模型開發器的案例
流體有限元求解器開發-SUPG迎風格式與SA湍流模型
關鍵詞：CFD，有限元，對流項，繞流，迎風格式，湍流模型
在《流體有限元求解器開發-不可壓定常流動模型》一文中，我們介紹了考慮對流項的不可壓流動求解器的實現。
然而正如所預料的那樣，一旦流速高一些，或者粘性小一些，仿真結果就容易發散，收斂性成為一大難題。
為了解決這個問題，CFD大神們想出了各種手段，有的嚴格按照理論去處理盡力彌合。有的則主打靈感修正，問就是人工粘性、人工擴散、人工穩定，實用至上。
SUPG（Streamline Upwind/Petrov-Galerkin，流線迎風/Petrov-Galerkin）迎風格式是計算流體力學和有限元方法中一種經典的穩定化技術，專門用于解決對流主導問題中的數值振蕩問題。
該方法是79年到82年Brooks 和 Hughes提出并確立的，目前廣泛用于流體有限元求解中。
Hughes T J R
SUPG的核心思想
我們前面文章介紹的伽遼金法，在推導過程中，令權函數=插值函數。在對流主導情況下，這種對稱處理無法捕捉流動的方向性特征，因此迭代過程中，速度場逐漸發散。
SUPG的核心思想，是修改權函數，引入迎風效應。增加的項一個只在流線方向上起作用的項。我的理解是人工給一個收斂的方向。
當這個項用的系數大，抹平振蕩的能力就越強，當然結果也可能偏離實際更多。用的系數小，就可能會發散。
在這個基礎上，我們進一步嵌入了SA湍流模型，這是因為高雷諾數流動求解中發現，上述方法收斂性還是差。SA湍流的引入，可以將N-S方程的擴散項系數增大，對流主導問題的病態程度降低，迭代求解更容易收斂。和無腦增加迎風項系數強制收斂比，這種方法得到的結果精度要好一些。
效果
圓柱繞流
設定圓柱半徑為0.05m，流體介質為空氣，來流速度100m/s。
展開 入門指紋支付和指紋解鎖，從學會COMSOL計算目標體電容開始！
現在向大家介紹一下COMSOLMultiphysics對電容邊緣場效應建模仿真的步驟：
01 新建模型向導
從文件菜單中選擇新建。在新建窗口中，單擊模型向導。在模型向導窗口中， 單擊三維。在選擇物理場樹中選擇 AC/DC>靜電(es)。單擊添加。單擊研究。在選擇研究樹中選擇預設研究，點擊穩態。單擊完成。
圖1 選擇物理場并選擇穩態
02 全局定義
首先設置參數，在模型開發器窗口的全局定義節點下，單擊參數。在參數的設置窗口中，定位到參數欄。在表達式一欄中填入“15[cm]”。
圖2 全局定義參數設置
03 繪制幾何形狀
該模型包括的幾何形狀包括圓柱體和球體，需要分別繪制。首先，在模型開發器窗口的組件 1 (comp1) 節點下，單擊幾何 1。在幾何的設置窗口中，定位到單位欄。從長度單位列表中選擇cm。
然后我們來繪制圓柱體：在幾何工具欄中單擊圓柱體。在圓柱體的設置窗口中， 定位到大小和形狀欄。在半徑文本框中鍵入“10”。在高度文本框中鍵入 “0.5”。定位到位置欄。在 z 文本框中鍵入“-2”。單擊構建選定對象。在幾何工具欄中單擊變換，然后選擇鏡像。選擇“對象”cyl1。在鏡像的設置窗口中， 定位到輸入欄。選中保留輸入對象復選框。單擊構建選定對象。
接下來繪制球體：在幾何工具欄中單擊球體。在球體的設置窗口中，定位到大小欄。在半徑文本框中鍵入“r air”。單擊構建選定對象。在圖形工具欄中單擊線框渲染按鈕。在圖形工具欄中單擊縮放到窗口大小按鈕。為外部邊界創建選擇，稍后將用于懸浮電位邊界條件。在定義工具欄中單擊顯式。
還要定義邊界條件：在顯式的設置窗口中，在標簽文本框中鍵入“外部邊界”。定位到輸入實體欄，選中所有域復選框。
展開 模擬仿真助力4D打印技術
在模型開發器窗口的組件 1 (comp1)>固體力學（solid）>超彈性材料（1）節點下，選擇熱膨脹1。在熱膨脹的設置窗口中定位到熱膨脹屬性欄，將輸入類型改為熱應變，如圖10.
