预测 1：返璞归真，但计算技术更好

David Kan 将仿真与时尚进行了类比， “ 趋势是一件有趣的事情，它不仅展望未来， 也会回顾过去。就像在时尚界，旧的潮流往往又会变成新的风尚：复古风、古董风…仿真领域的情况也非常类似，我们正在回归根本，并利用现有的技术解决更困难和更具挑战性的问题。我们通过追本溯源以更严谨的方式创建模型，因为我们现在拥有更好的计算技术。”

这是否意味着他认为仿真技术还停留在过去？不，完全不是。David 澄清说，由于现在的计算能力和 GPU 技术的提高，迭代速度远快于从前。“值得注意的是，我们拥有核心计算技术的坚实基础，这是我们实现这一目标的关键。”他补充说。

自 21世纪初以来，计算机硬件和软件都取得了长足的进步。

同样，Andrew Strikwerda 也发表了自己的看法，“我所看到的仿真技术的最大趋势就是仿真的应用领域越来越广。越来越多的人对获得仿真结果感兴趣，并且越来越多的人意识到仿真对他们所从事工作的价值。”

Ruud Börger 也深有同感，“我认为仿真技术在 2025 年将以多种方式发展。我们看到，在半导体行业有大量资金投入，一些主要的世界大国都希望实现供应链本地化。我们还看到，目前可再生能源领域对仿真有着很大的需求。”他还预测，仿真软件本身将变得更加容易使用，这将有助于它的普及。

预测 2：通过代理模型和仿真 App 更快获得结果

不可否认，当今社会期望一切都能快速发生。我们渴望当日送达、高速网络和即时满足，同样的期望自然也会放到仿真软件上。

Andrew 提到了仿真 App 的概念，以及 COMSOL Multiphysics 软件的用户如何创建易于使用的仿真 App，并将其分发给其他人使用。他接着说道 “我们将看到更多由代理模型驱动的仿真 App。这些模型可以在底层数据集上进行训练，并通过神经网络的强大功能获得即时的结果，你可以基于 COMSOL Multiphysics 生成的数据进一步在软件中对神经网络进行训练。”

利用代理模型快速提供即时结果的仿真 App。

Ed Fontes 对此深表赞同，并进一步阐述了自己的观点。“我认为目前最大的趋势是能够建立高精度的代理模型，就像我们在 COMSOL Multiphysics 中引入的基于深度神经网络的代理模型。这些模型的用途非常广泛：你可以使用它们进行系统模拟、不确定性量化和实验设计。这类研究往往需要大量的模拟，而完整的三维模型由于计算量太大不方便使用。因此，你所要做的基本上就是为这些三维模型的运行做一些基本投资，训练出一个代理模型或集总模型，然后将其用于系统仿真工作或 App 中。”他说道。

根据完整的三维模型训练代理模型的一般工作流程。

“如果你考虑使用仿真 App，肯定会希望立即获得答案，它必须几乎是即时交互式的，”Ed 继续说，“有了在完整三维多物理场模型上训练的代理模型，你能在毫秒内获得答案。要知道，在这个时代，每个人都不希望花十分钟等待结果。这就是最大的趋势：即使你处理的是巨大的三维模型，也能立即得到答案。”

在谈到支持仿真 App 方面，Ruud 说：“越来越多的人正在开发仿真 App，这使得没有数值模拟背景的人也能获得仿真带来的好处。我认为，（2025年）将有更多的仿真 App 被投入使用，让人们共享仿真的好处。”

预测 3：更大的模型

Ruud 还预测，人们将建立更大的模型。他分享说：“过去，人们只对单个组件进行仿真，而最近大家开始对多组件或大的部件进行仿真，例如设备制造机，甚至完整的助听器。”

完整的助听器声学模型。

同样，David 也认为，“这将是一个继续提高计算能力、优化算法、增加产能的问题，让工程师能够进行更多的仿真迭代，从而发现更多事实。”他继续兴致勃勃地说：“人们使用 COMSOL 有很多原因，一个是为了理解新的物理学，还有一个是用于生产、研发和设计。随着时间的推移，我们需要进行越来越多的计算，这就是 2025 年将继续发生的最大变革。”

更长远的预测：展望 2025 年之后

我们还请他们展望了 2025 年之后的长远未来。Ruud 和 Ed 都对未来更广泛的人群将会如何使用仿真进行了设想。

“当然，仿真技术的长期前景很难预测，”Ruud 回答道，“从应用方式来看，我确实看到仿真 App 的使用率正在不断增长。就目前来看，我们看到设计工程师和制造工程师都在使用它们，我认为消费者也会越来越多地使用仿真 App。比方说，当你要粉刷房子时，可能会根据经验来决定每五年粉刷一次向阳的墙面。但也许将来当你购买油漆时，还会附带一个仿真 App，它可以让你拍摄房屋的照片，然后在后台进行模拟，查看哪些区域受到不同程度的阳光照射，接着运行化学仿真，预测这种油漆的寿命有多长，并推荐它的使用条件和位置。”

Ruud 接着描述，“这样的例子有很多。例如，当你购买路由器时，家里每个房间的电磁场会是怎样的？你需要多少台？需要把它们放在哪里？对于扬声器的音响效果来说，也同样如此。我认为将来会有很多消费类仿真 App，现在我们还不知道这是否可行，但确实有很大的需求。而且我认为，这种需求在未来会得到满足。”

Ed 认为，仿真技术的长远未来将与 2025 年的发展趋势一致。他表示，“那些新方法以及能够获得即时反馈的新功能将使仿真更加有用。” 他用一篇关于农民使用仿真 App 预测水果和农产品保质期的文章举例说，“十年前，没人会将仿真应用到这类场景。因为对那时来说，计算量太大了，有谁会在超级计算机上运行这些呢？现在，你只需要在服务器上运行，并不需要很大的算力。”

“有了这些新技术和代理模型等，建模和仿真将更多地被扩展应用到消费类应用中，在这些应用中你可以提前了解和预测事情。如果你有验证模型，仿真就能更好地发挥作用。虽然我们不会开发这类消费类应用，但我们的客户会。因此，他们是二级仿真 App 用户，这正是我们二十年前就已经预见到的。”

今日， COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本正式发布。在新版本中，增强的建模功能、改进的用户体验，以及使用 NVIDIA® 显卡时对声学仿真和代理模型训练的 GPU 加速，使软件功能更加强大。此外，还新增了用于自动生成更高质量网格的新技术，以及用于模拟气体、液体和固体中放电和击穿的全新附加模块。

