集成材料和工艺模拟与仿真平台

 

在众多材料和工艺仿真方面的软件中，COMSOL Multiphysics以其多物理场耦合方面的优势和灵活的外部应用程序接口(API)，使得COMSOL Multiphysics在多物理场求解方面展现出了非凡的解决问题的能力。中山大学黄智恒教授一直致力于集成材料/工艺模拟与仿真方面的研究，最近黄教授巧妙地将材料热力学计算软件MTDATA以及科学计算软件MATLAB，成功地应用到了COMSOL Multiphysics多物理场耦合计算中，解决了一系列材料动力学问题，在此基础上构建了以COMSOL Multiphysics 为核心的集成材料与工艺仿真平台。

　　一、COMSOL Multiphysics与MATLAB的接口

　　COMSOL Multiphysics提供了与MATLAB的完美接口—— LiveLink for MATLAB。在整体环境下，用户可以像在MATLAB中那样保存和运行文件，为用户使用其他建模方法自由地对基于模型的偏微分方程、模拟运算和结果分析进行整合提供了方便。

　　运行COMSOL with MALTAB模式，不但可以让COMSOL Multiphysics调用MALTAB内核及其所包含的所有工具箱，更能够使用命令行的形式操作物理模型，如图1所示。

　　二、COMSOL Multiphysics与MTDATA的接口

　　由于COMSOL Multiphysics与MATLAB的无缝链接，任何一个COMSOL Multiphysics创建的模型(.mph文件)都可以保存为MATLAB m文件，并在MATLAB环境中运行。所以，MATLAB与 MTDATA的接口可以应用于COMSOL Multiphysics中。需要注意的是，COMSOL Multiphysics模型在调用MTDATA DLL中的函数和子程序时，只需被载入(load)一次。如果MTDATA DLL已经被载 入内存中，而再次重复载入时就会提示链接错误。

　　COMSOL Multiphysics与MTDATA、MATLAB三种软件之间的链接机制，如图2所示。

　　三、集成材料与工艺仿真平台的典型应用

　　以Cu-Sn两元素四相(Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn以及Cu)系统为例，首先在COMSOL Multiphysics中创建有限元几何模型和划分网格，如图3所示。

　　扩散方程通过COMSOL Multiphysics中的PDE模式的一般形式(General From)进行定义和求解。化学势与摩尔体积利用MATLAB与MTDATA的接口进行计算，从而求解动力学过程图。在浸焊过程中，铜溶解动力学过程仿真结果，如图4所示。

　　焊料组分和尺寸效应对铜焊点溶解的影响，如图5所示。

　　利用COMSOL Multiphysics模拟的材料晶体生长过程，如图6所示。 界面微结构仿真结果，如图7所示。

　　相场晶体模型模拟结果，如图8所示。

　　四、COMSOL Multiphysics灵活的API

　　COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块。现在，已经有的模块包括化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统以及结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris和HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块以及COMSOL化学反应工程实验室等。