圖11 熱膨脹屬性
05 劃分網絡
在模型開發器>組件1欄中，左鍵單擊網格 1。在設置窗口中點擊全部構建。
圖 12 網絡構建
06 研究
點模型開發器>研究1欄，在設置窗口點計算。
COMSOL 發布 5.4 版本和兩款全新產品，為用戶帶來更強大的建模功能
COMSOL Multiphysics 及附加產品的功能改進與性能提升
COMSOL Multiphysics 5.4 版本在多個方面大幅提升了建模效率，例如在模型中可以使用多個參數集，并對它們進行參數化掃描。此外，用戶在新版本中可以對“模型開發器”中的節點進行分組、對幾何模型設計著色方案。
在新版本的各項性能改進中，特別值得一提的是新版本采用了新的內存分配機制，對于使用 Windows? 7 和 10 操作系統、采用 8 核以上處理器的計算機，計算速度將提升數倍。
“AC/DC 模塊” 新增了一個零件庫，庫中包含完全參數化、可以快速生成的線圈和磁芯等零件，供用戶直接選用。“CFD 模塊” 提供大渦模擬（LES）和全面改進的多相流建模工具。
鋼制掛鉤的拓撲優化，仿真根據不同的載荷工況，確定相應的最佳材料分布。
5.4 版本的亮點
COMSOL Compiler：創建獨立的可執行 App。
復合材料模塊：對多層材料建模。
COMSOL Multiphysics：“模型開發器” 可以設置多個參數節點；將 “模型開發器” 中的節點分組管理；為物理場和幾何選擇添加著色。對于搭載 8 核以上處理器的計算機，Windows? 7 和 10 操作系統中的模型求解速度可提升數倍。
多物理場：多層薄結構中的傳熱、電流和焦耳熱耦合分析。
電磁學：易于使用的參數化線圈和磁芯零件，以及用于射線光學的結構-熱-光學性能分析。
力學：沖擊響應譜分析，以及用于增材制造的材料活化。
聲學：聲學端口，以及非線性聲學 Westervelt 模型。
流體流動：大渦模擬（LES），以及多相流與多體動力學的流-固耦合（FSI）。
展開 
全新發布 | COMSOL 6.0版本: 新增"模型管理器"和"不確定性量化模塊"
COMSOL首席執行官兼總裁Svante Littmarck表示，“現在，我們為用戶提供了更加完善的仿真解決方案：開發仿真模型和 App 的主要工具，模型開發器和 App 開發器；以及模型和仿真數據的管理工具，模型管理器。這些工具結合在一起，將促進工程部門內、跨部門、跨企業甚至跨國家的協作，更有效的發揮組織的創新能力，提升企業和研究機構的產品設計和工藝開發的效率。
為了支持跨企業協作，COMSOL的網絡浮動許可證允許用戶從組織內外的任意地點訪問模型管理器。對于其他類型的許可證，軟件同樣提供了本地安裝的模型管理器，為本地用戶提供了結構化存儲和管理仿真文件、版本更新，以及追蹤更新等便捷功能。
不確定性量化模塊增強了敏感和可靠性分析能力
模型管理器擴展了COMSOL在工程設計和開發領域的應用范圍，而不確定性量化模塊使其能夠生成更加完整、準確且實用的多物理場模型。
基于概率設計法，用戶可以通過可靠性分析估算制造公差如何影響最終產品的預期性能，以避免對設備或工藝過程的過度設計或設計不足。
參數篩選和敏感性分析揭示了哪些參數比其他參數更為重要，可以用于測試模型的基本假設是否有效，而誤差傳遞可以用來預估輸出量的概率分布。
圖|不確定性量化模塊揭示了輸入參數的變化對仿真結果的影響
“不確定性量化模塊的一個優勢是，它可以與COMSOL Multiphysics中的所有物理場仿真結合使用。” COMSOL數值分析技術總監Jacob Ystr?m介紹道，“該模塊不僅適用于結構分析，還可以對聲學、流體、電磁以及多物理場耦合問題進行類似分析，其應用范圍非常廣泛。”
展開 【風能模型】風能模型的發展及 CFD 在風資源開發利用中的應用
Murakami 等基于 CWE 發展了局地風場預報系統進行風電場選址，用新的線性 k-ε 湍流模型和冠層模型精確預測局地風能分布，對二維山脊、山地以及草地下墊面的起伏地形的預測結果比 WAsP 好。
使用 CFD 模擬復雜地形大氣流動通常非常耗時。對于目前的處理器，只有使用并行計算才足以使用 CFD 進行風場預測，即代碼運行速度比真實天氣演變更快。Castro 等用并行版本的 VENTOS CFD，成功進行了風電場風功率預報，并與中尺度模式結合，形成短期預測工具，對位于葡萄牙北部門多羅/布斯塔維德風電場進行模擬，顯示了并行效率對預測的影響。
參考文獻：程雪玲. 風能模型的發展及CFD在風資源開發利用中的應用[J]. 空氣動力學學報, 2023, 41(6): 1-15.