为什么选择多物理场仿真？

我们所处的世界本质上是由各种物理场相互作用构成的，能够成功地将两种或更多物理现象完全整合在一起，对于创建能够精确模拟真实物理情景的数值模型来说，是至关重要的。

以扬声器为例。在单一物理场模型中，我们仅能分析音圈中的磁场情况，然而，若能同时探讨磁场如何与扬声器的其他组件相互作用，以及力和振动是如何产生的，这样的仿真结果将对扬声器设计提供更加精准的指引。利用 COMSOL Multiphysics^® 软件，我们能够轻松地为模型增添并耦合各种所需的物理现象，从而构建出精确的仿真模型。例如，在扬声器模型中，我们可以模拟电磁场、结构力学以及声学之间的相互作用，进行全方位、深入的仿真分析。COMSOL 软件在模拟和耦合物理现象的数量及种类上均没有限制。

左：扬声器的单物理场模型，显示了作用在音圈上的电磁力。右：扬声器的多物理场模型，同时考虑了声-结构相互作用。

COMSOL Multiphysics^® 软件是一个集建模与仿真功能于一体的平台，既支持全面的多物理场仿真，也具备单物理场仿真能力。这意味着，无论工程师和科学家来自哪个行业或学科领域，他们都能在这个统一的软件平台上，通过同一个用户界面，自由构建所需模型。简而言之，多物理场仿真助力企业、高校及科研机构等组织做出更为明智的决策，催生创新设计，同时减少物理原型制作与实验测试的成本，最终加速产品研发流程。

由于模型是对真实世界的反映，其 行为 必须符合物理定律，而 外观 同样不容忽视。通过添加合适的纹理、颜色以及精心设计的照明，我们可以更直观地将模型视作它所代表的真实物体，并深入理解其运作机制。此外，根据用户正在运行的分析类型，绘图类型或颜色表的选择也可能影响对结果的解读。COMSOL Multiphysics^® 软件平台不仅具备构建几何模型、分配材料和划分网格等功能，还包含丰富的可视化工具。

COMSOL^® 仿真软件概述

只有当来自不同团队、部门、组织乃至企业的同事们都能访问并参与到精确仿真模型的开发中，共同为产品设计的创新与优化贡献力量时，仿真驱动的研发工作流程才能取得最大的成功。为此，COMSOL Multiphysics^® 平台包括三个主要工作区：

• 模型开发器
  • 包含仿真专家所需要的基于物理场进行建模、求解、可视化和结果评估的所有功能。
• App 开发器
  • 为仿真专家提供简单、易用的工具，用于为同事和客户开发定制的仿真 App。
• 模型管理器
  • 为管理仿真模型和仿真 App 提供了一个结构化的工作区，具有版本控制、搜索和筛选、高效数据存储，以及从一个模型中复制操作序列以重用于另一个模型的功能。

左：模型开发器显示了一个 IGBT 模组的多物理场模型的设置和结果。中：用于构建仿真 App 的 App 开发器。右：模型管理器，展示了比较两个模型文件的功能。

同一个软件环境，适用于所有工程领域

根据具体任务需求，您或许希望使用专门的产品模块来增强核心仿真功能。COMSOL Multiphysics^® 软件提供了一系列丰富的附加产品，专门用于电磁、结构力学、声学、流体动力学、热传导和化学工程等领域的仿真分析。作为一款 多物理场仿真 软件，COMSOL^® 软件的所有产品模块功能均可通过其平台产品无缝集成。此外，您还可以通过 LiveLink™ 产品轻松地与 CAD 以及其他第三方软件进行交互。

提示：请查阅用户案例库，了解全球的企业和机构使用 COMSOL Multiphysics^® 的应用案例。

可执行的仿真 App 加速产品创新

任何持有 COMSOL Multiphysics^® 软件许可证的用户都可以开发和维护自己的仿真 App，同时，拥有 COMSOL Compiler™ 的用户还能将这些 App 进一步转化为独立的可执行文件，并分发给任何人在全球任何地点运行。无论是组织内部还是外部的同事，都能通过这些独立的仿真 App 来测试设计上的任何变更，而无需占用仿真专家的时间。即使是非仿真专业的用户，也能利用这些仿真应用，根据特定输入预测结果，并基于模拟结果做出决策，而无需了解如何设置和运行底层模型（在某些情况下，他们甚至不知道自己正在使用多物理场仿真技术）。

App 开发器提供的拖放功能，让用户能够方便、快捷地在 App 界面中根据特定需求定制输入和输出组件和小窗口。这样 ，App 用户无需投入精力去开发仿真模型，就能受益于仿真的所有优势。只需简单点击一个按钮，您就能将仿真模型编译成独立的仿真 App。至于这些仿真 App，您可以自主决定是收费出售还是免费提供，是添加密码保护还是无限制共享，以及是否设置有效期等。在使用 COMSOL Multiphysics^® 软件开发独立仿真 App 时，您拥有完全的控制权，包括 App 的开发数量、发布对象以及发布方式。

很多情况下，一些组织可能更倾向于完全控制谁有权访问他们的仿真 App，以及哪些版本的 App 可供使用。对于这种情况，他们可以通过自己的 COMSOL Server™ 环境上传、管理和运行他们的 App，而不是将它们编译为独立 App。COMSOL Server™ 提供管理工具，可用于管理用户对 App、用户帐户和组的访问以及多核处理器的利用。

利用代理模型开发实时计算的仿真 App

多年以前，COMSOL Multiphysics^® 就推出了 App 开发器和附加产品 COMSOL Compiler™ 。 2023 年，我们发布了使用机器学习训练代理模型的功能，这使得开发快速计算的仿真 App 成为可能。 当您在仿真 App 中嵌入数据驱动的代理模型时，App 用户将根据输入的信息获得近乎实时的仿真结果。代理模型经过训练，能够在不牺牲准确性的前提下，近似于成本更高的完整有限元模型的计算结果。如今，随着 COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本的发布，支持在显卡上进行训练，代理模型的训练过程本身也更加快速。

计时器 事件功能可自动触发方法的执行，无需执行如连接外部服务器、运行模拟或更新仿真 App 用户界面等用户交互。仿真 App 具备嵌入代理模型，并与外部传感器、数据库和 Web 服务等连接的能力后，App 还可以用于构建数字孪生系统。

