真結(jié)果【2】

　　圖5 焊料組分和尺寸效應(yīng)對銅焊點(diǎn)溶解的影響【2】

　　圖6 利用COMSOL Multiphysics模擬的材料晶體生長過程【3】

　　圖7 界面微結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果【3】

　　圖8 相場晶體模型模擬結(jié)果【3】

　　COMSOL Multiphysics靈活的API

　　COMSOL Multiphysics提供了靈活應(yīng)用程序外部接口，能與多種第三方軟件的進(jìn)行對接，可以應(yīng)用于從幾何模型創(chuàng)建到多物理場求解等多個過程。在與其他軟件的交互方面，COMSOL Multiphysics的API為用戶提供了豐富的函數(shù)和方法。在此基礎(chǔ)上，用戶可以靈活創(chuàng)建自己幾何模型、自定義方程等。用戶通過COMSOL Multiphysics提供的API可以使用軟件中全部特性和參數(shù)的接口，黃教授說，“COMSOL提供一個靈活的、通用的模擬與仿真平臺，如果用戶加以適當(dāng)?shù)拈_發(fā)，COMSOL Multiphysics可以應(yīng)用于材料科學(xué)的很多計算領(lǐng)域中”。

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