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展開 使用 COMSOL 進行等離子體化學仿真
圖4 模型開發器顯示了用戶定義的氬氣和氧氣混合物的等離子體化學物質的功能。
數據來源
如果沒有等離子體化學和相關數據，也可能很難獲得。需要大量的文獻研究，在許多情況下也需要大量的猜測工作。在這里，我們重點介紹可用于查找與等離子體化學相關的數據的參考文獻。例如，參考文獻6介紹了如何開發等離子體化學。作者還提供了等離子體化學數據的其他參考資料，并討論了如何估算數據。參考文獻2 和參考文獻3是關于等離子體物理和等離子體化學的教科書，并提供等離子體化學數據。參考文獻5包含將離子遷移率用作電場函數的示例。為了獲得電子碰撞反應，我們建議使用 LXCat 數據庫。
獲得完整的等離子體化學的最簡單方法是找到一篇已經完成的論文。參考文獻7和參考文獻8中提供了這方面的一個例子，作者分別介紹并討論了氬氧混合物和氯等離子體的等離子體化學成分。作者使用全局模型來研究化學物質，并使用實驗結果進行驗證。
開發等離子體化學的工作流程
等離子體化學通常用于對等離子體反應器進行建模。但是，最好將等離子體化學的制備與反應器模型的創建分開。設置反應器模型時，建議使用簡單的等離子體化學（如下面示例1 部分中的化學成分）以避免與等離子體化學相關的問題。這樣做將使你能夠專注于仿真的其他方面，例如：
研究激勵源如何與系統耦合
尋找優質網格
設置與其他流體流動和傳熱接口的耦合
尋找適當的邊界條件
確定求解器策略
在準備等離子體化學時，第一步是獲得一組電子碰撞反應，對于反應器的運行條件，使用玻爾茲曼方程，兩項近似 接口計算電子傳輸參數和源項。
展開 Hypermesh二次開發之定位導入模型 ￥5
如下圖為導入半球模型后，半球與鈑金的相對位置。
移動半球后還需要注意半球與鈑金模型是否存在模型干涉問題。鈑金模型通常以shell單元創建，需要賦予一定厚度，所以還需要調節半球和鈑金一定厚度方向上的距離才是半球模型正確的位置。
模型導入及定位等功能的二次開發
通過上述的操作介紹，相比小伙伴們都會如何操作了，但快速的實現模型導入及定位可以通過二次開發予以實現，并且可以增加很多需要的功能，如材料的賦予，工況、輸出的創建等。
在我們導入半球模型前只需要將計算模型單元質量檢查過關，命名恰當即可使用二次開發腳本導入半球模型。
具體操作模型和二次開發腳本均附在文末，僅供學習使用，需要的同學可以進行獲取。
展開 基于Runge-Kutta算法的硬化土模型二次開發
摘 要：硬化土模型在描述軟土和較硬土的變形特性上有較好的表現，文章結合有限元軟件ABAQUS中的UMAT二次開發平臺，編寫了硬化土本構模型子程序，提高了硬化土模型的泛用性，并提出了通過NewtonRapson迭代、Runge-Kutta迭代等數值方法求解任意應變增量對應的應力增量，最后通過室內三軸壓縮試驗數據驗證了程序的正確性和合理性。
關鍵詞：硬化土模型;應力更新算法;ABAQUS;二次開發;
隨著現代巖土工程的發展，工程建設中遇到的問題逐漸從簡單的穩定性分析轉變為較精細的變形分析，能否精準地進行變形分析通常取決于計算使用的本構模型[1]。由于巖土體復雜，盡管目前已提出了上百種本構模型，但大多數模型僅能反映特定土體在特定情況下的力學行為，因此存在一定的局限性。巖土工程常用的Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型為理想彈塑性本構模型，MCC模型為硬化彈塑性模型，難以同時反映土體的剪切硬化和壓縮硬化，采用Mohr-Coulomb強度理論作為屈服準則，從Vermeer雙硬化模型發展而來的硬化土（HS）本構模型[2]作為一種雙屈服面硬化彈塑性本構模型，在描述軟土和較硬土的變形特性上有較好的表現[3]。