COMSOL Multiphysics^® 6.3 新版本更多发布亮点

6.3 新版本升级了 COMSOL Multiphysics^® 平台产品的核心功能，并在整个产品模块中新增了许多新功能，为用户带来了比以往更强大的仿真功能。同时，增加了一个新模块。

没有人喜欢等待，尤其是在求解模型时。COMSOL 的开发团队始终致力于提升求解速度，力求在保持精度的同时，缩短各类模型的求解时间。在 6.3 新版本中，最大的亮点之一是支持 GPU 在时域内对压力声学进行模拟，这意味着从事室内声学工作的用户将享受到比以往快 25 倍的仿真速度。

​办公环境中的声学

获取更多 GPU 支持和声学相关新功能，请访问：声学模块发布亮点。

放电模块

COMSOL Multiphysics^® 平台新增了一个附加模块，专用于预测放电对电力、航空航天、消费电子和医疗技术等系统性能的影响。新模块功能丰富，可直接模拟气体、液体和固体电介质中的放电，分析流柱、电晕、介质阻挡和电弧放电。如需了解更多功能，请访问：放电模块发布亮点。

变压器油中的流注放电传播。

自动修正几何结构，生成高质量网格

得益于全新的几何功能，COMSOL Multiphysics^® 可以自动检测并删除导入几何中的微小细节和间隙。在创建用于网格划分的几何结构时，这可以节省大量时间，并生成更高质量的网格和更小的整体仿真尺寸。访问几何更新发布亮点，了解这些更新的实际应用。

改进用户体验，实现更高效的建模工作流程

仿真软件必须易于使用才能为组织带来最大价值。在 COMSOL Multiphysics^® 最新版本中，用户界面（UI）的整体外观有了更多变化，当缩小窗口尺寸时，功能区的大小也会与之无缝适应。新版本的适用性也有了多项改进，包括：

• 新增 数据查看器 窗口，用于检查和编辑参数和声明值，无论您在用户界面中导航到哪里，都可以访问该窗口。
• 改进了搜索和过滤功能，使用户更容易找到所要查找的内容。
• 新的图片颜色主题。
• 可视化功能使结果分析更加容易。

COMSOL Multiphysics 用户界面焕然一新。

​当用户查看模型的不同部分时，动画相机过渡效果可确保流畅的移动。

详细了解用户界面和可视化功能的一系列更新，请分别访问：COMSOL Desktop^® 发布亮点 和 结果与可视化发布亮点。

下一步

您是 COMSOL Multiphysics^® 新用户吗？欢迎联系我们，我们可以根据您的业务需求分享与您研究领域相关的信息。

如果您想详细了解新版本软件的所有更新功能，请访问： COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本发布亮点。

学术生涯

1844 年 2 月 20 日，玻尔兹曼出生在奥地利维也纳。在成长过程中，他对文学和音乐感兴趣，特别是钢琴。高中以前，他在家里接受私人教育，此后的大部分时间，他都是在不同的学术机构中度过的，起初是作为学生，后来是作为教授。

1863年，他开始在维也纳大学（University of Vienna）学习数学和物理学。在大学期间，他师从约瑟夫·斯特凡（Josef Stefan），后者向玻尔兹曼介绍了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的工作。1866 年，玻尔兹曼获得博士学位，三年后获得了教授资格（授课许可）。

路德维希·玻尔兹曼的画像。照片作者不详，在美国的公共领域中获得许可。PD-US，通过 Wikimedia Commons共享。

完成学业的玻尔兹曼在 25 岁时成为奥地利格拉茨大学（University of Graz）的数学物理学教授，并在 1887 年成为这所大学的校长。格拉茨也是他认识妻子亨丽埃特·冯·艾根特勒（Henriette von Aigentler）的地方。在奥地利大学还不允许女性进入的时代，她曾努力想成为一名数学和物理教师。在玻尔兹曼的支持下，她成功申请到了旁听授课的许可。

1890 年，玻尔兹曼被任命为慕尼黑大学（University of Munich）理论物理学主席，1893 年，他开始在维也纳大学（University of Vienna）担任理论物理学教授。

玻尔兹曼方程和格子方法

在他的职业生涯中，玻尔兹曼在数学和物理学领域做出了无数的贡献。一个广为人知的贡献就是玻尔兹曼方程。该方程于1872年提出，用于确定处于非平衡状态的热力学系统的行为。例如，它可以用来描述热力学系统中粒子数量的变化。

此外，格子玻尔兹曼方法（LBM）是以他的名字命名的，是一种在格子上求解玻尔兹曼方程的方法。这是一些可用于模拟流体流动的计算流体动力学（CFD）方法。LBM 非常适合处理复杂的问题，并考虑微观的相互作用，通常被用于处理与多孔介质、生物医学流动和燃料电池相关的问题。

从学生到学术贵族

玻尔兹曼 的名字常常与斯特藩（Stefan） 和麦克斯韦（Maxwell） 的名字同时出现。这种联系不仅仅是因为斯特藩是玻尔兹曼的导师，麦克斯韦是他的启发者之一，也因为玻尔兹曼自己的工作价值很高，足以与他的前辈的工作交织在一起。凭借斯特藩-玻耳兹曼定律和麦克斯韦-玻尔兹曼分布，玻尔兹曼为自己赢得了与那些在他还是学生时就影响他的人比邻的位置。

斯特藩（左）和麦克斯韦（右）的画像。左图由 K.Schönbauer 拍摄，在美国获得公共领域授权，通过Wikimedia Commons 共享 。右图为 G.J. Stodart 根据 Greenock 的 Fergus 的照片所做的雕刻数字化处理而成，在公共领域内授权，通过Wikimedia Commons 共享。

斯特藩-玻尔兹曼定律

1879 年，斯特藩的研究使确定黑体的辐射能量与温度之间的关系成为可能。他的工作以约翰-丁达尔（John Tyndall）的实验为基础，得出了能量与温度的四次方成正比的结论。几年后，玻尔兹曼从理论角度对斯特藩的工作进行了扩展，创造了斯特藩-玻尔兹曼定律。这一定律可用于确定恒星的温度和地球的有效温度。

麦克斯韦-玻尔兹曼统计和分布

在斯特藩的指导下，玻尔兹曼对麦克斯韦的工作非常着迷，特别是分子速度的麦克斯韦分布——物理学中的第一个统计规律。1864 年，在麦克斯韦提出这个分布的五年后，玻尔兹曼开创了现在被称为物理学支柱之一的统计力学（统计力学 这个名字直到 1884 年才由美国物理学家J. Willard Gibbs 确立）。统计力学用于描述宏观属性和波动的微观参数之间的关系。例如，它可以用于模拟化学反应的速度。

