کامسول مالتی فیزیکس (به انگلیسی COMSOL Multiphysics) نرم افزاری است که به کمک آن شما می‌توانید طراحی و شبیه سازی پروژه‌های خود در زمینه‌ مهندسی برق، مکانیک، علوم زمین، شیمی، فیزیک، نجوم و کوانتوم را انجام دهید. اما قابلیت‌های این برنامه تنها به این حوزه‌ها محدود نیست؛ چرا که نرم‌افزار کامسول یک مجموعه شبیه‌سازی کامل است که می‌تواند معادلات دیفرانسیل جزئی (PDE) سیستم‌های غیر خطی (به انگلیسی Non-Linear Systems) را به روش المان محدود (به انگلیسی Finite Element Method) در فضاهای یک، دو و سه بعدی حل کند. بنابراین شما می‌توانید فیزیک‌های غالب بر مسئله خود را در این نرم افزار انتخاب و یا به دلخواه تعریف کنید. و با اینکار از پس چالش هایی نظیر میدان‌های الکترومغناطیسی، کشش، دینامیک سیالات (CFD) و دینامیک گاز به درستی بربیایید. از دیگر قابلیت‌های خوب این نرم‌افزار می‌توان به امکان تعامل با دیگر نرم‌افزارهای مهندسی از جمله  MATLAB،CATIA و... اشاره کرد. بنابراین شما می‌توانید مثلاً محصول خود را در Solidworks طراحی و مونتاژ کنید؛ بعد آن را در COMSOL شبیه‌سازی کنید و سپس خروجی لازم را گرفته و از آن در MATLAB نمودار بگیرید. البته اگر بخواهید خود را از ویژگی‌های پس-پردازش (به انگلیسی Post Processing) کامسول در بصری‌سازی نتایج محروم کنید! جالب است بدانید نام قبلی این نرم افزارFemlab بوده است.

شکل 1- با کامسول مالتی فیزیکس شما می‌توانید حتی پیچیده‌ترین سیستم‌های مهندسی را شبیه‌سازی کنید!

درباره نرم‌افزار COMSOL

در گذشته مهندسان و دانشمندان هنگام طراحی پروژه­های خود ملزم بودند فرضیاتی را مطرح کنند. با گذر زمان و حرکت رو به جلوی دانشمندان، این فرضیات صحیح­تر می شوند و نتایج دقیق تری را ممکن می سازند. مولتی‌فیزیک یک عامل مهم و کلیدی در این فرآیند است، زیرا بین کاربردهای فیزیکی مرتبط، ارتباط برقرار می‌کند تا مدل‌های بی­کم و کاستی را تشکیل دهد که شامل همه فاکتور موردنیاز است. COMSOL Multiphysics یک نرم‌افزار شبیه‌سازی است که برای فراهم آوردن صحیح‌ترین نتایج با به حداقل رساندن فرضیاتی که کاربرانش باید داشته باشند، طراحی شده است.

مولتی‌فیزیک

COMSOL Multiphysics برخلاف سایر نرم­افزارهای شبیه­سازی که می­توانند محیطی محدودکننده و دست­وپاگیر باشند، به کاربران خود اجازه می­دهد تا بر مدل­های خود کنترل کامل داشته باشند. کاربران می­توانند هر تعداد فیزیک را با هم ادغام کنند و فیزیک و عبارات تعریف شده توسط کاربر را به­طور مستقیم در یک مدل وارد کنند. این خود امکان ایجاد خلاقیت­هایی را فراهم می­کند که ممکن است با نرم­افزارهای شبیه­سازی دشوارتر باشد.

منظور از مولتی­فیزیک، پدیده­های مختلف فیزیکی از جمله در زمینه­های انتقال حرارت، مکانیک سیالات و واکنش­های شیمیایی است. مولتی­فیزیک مطالعه ترکیبی از پدیده­های مختلف فیزیکی است و همچنین یک شبیه­سازی کامپیوتری از پدیده­های فیزیکی جفت و ادغام­شده را ایجاد می­کند. در نتیجه هر طراحی، کاربری و فرایندی در دنیای واقعی در واقع یک مولتی­فیزیک در طبیعت خواهد بود. این شبیه­سازی مولتی­فیزیک ما را قادر می­سازد شرایط عملیات واقع­گرایانه­ای را بدست آوریم.

