MATLAB.Exponenta
MATLAB и Simulink на русском
Технологии разработки и отладки
		сложных технических систем

Femlab

Система конечноэлементных расчётов FEMLAB 3.x. Документация.

2. Быстрое начало

2.1. Введение

Добро пожаловать В FEMLAB! Цель этого Быстрого Начала состоит в том, чтобы помочь Вам начать знакомство с преимуществами этой современной версии пакета программ. Здесь приведён пример, показывающий общую технологию моделирования в FEMLAB. Подробности раскрыты в документации, перечень которой дан в п. 2.1.1. Можно также пользоваться справочной системой по пакету FEMLAB.

2.1.1. Состав документации

Полная документация состоит из следующих больших разделов:

  • Руководство по инсталляции - здесь рассматриваются не только порядок и параметры инсталляции, но и системные требования, некоторые проблемы с машинной графикой, консольные параметры запуска приложения, лицензионное соглашение.
  • Быстрое начало - книга, содержащая краткий обзор возможностей FEMLAB, а также некоторые приёмы их использования.
  • Руководство пользователя - охватывает функциональные возможности FEMLAB от моделирования геометрии до постпроцессорной обработки. Этот документ может служить как самоучитель и краткий справочник по использованию FEMLAB.
  • Руководство по моделированию - содержит подробное описание прикладных режимов программного пакета и способы использования их для моделирования различных классов физических явлений. Здесь рассматриваются физические и "уравнение-основанные" прикладные режимы, базирующиеся прямо на PDE и их системах.
  • Библиотека моделей - достаточно обширный набор готовых к решению моделей из различных областей науки и техники. Эти модели имеют две цели: показать многосторонние возможности FEMLAB для широкого диапазона приложений; дать пользователю учебные примеры работы с FEMLAB, позволяющие также понять основы физики моделируемых процессов.
  • Руководство по MATLAB-программированию в системе FEMLAB - показывает, как использовать все возможности FEMLAB в среде программирования системы MATLAB.
  • Справочник по функциям пакета FEMLAB - описание всех наиболее важных функций пакета FEMLAB, работающих в среде MATLAB.
  • Замечания по версии FEMLAB 3.0.

Вся перечисленная документация относится к ядру FEMLAB. Фирма Comsol поставляет также три необязательных модуля расширения: Модуль Химических технологий, Модуль Структурной механики, Модуль Электромагнетизма. Каждый из этих модулей снабжается двумя большими разделами документации: Руководство пользователя и Библиотека моделей.

Электронная версия полной документации поставляется фирмой Comsol в двух форматах - PDF и HTML. Всё это становится доступным после инсталляции FEMLAB.

2.1.2. Предисловие к системе FEMLAB 3.0

Система FEMLAB - первый инженерный инструментарий, позволяющий выполнять моделирование мультифизики на основе уравнений математической физики в интерактивной среде. С момента выпуска первой версии система FEMLAB всё время совершенствовалась: добавлялись новые возможности моделирования разнообразных физических полей в доступной для научных работников форме. Выпуск FEMLAB 3.0 - главный шаг эволюции этого программного обеспечения.

FEMLAB разработан таким образом, чтобы моделирование физических полей и связей между ними выполнялось наиболее просто. Есть возможность решать заданную систему дифференциальных уравнений в частных производных или использовать специализированные физические прикладные режимы. Эти физические режимы состоят из предопределенных шаблонов и интерфейсов пользователя, уже установленных с уравнениями и переменными для специфических областей физики. Далее, объединяя (комбинируя) любое число этих прикладных режимов в единое прикладное описание, можно моделировать проблему мультифизики. Подробности см. в п. 4.1.2 раздела "Руководство по моделированию".