尽管麦克斯韦和玻尔兹曼是独立工作的，但我们今天常用的一些物理学方法被称为麦克斯韦-玻尔兹曼分布和麦克斯韦-玻尔兹曼统计。麦克斯韦-玻尔兹曼分布首先被用来描述理想气体中的粒子速度。麦克斯韦-玻尔兹曼统计可用于提取理想气体的麦克斯韦-玻尔兹曼分布，描述物质粒子在热平衡中不同能量状态的分布。

纪念玻尔兹曼

玻尔兹曼的贡献远不止这些。无论是关于他的同名常数或等离子体中的关系，还是他在具有记忆的材料方面的工作，甚至是富有哲理的玻尔兹曼大脑思想实验这一存在主义理论，至今还会在物理学家和哲学家中引起争论。纪念玻尔兹曼的还有一些相关的研究机构和奖项，如路德维希-玻尔兹曼协会（LBG）研究组织和玻尔兹曼奖章，该奖章由国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）每三年颁发一次，用来表彰统计力学方面的杰出工作。

玻尔兹曼的这座半身雕像位于维也纳大学的一个院子里，玻尔兹曼的数学和物理学研究最初就是从这里开始的。图片来源：en.wikipedia 的 Daderot，根据 CC BY-SA 3.0 授权，通过 Wikimedia Commons 共享。

今天，为了纪念他对改变物理学的发展所作出的贡献，我们在此祝路德维希·玻尔兹曼诞辰快乐!

拓展阅读

• 阅读以下资料，了解更多关于路德维希·玻尔兹曼的生活和工作。
  • New World Encyclopedia
  • Wikipedia
  • Britannica
• 阅读 COMSOL 博客，了解玻尔兹曼的工作在现代的应用情况，特别是它在多物理场仿真中的应用。
  • “玻尔兹曼方程，两项近似接口”
  • “非麦克斯韦 EEDF 等离子体建模简介”

核心功能更新

COMSOL Multiphysics^® 6.1 版本在 COMSOL Desktop^® 中对网格划分、可视化、研究和求解器进行了重大更新，并增加了新的函数和工具。此外，还为创建仿真 App 和仿真数据管理提供了很多新功能。阅读下文，了解更多有关 6.1 版本软件更新的详细内容。

网格划分、可视化、研究和求解器

新版本软件对合并实体 和塌陷实体 操作进行了更新，使网格的清理和修复变得更加容易。前者可用于合并网格内的顶点、边和表面，而后者可用于塌陷小表面和短边。此外，现有的网格操作也得到了极大的增强和改进。例如，导入操作现在可以轻松地将几何模型与导入的网格组合在一起(如下图所示)，映射 和扫描 操作提供了一种生成网格(包括导入的网格)的新方法。6.1 版本还增加了新的调整每一层的方向 复选框(可在边界层属性 节点的设置中使用)，用于创建更高质量的边界层网格。

这个示例使用了 导入操作将椭球体模型的几何结构与人体头部的导入网格相结合。

在 6.1 版本中，在可视化方面的一个主要更新是增加了直接阴影 功能。这个功能位于图形 窗口工具栏中，提供了一种增强三维几何结构(如母线板装配组件)深度感知的方法。它可以与之前版本中引入的环境光遮蔽 功能一起使用，用于进一步增强几何体的真实感。

同时增强 直接阴影和 环境光遮蔽视觉效果，使模型图像更加真实。

对于研究和求解器，6.1 版本的更新包括：

• 用于 CFD 仿真和自适应频率扫描 研究步骤的性能改进
• 自适应网格细化 提供了更好的组织研究设置
• 求解微分代数方程(DAE)的显式时间步进方法

COMSOL Desktop^®

COMSOL Desktop^® 现在包含了一个简便的在模型设置中创建和编辑参数的工作流程、一个新的查找和替换 工具、最小二乘拟合 函数、高斯过程 函数、withparam 算子，以及允许将模型图像和表格插入到 Microsoft Word 文档时与 COMSOL 模型文件保持链接的 Microsoft ^® Word 接口。

App 开发器和模型管理器

App 开发器中内置了一些模板，可用于创建具有可调整子窗口大小的仿真 App，并支持内嵌多种语言界面。此外，表单编辑器 和方法编辑器 也进行了多项改进。

在锂电池组设计器仿真 App 中调整子窗口大小，这是使用 App 开发器的一个新模板开发而成。

上一个版本，我们首次发布了模型管理器，它位于 COMSOL Multiphysics 用户界面中，是一个用于存储数据库和控制 COMSOL 仿真数据、CAD 文件、实验数据等的工作空间。从 6.1 版本开始，这个工作区现在可以启用报告和 CAD 装配体的版本控制。此外，新版本还对工作区的标记、注释和搜索功能进行了许多重大改进。

附加产品的新特征和功能

在整个产品库中，您将看到许多新的和改进的特定物理场特征和功能。下面，让我们来了解其中的一些主要更新。

力学

对于结构力学模块、MEMS 模块和多体动力学模块，用户将看到接触建模功能有了很大的改进。例如，这些产品现在包括一个新的、稳健的机械接触公式(使用 Nitsche 方法计算)，一个对大型3D模型特别有好处的新接触搜索算法，并改进了对自接触的支持。新版本软件还对结构力学模块进行了各种专门的更新，包括：

• 用于计算壳和膜表面磨损的新功能
• 用于在分析中使用材料模型之前对其进行数值测试和验证的一项新功能
• 用于预测焊缝应力的增强功能

由于圆柱形物体的摩擦滑动，壳表面会产生磨损。这个仿真是使用添加到 壳和 膜接口的新增 磨损子节点 实现的。

6.1 版本还引入了实体薄膜阻尼 和壳薄膜 阻尼接口，可用于模拟薄层流体中的阻尼。这些新接口在结构力学模块和 MEMS 模块中都可以使用。

声学

声学模块中新增了两个用于声流仿真的新接口：压力声学声流 接口和热黏性声学声流 接口。声流仿真对于片上实验室装置、金属加工和半导体加工等应用尤其重要。

您可以在声流阱中的光声阻滞效应教程模型和玻璃毛细管中的声阱和热声流三维模型教程模型中查看新的声流功能（如下所示）。

对流声-结构边界、时域显式耦合 和 对，对流声-结构边界，时域显式 的多物理场耦合，使得模拟对流声学中流体流动效应成为可能。从事流量计系统设计和分析的人员可能会对这个更新特别感兴趣。