COMSOL Multiphysics نرم افزاری است که برای بررسی و تحلیل المان محدود (finite element)، شبیه­سازی و حل مسائل فیزیک و مهندسی استفاده می­شود که شامل مولتی­فیزیک و پدیده­های به­هم پیوسته هستند. این نرم افزار همچنین شامل رابط­های کاربری برای سامانه­های مختلف که مبتنی بر فیزیک و معادلات دیفرانسیل جزئی است.

این نرم­افزار یک نحوه کار منسجم برای کاربردهای مختلف در زمینه­های شیمیایی، مکانیکی، الکتریکی، سیال و آکوستیک دارد. همچنین در این نرم­افزار یک رابط بین زبان­های مختلف برنامه نویسی (API) برای جاوا و LiveLink برای متلب ارائه می­شود. کنترل خارجی نرم افزار نیز با استفاده از LiveLink برای نرم افزارهای اصلی CAD قابل انجام است. زبانه Application Builder در نرم­افزار این امکان را می­دهد تا برنامه­های شبیه­سازی سفارشی را با استفاده از برنامه نویسی و یا ابزارهای کشیدن و رها کردن ایجاد کنید. COMSOL Server یک نرم افزار مجزا است که برنامه­های شبیه­سازی COMSOL را در شرکت­ها مدیریت می­کند. ماژول ها در COMSOL بر اساس حوزه­های کاربردی مختلف از جمله حوزه­های الکتریکی، مکانیکی، سیالات، صوتی، شیمیایی و چندکاره طبقه بندی می شوند.

COMSOL یک محیط شبیه­سازی است که تکرار سناریوهایی در دنیای واقعی را رقم می­زند که تا حد امکان به آن نزدیک است. این امر با استفاده از مولتی­فیزیک امکان­پذیر است. مولتی­فیزیک شامل مدل­های علمی متعددی مانند مدل­های آکوستیک، الکترومغناطیسی، واکنش­های شیمیایی، مکانیک، جریان سیال و انتقال حرارت است. با لحاظ کردن تمام این اثرات در محیط شبیه‌سازی، COMSOL تضمین می‌کند که می‌تواند بازه وسیعی از حالاتی را که دانشمندان و مهندسان در کارشان با آن‌ها روبه­رو می‌شوند، مدل‌سازی کند. رابط کاربری این نرم­افزار به گونه­ای طراحی شده است که کاربر پسند باشد و در جهت افزایش بازدهی باشد. این نرم­افزار توسط مهندسان برای طراحی محصولات بهتر و توسط دانشمندان برای دستیابی به اکتشافات جدید استفاده می شود. همچنین پزشکان برای تحقیق در مورد درمان­های پزشکی و مربیان برای ارتباط با دانش­آموزان از این نرم­افزار بهره می­گیرند. شبیه­سازی­های تولید­شده با استفاده از مولتی­فیزیک COMSOL تاثیر قابل توجهی بر دنیای واقعی دارد.

COMSOL Multiphysics در یک سناریوی واقعی

در زمینه مهندسی زیست­پزشکی، از COMSOL Multiphysics برای شبیه­سازی کارکرد دستگاه­های پزشکی مانند استنت استفاده شده است. استنت­ها لوله­های کوچکی هستند که برای جلوگیری از انسداد رگ­های خونی در آن­ها قرار داده می­شوند. برای اطمینان از ایمنی و بازدهی استنت‌ها، مهندسان می­بایست درک بالایی از نحوه تعامل آن­ها با بدن انسان داشته باشند. COMSOL Multiphysics را می­توان برای شبیه­سازی جریان خون و تنش­های مکانیکی درون استنت و بافت­های اطراف آن استفاده کرد و به مهندسان کمک می­کند تا حالت بهینه­ای را برای طراحی در نظر بگیرند و خطر عوارض را به حداقل برسانند.

با استفاده از COMSOL Multiphysics، مهندسان می‌توانند دینامیک سیال جریان خون، فشارهای مکانیکی روی استنت و پاسخ‌های بیولوژیکی بافت‌های اطراف را مدل‌سازی کنند. این به آنها اجازه می دهد تا نحوه عملکرد استنت در داخل بدن را پیش بینی کنند و تنظیمات لازم طراحی را برای بهینه­سازی عملکرد آن و به حداقل رساندن عوارض انجام دهند.