Библиотека моделей - очень важная часть пакета. Она содержит законченные модели из различных областей техники. Каждая модель снабжена обширной документацией, включающей техническую основу, технологию моделирования и обсуждение результатов. Поскольку в моделях есть готовая сетка конечных элементов и решение, пользователь сразу же может экспериментировать с различными параметрами постпроцессорной обработки. Есть возможность изменять геометрические и физические параметры каждой модели, чтобы удовлетворить индивидуальные потребности моделирования. Исходная информация в каждой модели Библиотеки может служить отправной точкой для создания собственных моделей пользователя.

FEMLAB первого и второго поколения версий был обычным пакетом расширения (Toolbox-ом) MATLAB. Следовательно, он вообще не мог работать без MATLAB. Начиная с версии 3.0, FEMLAB - независимый программный пакет и работает как независимое программное приложение непосредственно под управлением операционной системы. Это привело к существенному ускорению выполнения вычислительных алгоритмов программного обеспечения. Но интерфейс связи с системой MATLAB сохранён. FEMLAB остаётся полностью интегрированным с MATLAB, но теперь может работать совсем без MATLAB. Основной способ моделирования - работа в графическом интерфейсе пользователя. Но есть также возможность работы в режиме MATLAB-программирования. В системе MATLAB функции FEMLAB выполняются через специальную библиотеку связи, которая написана на языке C++. Поэтому и функции среды MATLAB, и команды интерфейса FEMLAB фактически выполняют одни и те же процедуры системы FEMLAB. Благодаря этому, модели, выполненные средствами графического интерфейса и средствами MATLAB-программирования, практически одинаково эффективны с вычислительной точки зрения.

В FEMLAB 3.0 реализована клиент-серверная архитектура. Клиент и сервер графического интерфейса пользователя FEMLAB полностью написаны на языке JAVA. При работе клиента процедуры FEMLAB вызываются с сервера через TCP/IP подключение. При работе в режиме MATLAB-программирования действует этот же клиент-серверный механизм.

FEMLAB 3.0 создан таким образом, чтобы он мог служить основой для дальнейшего развития программного обеспечения на много лет вперёд. Сейчас Comsol ведёт работу по созданию новых сеточных алгоритмов и решателей в новых версиях FEMLAB. Идут работы по совершенствованию интерфейсов связи с CAD-системами и другим программным обеспечением.

Желаю всем пользователям большой высокопроизводительной работы с системой FEMLAB. Буду рад ответить на любые ваши вопросы и дать любые комментарии по возникающим перед вами проблемам. С этими вопросами лицензионные пользователи могут обращаться в Comsol по E-mail suggest@comsol.com.

Наслаждайтесь!

15 декабря 2003 года.

Здесь был представлен пересказ обращения вице-президента по развитию Comsol Ларса Лангемира к пользователям FEMLAB. Обращение посвящено выходу в свет версии с номером 3.0.

2.1.3. Коротко о системе FEMLAB

FEMLAB - мощная интерактивная среда для моделирования, дающая возможность решать все виды научных и технических задач, основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных (PDE). В системе FEMLAB можно легко расширять обычные модели для одного типа физических явлений в модели мультифизики, которые решают связанные явления физики, и делают это одновременно. Доступ к этой возможности не требует глубокого знания математики или числового анализа. Используя встроенные физические прикладные режимы, возможно формировать модели, задавая необходимые параметры материальных свойств, нагрузок, ограничений, источников, и потоков, не определяя явно основные уравнения. FEMLAB в этих режимах внутренними средствами формирует систему PDE, представляющих полную модель. Вы обращаетесь средствам моделирования FEMLAB в рамках независимого программного приложения через гибкий графический интерфейс пользователя (GUI), или путём программирования сценария на языке MATLAB.