流体和传热

CFD 模块的用户现在可以使用新的分离涡模拟 接口进行分离涡流仿真(DES)，这个新接口结合了大涡模拟(LES)的准确性以及使用雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)湍流模型混合方法的计算效率。

CFD 模块中还包括在多孔域中使用 RANS 湍流模型的新功能，增强了对过滤器、排气系统中的催化转换器和化学反应器的建模能力。

包含速度流线的空气过滤器的模型图像。请注意，流线颜色表示压力场的变化。

在传热模块中，新的轨道热载荷传热 接口为用户提供了一种模拟卫星辐射载荷的方法。使用这个接口，您可以在模型中包括太阳辐射、反照率和各种不同航天器零件之间的传热效应。

CFD 模块和传热模块都包含用于 RANS 湍流模型的新的热壁函数 设置，可用于非等温流动 耦合的传热湍流 设置。这些新的功能可以提高流固耦合传热仿真的准确性。

电气

AC/DC 模块新增了新的磁体 功能，用于模拟电机中的磁体 阵列，以及模拟电机绕组的新的多相绕组 功能。这两项新增功能将进一步增强 COMSOL^® 软件的电机分析能力。其他模块的更新还包括新的 磁流体动力学 接口，可用于模拟液态金属和某些等离子体的流动。

在 RF 模块和波动光学模块中，新增了新的电磁波 FEM-BEM 接口，使电磁波的混合有限元法(FEM)-边界元法(BEM)模型的设置变得更加容易。请查看下面的屏幕截图的模型树中的接口信息。

对于等离子体模块，新增了带射频偏压的电感耦合等离子体 接口可用于对具有周期性RF偏置的耦合等离子体反应器进行建模，以及一个等离子体化学 新插件可用于通过特定的接口从文本文件为模型创建完整的等离子体化学。

化学

电池设计模块的一个主要更新是包含一个新的电池包 接口，为工程师和研究人员提供了一种评估具有数百个电池的电池包的可靠性和安全性的方法。燃料电池和电解槽模块现在允许对含有其他物质（如氨、重烃、硫化合物和痕量杂质）的系统进行建模。

在最新版本的化学反应工程模块中，简化了在分离和精细化工行业（如液-液萃取和气体洗涤）中特别重要的分离过程建模。这个更新是通过新的包含传质的分散两相流 接口实现的。

新的和更新的教程模型

6.1 版本还新增了许多新的和更新的教程模型，您可以在 COMSOL Desktop^® 的案例库窗口或 COMSOL 网站的案例下载页面中找到。以下 是9 个最新的教程模型：

6.1 版本软件中还有哪些新功能？

请单击下面的按钮，查看最新 6.1 版本 COMSOL^® 软件的完整发布亮点。

Microsoft 是 Microsoft 公司集团的商标。

精灵工程师团队遇到的新的工程挑战……

在去年的 12 月，我们精灵工程师团队遇到了一个棘手的问题：礼物派发中可能出现的困难（详情参见：圣诞老人在派送礼物过程中遇到了挑战）。我们当时使用 COMSOL Multiphysics 模型迅速解决了这个问题。从那之后，我们就成为 COMSOL 软件的忠实用户，开始更加频繁地使用 COMSOL 软件帮助我们解决各种工程问题。

今年我们遇到的最大挑战之一，是圣诞老人希望我们建造一个新的拐杖糖火箭，用于升级他的雪橇。如果设计合理，这种配置的火箭在高海拔地区可以明显提升雪橇的速度。然而在去年的一整年里，圣诞老人在家里又吃了更多的曲奇饼干，所以我们必须重新设计雪橇的连接部件，以确保其具有合理的工程强度。设计草图如下图所示。

我们遇到的最大挑战就是工程设计图。

我们的设计目标是确保新的圣诞雪橇结构稳定，同时也希望我们的设计富有奇幻的节日美感。我们从最近这篇关于衍生式设计的博文中获得了灵感，使用了 COMSOL 软件中的设计模块来模拟各种可能的设计。

不同的雪橇设计。

在选择了一个雪橇设计并对它进行仔细打磨后，我们还必须考虑它在所有运行阶段可能发生的情况，比如当圣诞老人驾驶雪橇飞入极地偏心轨道时，是否能安全行驶。在飞行过程中，雪橇会被多个地面卫星接收站追踪，但我们担心这些组织可能无法识别新的火箭设计和热特征。经过讨论，我们认为最好还是向我们的同事发送一份新雪橇在轨道上的可视化图像。于是，我们基于 COMSOL 的方程建模功能，求解了管理太空飞行的常微分方程，然后使用 6.0 版本软件中新的后处理工具生成了新雪橇在轨道内的飞行轨迹动画。

北极上空一切正常 !

正如你所看到的，我们的团队再次战胜了挑战！圣诞老人对新的雪橇设计非常满意，并表示明年他会尽量少吃点儿饼干。

最后，在北极辛勤工作的精灵们向所有 COMSOL Multiphysics 用户送上他们最美好的节日祝福！

关于作者

Winter Frost 是圣诞老人工坊的高级精灵工程师，专长于产品派送、轨道力学，以及拐杖糖火箭的形状优化。

模型管理器：仿真数据管理满足团队高效协作

使用仿真模型时，我们通常需要保留旧版本文件的备份。为什么呢？因为我们可能会使用旧版本作为新模型的模板。或者，如果我们的建模工作偏离轨道，可能需要参考旧版本。创建的模型越多，文件就越多。因此，我们可能会发现自己花在管理模型文件和数据上的时间比实际建模和仿真工作的时间还要多！新增的“模型管理器”是一个仿真数据管理工具，可以帮助我们解决这个问题。

使用模型管理器，您可以保存带有注释的模型文件，这在尝试查找旧版本模型时特别有用。

这项功能被完全集成在 COMSOL Desktop^® 用户界面中，并提供了一个结构化的工作区，使个人和团队可以在其中集中管理他们的仿真数据和辅助数据（例如 CAD 文件和实验数据）。“模型管理器”旨在促进同事和工程团队之间的协作，并帮助简化建模和仿真工作流程。

“模型管理器”的主要特性和功能：

• 高效、集中的模型存储
• 版本控制
• 强大的搜索功能
• 比较 工具
• 用户访问控制

请点击此处，深入了解“模型管理器”。

新产品：“不确定性量化”模块

6.0 版本新增的“不确定性量化”模块可以生成更完整、准确和有用的多物理场模型。顾名思义，这个附加产品可以用来分析模型不确定性的影响。您可以用它来执行以下研究类型：筛选、敏感性分析、不确定性传播和可靠性分析。