目前，除了PLAXIS、ZSoil等少數有限元軟件已嵌入HS模型，其他軟件使用該本構仍需自行開發編寫相關程序。ABAQUS軟件在求解巖土等非線性問題上有突出的優勢，有能為用戶提供編寫自定義本構模型的二次開發平臺。徐遠杰等[4]將Duncan-Chang本構模型成功編成了UMAT子程序，岑威鈞和朱岳明[5]推導了平面應變條件下UMAT子程序所需的彈塑性剛度矩陣，為后續學者開發UMAT子程序提供了支撐，使許多本構模型被廣泛應用于巖土工程數值模擬中。因此，為有效地擴展HS模型的應用范圍，可選用ABAQUS作為HS模型的開發平臺。
展開 【11月11日-13日 黃山】SWAT模型-水循環模型的開發與應用培訓班
SWAT模型-水循環模型的開發與應用培訓班
培訓背景
受全球環境變化和經濟快速發展的影響，我國水短缺、水污染、水生態、水災害、水管理五方面問題復雜交叉，直接涉及國家多方面的安全，是一個復雜的水系統問題。解決上述水問題的核心是水循環基礎研究，需要深入研究以流域水循環為紐帶的水系統各部分的聯系與反饋機制，以多要素、多過程、多尺度流域水循環綜合模擬為核心技術支撐，探討良性水循環維持的途徑。因此，在當前全過程、多要素的現代水資源綜合管理中，流域水循環模型是一個關鍵的核心支撐技術。流域水循環模型很多，其中SWAT是一類比較典型的分布式模型，在水資源、水利工程和相關學科的研究、規劃和生產之中，其開發和應用具有廣闊的前景。應廣大水利技術工作者的要求，北京中技培咨詢服務中心特舉辦“SWAT模型-水循環模型的開發與應用技術培訓”，相關具體事宜通知如下：
時間地點:
2018年11月11日-13日 地點 ： 安徽 黃山
（時間安排：第一天報到、授課三天）
培訓對象
各省市、自治區從事水資源研究、水資源規劃、農業節水規劃、農田水利研究、
區域生態環境研究與規劃的專業技術人員，各高校及科研院所研究生。
培訓目標
提高SWAT模型在流域綜合管理中的開發與應用水平；
提高水利、環保研究中流域水循環模擬技術的應用水平。
培訓方式
1、課程講座； 2、上機操作；3、專題小組研討與案例講解分析結合。
培訓費用
費用：3900元（報名費、培訓費、資料費、午餐費、證書費等）食宿可統一安排，費用自理。
展開 使用 COMSOL 模擬量子力學中的隧穿現象
此模型幾何是一個簡單的矩形（見 Ref. 1 中的圖 2b），電場線和隧穿邊界坐標簡單地表示為 x 和 y。不過為了進行演示，我們仍然在此模型中使用曲線坐標 接口。如下方截圖所示，我們在“模型開發器”中創建了兩個包含擴散方法 選項的曲線坐標 接口，一個用于電場線，另一個用于隧穿邊界。
入口邊界的設置窗口。
將入口和出口邊界置于在勢壘域的另一側，這樣可以使解沿期望坐標發生變化。兩個曲線坐標接口的解如下圖所示。
兩個曲線坐標 接口的解。垂直等值線是電場線的坐標，水平等值線是隧穿邊界的坐標。
在此示例中，域 2 恰好覆蓋了感興趣區域，順勢對勢壘進行線積分。通常情況下，我們可以使用幾何內的不同邊界來定義感興趣區域，這些邊界可能與材料邊界重合，也可能不重合。
對于任意幾何，曲線坐標 接口的解也許與電場線坐標不完全重合。不過，它為我們提供了良好的近似，并省去了通過數值方式搜索場線的麻煩。
上圖中的解可用于定義 WKB 隧穿特征的坐標變量。下方截圖顯示了變量定義，前文截圖顯示了 WKB 特征的設置。
設置窗口顯示隧穿變量的定義。
模擬隧穿效應的其他物理場設置
由于隧穿效應對勢壘的形狀高度敏感，所以我們改用有限元準費米能級公式。考慮到因變量在每個網格單元內均為常數，所以缺省的有限體積公式需要更加精細的網格。
我們在模型樹中建立兩個異質結邊界條件，借此計算與比較包含與不包含隧穿效應的結果。
求解漸變異質結模型
該模型分階段進行求解。“研究 1”計算了無隧穿效應的情況。因為曲線坐標在整個模型中不變，所以“研究 2”僅進行一次求解。
“研究 3”求解了包含隧穿效應的情況，而且只包含半導體物理場。為了提供良好的初始條件，我們使求解變量的初始值 指向“研究 1”的解。
展開 
集成安全帶系統模型開發 ￥200
目的是開發一個 FE 模型，該模型代表最近型號乘用車的帶有集成安全帶的座椅。有限元模型是使用 LS-DYNA 軟件開發的，并使用適當的 ATD 模型進行動態碰撞模擬。 進行了靜態測試以評估座椅變形和潛在的失效機制，以評估高強度前后碰撞碰撞中的乘員運動學和傷害。 所有測試數據，連同座椅拆卸測量和組件測試。