یک بسته نرم­افزاری است که از روش اجزای محدود برای حل مسائل پیچیده مبتنی بر فیزیک استفاده می کند.

در اینجا نحوه عملکرد  COMSOL Multiphysicsآمده است:

1. تعریف مسئله (Problem Definition): کاربر مسئله­ای را که می­خواهد حل کند، شامل هندسه، فیزیک و شرایط مرزی تعریف می­کند.

2. مش بندی (Meshing): نرم افزار به طور خودکار یک مش تولید می کند که مجموعه­ای از نقاط و عناصر مجزا و جدا از هم است که هندسه مسئله را نشان می دهد.

3. ماژول های مبتنی بر فیزیک (Physics-Based Modules): کاربر ماژول های مبتنی بر فیزیک را انتخاب می­کند که با مسئله مورد بررسی، مرتبط است. این ماژول­ها پدیده های­فیزیکی مختلفی مانند الکترومغناطیسی، دینامیک سیالات، انتقال حرارت و مکانیک سازه را نشان می دهند.

4. ادغام ­سازی (Coupling): کاربر می­تواند چندین ماژول مبتنی بر فیزیک را با هم ادغام کند تا مسائل مولتی­فیزیک را حل کند. این به آنها اجازه می­دهد تا تعاملات بین پدیده­های فیزیکی مختلف را مدل کنند.

5. حل­کننده (Solver): نرم­افزار از روش­های عددی برای حل سیستم معادلات که مسئله را توصیف می­کند، استفاده می­کند. راه حل به صورت مجموعه­ای از متغیرها در هر نقطه از مش نمایش داده می­شود.

6. پس پردازش (Post-Processing): کاربر می­تواند نتایج شبیه­سازی را با استفاده از انواع ابزارهای پس پردازش مانند طرح­ها، انیمیشن­ها و جداول تجسم و تجزیه و تحلیل کند.

COMSOL Multiphysics به کاربران اجازه می­دهد تا با استفاده از یک محیط نرم­افزاری منسجم، مسائل پیچیده مبتنی بر فیزیک را در چندین حوزه حل کنند. این نرم‌افزار طیفی از ماژول‌های مبتنی بر فیزیک را ارائه می‌کند که می‌توانند برای حل مسائل مولتی­فیزیک با هم ادغام شوند و از روش‌های عددی برای حل سیستم معادلات که مسئله را توصیف می‌کنند، استفاده می‌کند. نتایج شبیه سازی را می­توان با استفاده از بازه وسیعی از ابزارهای پس پردازش، تجسم و تجزیه و تحلیل کرد.

یک مثال در زندگی روزمره

در مقاطعی از زندگی، این احتمال وجود دارد که پیچ و مهره را با استفاده از آچار سفت کرده باشید. ین کار شما را به یک مدل مکانیک سازه می­برد که آن را از منظر یکپارچگی ساختاری آچاری که در بدترین حالت بارگذاری قرار گرفته است، تجزیه و تحلیل می کند. آچار مورد نظر، قطعا از فولاد که یک ماده انعطاف پذیر است، ساخته شده است. اگر گشتاور اعمال شده بیش از حد باشد، در صورتی که از سطح تنش تسلیم آن فراتر رود، آچار برای همیشه تغییر شکل می دهد.

 برای تجزیه و تحلیل اینکه آیا دسته آچار در اندازه مناسب طراحی شده است، می­بایست اطمینان حاصل شود که سطح تنش مکانیکی در محدوده تنش تسلیم است. از طراحی این آچار و انجام مراحل لازم، به شبیه­سازی توزیع تنش وارده به آچار می­رسیم.

برای یک فولاد معمولی که برای ابزارهایی مانند آچار استفاده می شود، تنش تسلیم حدود 600 مگاپاسکال است. به این معنی که برای بار 150 نیوتن به تغییر شکل پلاستیک نزدیک می شویم. با در نظر گرفتن ضریب ایمنی (safety factor) 3 و ترسیم دوباره آن به نمودار زیر می­رسیم.

نمودار حاصل نشان می دهد که تنش در پیچ زیاد است، اما تمرکز حرکت روی آچار است. اگر می خواهید آچار را به راحتی برای بار 150 نیوتن با حاشیه ایمنی ضریب سه تأیید کنید ، باید طراحی دسته آن را تا حدودی تغییر دهید. این تغییر می­تواند عریض­تر کردن دسته آچار باشد.