这个模块可被用于：

• 测试模型假设的有效性
• 确定最重要的输入参数
• 了解输出变化如何取决于输入变化
• 探索输出的概率分布
• 发现设计的可靠性

“不确定性量化”模块的主要优势之一是，它可以分析使用 COMSOL Multiphysics 进行的任何仿真中的不确定性，包括电磁、结构、声学、流体流动、热和化学工程仿真。它还可以与 CAD 导入模块、设计模块和任何用于 CAD 的 LiveLink 产品结合使用。

使用“不确定性量化”模块对支架进行的不确定性传播研究。

各种物理场的更新

随着 6.0 版本的发布，您还将看到现有附加产品的许多功能得到改进。在这里，我们将重点介绍一些重大更新。

传热

当使用传热模块时，您将会受益于表面对表面辐射性能的改进，这次改进将以内存用量和计算时间为指标的性能提升了至少10倍。性能的提升并没有牺牲精度，并且可以分析更大的结构。对于模拟具有大温差、高表面发射率或少量传导和对流传热的建模需求，这个提升非常重要。

在新增的带加热炉的房间中的传热教学模型中，您可以看到实际的性能改进。

电磁学

多年来，我们已经能够使用 COMSOL Multiphysics 导入和分析印刷电路板（PCB）的许多性能。6.0 版本新增了几个用于 PCB 电磁分析的新功能。例如，计算 PCB 的电阻和电感矩阵，增加了这些参数在频域的计算提取。此外，RF 模块还新增了 PCB 微波和毫米波电路的自适应网格划分和物理控制网格划分的新功能。

结构力学与声学

现在，您可以通过将来自 CFD 模块的大涡模拟 (LES) 与声学模块的功能相结合，进行流致噪声仿真，例如风扇和管道产生的噪声。

并列圆柱障碍物周围由流动引起的噪声。

此外，还有许多与使用非线性结构材料的工程师相关的改进。例如，非线性结构材料模块将蠕变模型求解速度提高了至少 10 倍，并提供了降阶积分的新功能，提高了许多非线性材料模型的性能。

核心功能的改进

6.0 版本还对 COMSOL Multiphysics 平台产品进行了多项改进。下面是对一些后处理、可视化、几何和网格更新情况。

后处理和可视化

现在我们可以在剪切实体域时使用交互式剪切功能实现横截面，这项功能可以更轻松地处理复杂的 CAD 几何图形。另一个新功能允许我们创建绘图阵列，以便在“图形”窗口中并排查看多个结果。例如，在下图中，您可以看到一组图，这些图显示了一个快速测试条中的液体样品在四个不同时步下的扩散情况。

此外， “图形” 窗口工具栏中新增的 环境光遮蔽 选项使几何体看起来更逼真。还有一些新增和改进的颜色表，可以进一步扩展 COMSOL Multiphysics 的可视化功能范围。

在上图中，您可以看到汽车门模型中使用的新 Prism颜色表（左）、整体式反应器模型中使用的新Magma颜色表（中）以及腐蚀模型中使用的新 Viridis 颜色表（右）。这里只列举了 6.0 版本中可用的部分新颜色表。

网格划分

最新版本新增了许多重要的网格划分改进。例如，一个新的并集 操作可用于将相交的导入表面网格（例如 STL 格式的文件）合并起来。这个功能为您提供了一种组合此类网格的可靠方法。此外，现在可以轻松地将边界层单元添加到导入的网格中。其他一些更新包括：

• 改进了网格编辑的实用性
• 网格图显示的着色改进
• 更高效的网格复制
• 压力声学的物理控制网格划分

几何

新版本对各种几何形状进行了更新，包括但不限于更快地构建之前构建的几何节点、模型开发器中的组 节点以及 2D 偏移 和加厚 操作。

App开发器

App 开发器中有哪些新功能呢？6.0 版本在方法编辑器 中增加了改进的调试器，可用于在调试时检查和更改变量和声明。最新版本中还提供了一个新的“主窗口”编辑器。它的工作方式类似于表单编辑器，但适用于以前只能从 App 开发器树编辑的组件：功能区、菜单栏和主工具栏。此外，还有一个新的仪表盘 表单对象，其工作方式与旋钮 表单对象类似。需要注意的是，这个对象为只读对象，可以根据指针在仪表盘上的位置显示值。

用于显示设备中电流的新仪表窗。

新增的教程模型

除了上面讨论的所有更新之外，新版本还新增了很多教程模型。您可以在 COMSOL 桌面的“案例库”窗口和 COMSOL 网站的“案例下载”页面中找到。请浏览下面的幻灯片查看 6.0 版本中新增的 10 个新教程：

下载 6.0 版本

请点击下方链接，浏览 COMSOL Multiphysics^® 6.0 版本的所有更新并下载最新版本：

磁振子学和微磁学导论

磁振子学 是自旋电子学或磁学的子分支领域（参考文献1），类似的还有声子学和光子学。磁振子学更侧重于研究由磁性体系的元激发，即自旋波（或量子极限中的磁振子）携带的能量和信息传输。自旋波可以携带能量、线性动量、角动量，因此可以用来编码信息。由于具有极小的阻尼和无焦耳热等特性（参考文献2），钇铁石榴石 YIG (Y₃Fe₅O₁₂) 等磁绝缘体是操控自旋波的理想材料。此外，自旋波还可以与磁结构相互作用（参考文献3)，例如磁畴壁、磁涡旋和磁斯格明子等，从而为磁存储器的设计和操控提供了一条新途径。这使得磁振子技术有望成为下一代信息技术的候选者。

在这篇博文中，我们将演示如何在 COMSOL Multiphysics 中使用“微磁模块”对自旋波动力学进行数值微磁仿真。

微磁模型简介

磁性材料中磁矩的动力学由 LLG 方程控制。微磁模型的核心是将一个或多个晶胞中的所有磁矩视为一个半经典的宏自旋，用单位向量 定义表示为

其中， 是总磁化强度的时空分布函数， 是材料的饱和磁化强度。

该单位磁矩向量的时间演化遵循 LLG 方程（参考文献 4）

其中，点表示时间导数， 是旋磁比， 是吉尔伯特阻尼系数， 是施加在局域磁矩上的有效场，可以被定义为

其中， 为真空磁导率， 为磁系统的自由能，包括所有可能的相互作用。

假设一种最简单的情况：在沿 z 方向施加的静态磁场中的一个宏自旋。有效场很简单，可以表示为 。从宏自旋稍微偏离平衡 z 方向的初始状态开始，宏自旋矢量根据 LLG 方程按右手定则围绕有效场进动。在吉尔伯特阻尼（以 表示)作用下，系统的动能最终消散，宏自旋驰豫到其能量最小值，即与有效场平行。这种进动的动力学与铁磁共振 (FMR) 相关，其进动角频率与外加场的强度呈线性关系。