Как отмечено, основная математическая структура в FEMLAB - система дифференциальных уравнений в частных производных. Обеспечивается три пути описания PDE через следующие математические ("уравнение-основанные") прикладные режимы:

  • Коэффициентная форма, подходящая для линейных или почти линейных моделей;
  • Генеральная форма, подходящая для нелинейных моделей;
  • Ослабленная проекционная форма - для моделей с PDE на границах, рёбрах, или точках либо для моделей, использующих члены со смешанными производными по времени и по пространственным координатам. (Ослабленная проекционная форма обеспечивает много дополнительных выгод, и обзор их в контексте определенных моделей дан в других разделах документации).

Используя эти прикладные режимы, можно исполнять различные типы анализа, включая:

  • Анализ на собственные частоты и моды;
  • Стационарный и нестационарный (зависящий от времени) анализ;
  • Линейный и нелинейный анализ (в т.ч. и параметрический).

При решении PDE система FEMLAB использует давно проверенный метод конечных элементов (FEM) (в данной документации мы это будем называть конечноэлементной технологией, поскольку в строгом смысле FEM - большой класс методов математического моделирования). Программное обеспечение выполняет конечнноэлементный анализ вместе с адаптивным построением сетки, используя целый ряд численных решателей. Более детальное описание этой математической и численной основы дано в "Руководстве пользователя" и в "Руководстве по моделированию".

Законы науки базируются на PDE, которые обеспечивают основу для моделирования в широком диапазоне научных и технических явлений. Поэтому можно использовать FEMLAB во многих прикладных областях, таких как:

  • Акустика
  • Биология
  • Химические реакции
  • Диффузия
  • Электромагнетизм
  • Динамические потоки
  • Топливные элементы и электрохимия
  • Геофизика
  • Перенос тепла
  • Микро-электромеханические системы (MEMS)
  • Микроволновые разработки
  • Оптика
  • Фотоника
  • Потоки пористых сред
  • Квантовая механика
  • Радиочастотные компоненты
  • Полупроводниковые устройства
  • Структурная механика
  • Явления переноса вещества
  • Распространение волн

Если FEMLAB-модель включает в себя несколько связанных между собой прикладных режимов, то такая модель называется мультифизической. Система FEMLAB сама внутренними средствами строит из этих прикладных режимов систему связанных PDE. В качестве примера можно привести изменение удельного электрического сопротивления при изменении температуры. А температура изменяется вследствие выделения тепла проводником, по которому протекает электрический ток. В этом случае совместное решение тепловой и электромагнитной задачи является связанной мультифизикой. Данный раздел документации посвящен описанию мультифизической модели свободной конвекции. Раздел "Руководство по моделированию" описывает методы мультифизического моделирования (п. 4.10.1. "Создание мультифизических моделей"). В разделе "Библиотека моделей" в подразделе 5.9 "Мультифизические модели" также есть описание технологии мультифизического моделирования на примерах.

В системе FEMLAB, кроме элементарной предусмотрена ещё и расширенная мультифизика. Такая мультифизика позволяет объединять в одной модели несколько систем PDE, определённых на нескольких разных геометриях, причём размерности пространств в этих геометриях могут быть различными. Связь между геометриями может быть организована в системе FEMLAB при помощи так называемых переменных связи. Это представляет первый шаг к моделированию системного уровня.

Ядро FEMLAB предоставляет пользователю возможность моделирования и анализа во многих прикладных областях. Для некоторых из наиболее важных областей созданы модули расширения FEMLAB: Модуль Химических технологий, Модуль Электромагнетизма, Модуль Структурной механики.

Наконец, для большей гибкости в системе FEMLAB предусмотрен интерфейс связи с MATLAB. Такая интеграция этих двух расчётных систем позволяет сохранять модели FEMLAB как m-файлы MATLAB и выполнять их в среде MATLAB. Это позволяет объединять моделирование в FEMLAB с другими технологиями моделирования. В частности, возможен экспорт модели FEMLAB в Simulink. Результатом этого экспорта является представление модели FEMLAB в виде блока структурной схемы динамической системы (например, системы управления), моделируемой в Simulink.


Поиск по сайту:

Система Orphus

Яндекс.Метрика