附件為
數值模型與實體結構：
乘員運動學和傷害分析：
GTN模型在abaqus的二次開發
現在比較疑惑的地方在于GTN本身是個損傷模型，但它會導致屈服函數的改變，如果材料的應力應變關系用相關流動應力模型表示，如Hansel-Spittel高溫本構模型，這兩個模型會不會沖突？個人感覺應該不會，因為在abaqus設置多孔材料（porous metal plasticity）那里（就是GTN模型）設置完參數后也需要提供塑性應變和應力。那是否在二次開發（VUMAT和umat）中除了GTN模型，還需要提供相關的流動應力模型？按照這個思路我編寫了一個含有GTN和Hansel-Spittel高溫本構模型的vumat子程序，由于umat需要提供剛度矩陣看了相關論文還是不知道怎么整，編到最后放棄了。子程序大致思路按照論文《GTN模型的算法研究、程序開發及試驗驗證》編寫。最后做出來也不知道對不對，想請各位大神來教教我提供點意見，這啥都不懂一接手就高難度還沒教程太難了......
GTN VUMAT.rar
百度網盤鏈接：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1_AK23HgpzhkJusf7h_Escg
提取碼：1234
一起學習，共同進步。。。
展開 lsdyna材料本構模型二次開發經驗分享（umat41）
二、lsdyna二次開發前期儲備
2.1 軟件安裝（最基本最簡單）
（1）必須擁有對應版本的ls-dynalib文件包。需要根據不同的系統平臺（32位/64位、SMP/MPP）、版本（971R5.1.1/R711/R8.0.0）得到對應的lib包。
（2）裝IFC之前需要先裝MVS
（3）有lstc授權文件，即ls‐dyna求解器可求解。
下面是版本對應關系：
2.2 力學知識儲備（最難）
因為做lsdyna本構模型二次開發和直接使用內置本構進行計算難易程度差距很大，采用內置本構進行計算不用過多了解本構底層邏輯。而二次開發自己的本構需要對整套本構的內在邏輯有很好的理解，包括基本的應力應變關系、應力偏量、靜水應力、應變率、應力不變量、應力偏量不變量等等。如果有做二次開發的打算，建議提早學習一下以上知識點，可以查閱相關書籍，個人建議如果想速成可以在B站上去學習，有一位女老師講的線上網課非常受用。
2.3 Fortran語言基礎（相對較容易）
二次開發對于編程的要求是很低的，只需要掌握最基本的即可。比如用到最多的條件語句里的比較：gt為大于、le為小于等于、ge為大于等于。其他的也都和上邊這些最基本的一樣，在具備以上兩點之后可以在lsdyna手冊里看一下具體代碼，先讀一遍，主要是學習套路和編程語言。
如果以上三點你都基本具備了，那么就可以自己嘗試去根據推導的本構去編一下umat代碼了。
如果umat代碼寫完了，那么恭喜你，可以進入下一道難關了：編譯生成求解器。如果你是初學者，那么寫完之后的代碼肯定會錯誤百出，不過不要慌，這很好解決。因為在編譯的時候如果你的語法有錯誤，他都會提示的，在vs里打開行號就可以清晰地看到具體哪一行出錯了，fortran語法以及umat書寫格式問題就可以通過一次次改錯而解決掉了。
展開 MBSE實踐之基于模型的軟件開發
另外，如下圖所示， Capital Software Designer（CSD）能夠與Polarion集成，進行基于模型的軟件需求分析、軟件架構設計、軟件的單元測試和集成測試以及系統級別的驗證等。
圖- 6 基于Polarion和Capital Software的軟件開發測試驗證流程
國內外眾多的主機廠的實踐表明，基于模型的軟件開發能夠滿足軟件的一系列要求，包括實時響應、分布式功能開發、滿足標準特性競爭需要、軟件的確認和驗證、軟硬件的整合等，進而能夠給主機廠帶來極大的收益，包括縮短時間、減少成本、提高質量、增強協同、滿足合規、大大提高軟件生產力等。
圖- 7 基于模型的軟件開發滿足不同的軟件開發要求
文章來源Teamcenter黑帶
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