当引入非局域相互作用时会出现自旋波，例如，在连续极限中采用以下形式的短程交换相互作用 ，其中 为交换刚度系数。存在交换相互作用的情况下，单个宏自旋的进动模式可以传输到相邻的宏自旋，导致角动量流的传播，即自旋波。

电磁波和弹性波以及自旋波都可以通过纳米结构设计进行空间上的限制或调控。此外，自旋波还可以通过磁结构（磁矩在空间中的非均匀分布）来调控，例如磁畴壁，即具有相反磁化强度的两个磁畴之间的过渡区域。理论和实验都表明，磁畴壁可以作为自旋波的传导通道，用于设计可重构的自旋波电路。

微磁仿真不仅可以帮助解释实验结果，也有很多成功的例子表明，该方法可以预测新现象，并通过实验进行验证。

通过物理场开发器开发微磁模块

市场上有两种主流的开源微磁仿真软件：面向对象的微磁框架（OOMMF）和支持GPU 加速的 Mumax³。

但是，我们更喜欢使用 COMSOL Multiphysics 进行微磁仿真。原因有两个：

1. COMSOL Multiphysics 基于有限元方法，而不是 OOMMF 和 Mumax³使用的有限差分方法。在对复杂的几何形状和结构进行建模时，有限元方法更加强大。
2. 微磁模块可以直接与 COMSOL Multiphysics 中丰富的物理模块一起使用。例如，通过与 AC/DC 模块（电流和电磁场）或 RF 模块（微波）耦合，我们可以模拟磁性材料中的偶极相互作用；将微磁模块与结构力学模块相耦合，可以对磁弹性效应进行建模；而传热模块可用于对磁体中的热效应进行建模。在软件框架内，用户定制物理场和 COMSOL 附加产品之间的多物理场耦合相当简单明了。

对 COMSOL Multiphysics 的微磁模块感兴趣的用户可以将编译后的模块文件 Micromagnetics Module.jar 安装到本地 COMSOL 归档文件夹中，之后在选择物理场时就会出现一个新的物理场接口 Micromagnetics (mm)。

微磁模块 (V1.33) 的用户界面如下图所示。

微磁模块（V1.33）具有其他开源微磁仿真软件所具有的几乎所有功能，包括但不限于：

• 基本的 Landau-Lifshitz-Gilbert 动力学方程，包括交换相互作用和单轴各向异性
• 具有适配边界条件的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（体类型和界面类型）
• 自旋转移矩（包括场项和力矩项）
• 可输入任意形式的有效场和自旋力矩（可以同时是时间和空间的函数）
• 有限温度效应（可通过自定义随机种子引入随机性）
• 钉扎边界条件和周期性边界条件
• 能够在一个区域内求解多个独立的 LLG 方程（例如可用来模拟具有多个子晶格的人工反铁磁体）
• 多物理场耦合能力，包括磁-偶极耦合、磁-弹耦合、磁-电耦合、磁-热耦合等

基于微磁模块，我们展示了许多有趣的自旋波物理并提出了各种自旋波器件，例如自旋波二极管（参考文献5）、自旋波光纤（参考文献6）、自旋波偏振片和波片（参考文献7-8）以及存算一体化的磁逻辑门（参考文献9）等。

与微磁模块的多物理场耦合

如上所述，COMSOL Multiphysics 的一项优势是附加模块之间的多物理场耦合能力。自旋波可以被磁场、晶格形变、温度梯度等操控。将自旋波与其他激发（如电磁波和弹性波）耦合，获得的系统可以结合两者的优点，产生丰富的物理现象，促进信息的产生和传输。下面，我们将演示基于微磁模块可以完成哪些多物理场耦合。

腔磁振子学（Cavity magnonics）（参考文献 10）是磁振子学和腔量子电动力学 (CQED) 的交叉学科，后者的应用之一是通过操控光子-物质相互作用来实现量子信息处理。腔磁振子学的典型构型是内部放置磁体的微波腔。磁体中的磁矩进动模式与微波腔中的驻波模式或行波模式耦合。这样的系统为研究自旋流的操控和磁矩的非线性动力学提供了一个新的选择（参考文献 11-12）。腔磁系统可以通过耦合微磁模块和射频模块来模拟。对于静磁模拟，并不需要考虑电磁波本身的动力学行为，因此将微磁模块和 AC/DC 模块（磁场）相互耦合就足够了。

自旋力学（spin mechanics）包括磁矩和晶格形变之间的相互作用。在具有磁弹耦合（或磁致伸缩）的材料中，磁化强度（自旋波）在空间和时间上的变化对晶格产生等效力，而晶格形变（弹性波）对磁化强度产生等效场。例如，如下面的动画所示，面内磁化的碟状薄膜被磁场激发，进动的磁化引起磁性薄膜及其衬底的弹性形变，从而辐射弹性波。自旋力学问题可以通过耦合微磁模块和固体力学模块来模拟。

电流自适应磁结构

在金属磁体中，自旋极化电流对局域磁矩施加自旋转移矩，使得磁结构能够被电流驱动。由于各向异性磁阻 (AMR)的存在，磁性薄膜内的电导率取决于局域磁化强度和电流方向的相对取向，因此可以使用微磁模块和 AC/DC 模块对电流、自旋转移矩和磁结构之间的相互作用进行建模。

如下面的动画所示，施加在两个电极上的电压通过自旋转移矩改变磁结构的空间分布（上图），进一步改变局域电导率和电流密度分布（下图）。在电流的持续作用下，磁结构最终演化至稳定的构型，使得两个电极之间的电导增加。有研究表明这种正反馈行为可用于类脑计算（参考文献13）。

如何获取微磁模块

您可以通过以下方式免费下载微磁模块文件：

1. 复旦大学肖江教授课题组网站
2. COMSOL 模型交流区

下载的压缩文件包括模块安装文件，以及带有安装说明和示例的用户指南。我们非常欢迎和感谢用户的任何建议、报告和交流。更多功能将在未来版本中及时更新。

致谢

作者对复旦大学肖江教授的指导和复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院的支持表示感谢。

关于作者

余伟超本科毕业于同济大学物理科学与工程学院应用物理学专业，获理学学士学位，后赴复旦大学物理学系理论物理专业直接攻读博士研究生，获理学博士学位，曾任复旦大学物理学系博士后研究员、日本东北大学金属材料研究所助理教授，现任复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院青年研究员。余伟超博士的研究兴趣包括自旋电子学和磁学基本现象的理论研究、磁结构和自旋波的动力学、以及磁系统与其他多物理系统之间的耦合，如微波腔自旋电子学（磁子和光子之间的耦合）和自旋力学（自旋波和弹性波之间的耦合）等。他提出并设计了新型自旋电子器件和基于磁性体系的非常规计算概念，例如基于磁系统的存算一体逻辑门和具备自主学习功能的类脑计算架构。他还开发了基于有限元方法的微磁仿真模块，具有与其他多物理场系统双向耦合的能力，有助于基础磁学的研究和新型自旋电子器件的设计。

参考文献

1. A. Barman et al., The 2021 Magnonics Roadmap, J. Phys.: Condens. Matter, vol. 33, no. 413001, 2021.
2. A. V. Chumak et al., Magnon Spintronics, Nature Physics, vol. 11, no. 453, 2015.
3. H. Yu, J. Xiao, and H. Schultheiss, Magnetic Texture Based Magnonics, Physics Reports, vol. 905, no. 1, 2021.
4. V. G. Bar’yakhtar and B. A. Ivanov, The Landau-Lifshitz Equation: 80 Years of History, Advances, and Prospects, Low Temperature Physics, vol. 41, no. 663, 2015.
5. J. Lan, W. Yu, R. Wu, and J. Xiao, Spin-Wave Diode, Phys. Rev. X, vol. 5, no. 041049, 2015.
6. W. Yu, J. Lan, R. Wu, and J. Xiao, Magnetic Snell’s Law and Spin-Wave Fiber with Dzyaloshinskii-Moriya Interaction, Phys. Rev. B, vol. 94, no. 140410, 2016.
7. J. Lan, W. Yu, and J. Xiao, Antiferromagnetic Domain Wall as Spin Wave Polarizer and Retarder, Nature Communications, vol. 8, no. 178, 2017.
8. W. Yu, J. Lan, and J. Xiao, Polarization-Selective Spin Wave Driven Domain-Wall Motion in Antiferromagnets, Phys. Rev. B, vol. 98, no. 144422, 2018.
9. W. Yu, J. Lan, and J. Xiao, Magnetic Logic Gate Based on Polarized Spin Waves, Phys. Rev. Applied, vol. 13, no. 024055, 2020.
10. B. Z. Rameshti, S. V. Kusminskiy, J. A. Haigh, K. Usami, D. Lachance-Quirion, Y. Nakamura, C.-M. Hu, H. X. Tang, G. E. W. Bauer, and Y. M. Blanter, Cavity Magnonics, ArXiv:2106.09312 [Cond-Mat], 2021.
11. W. Yu, J. Wang, H. Y. Yuan, and J. Xiao, Prediction of Attractive Level Crossing via a Dissipative Mode, Phys. Rev. Lett., vol. 123, no. 227201, 2019.
12. W. Yu, T. Yu, and G. E. W. Bauer, Circulating Cavity Magnon Polaritons, Phys. Rev. B, vol. 102, no. 064416, 2020.
13. W. Yu, J. Xiao, and G. E. W. Bauer, A Hopfield Neural Network in Magnetic Films with Natural Learning, ArXiv:2101.03016 [Cond-Mat], 2021.

为什么要在生物医疗研发流程中加入仿真？

确保患者安全

在生物医疗开发中使用仿真技术有很多好处，但最主要的动力是什么？病人。借助仿真技术，工程师可以为病人设计出更好、更安全的设备和治疗方法，并能确定哪种方法对需要某种治疗方式的病人最安全。

模拟肿瘤消融过程中产生的热量（左）和人体内药物浓度随时间变化的情况（右）。

仿真还能帮助确定治疗或设备是否会对病人造成意外伤害。工程师可以模拟能量与人体组织之间的相互作用，用于确定心脏起搏器和除颤器等设备在操作过程中是否会对病人造成伤害。一个常见的例子是磁共振成像（MRI）过程中产生的可能会引起病人不适甚至损坏病人组织的电磁热。

其他例子还包括模拟激光与组织的相互作用（如用于皮肤科设备），模拟药物与组织的相互作用（用于评估给药支架等设备的性能）等。

加快产品开发

除了造福患者这一首要目标外，仿真还可以帮助减少医疗产品生命周期中原型设计、开发和审批阶段所需的临床前测试量。通过减少所需的测试量，可以更快地将产品推向市场。

生物医学支架模型（左）和起搏器电极（右）。

仿真可以加快跨学科医疗设备和流程的开发，包括：

• 植入物
• 冠状动脉支架
• 心脏瓣膜
• Nitinol 心脏支架
• 遮光板
• 脊髓刺激
• 磁共振成像
• 射频消融设备
• 其他

为了在开发周期中节约成本，可以利用仿真完成一些通常由昂贵的实验测试和临床试验完成的繁重工作。以更低的成本开发的性能更优的医疗设备，在一定程度上也能降低患者的治疗成本。

增进理解

让我们来看一下生物医学的发展历程：仿真与实验相结合可以帮助生物医学工程师充分理解设备或流程的工作原理。例如，利用仿真理解

• 耳朵和助听器的内部结构
• 药物如何在人体内分散，药理过程和给药系统的工作原理
• 快速检测测试系统背后的机理
• 超声波、核磁共振成像、DNA 合成和其他生物医学过程的工作原理

“如果结合模型和经验一起使用，两者都会更好。”Arlen Ward 在 ：生物医疗设备的专题研讨会“仿真软件在医疗设备设计的发明、开发和认证中的作用明显增长”上说道。该小组讨论由 COMSOL 认证咨询专家、Veryst Engineering 公司的 Nagi Elabbasi 主持，成员还包括 Boston Scientific 公司的 Ismail Guler、Exponent 公司的 William Torres 和 Baxter International 公司的 Carlos Corrales。

人眼的参数化光力学模型可用于了解眼部疾病和衰老。图片来源：Kejako，摘自用户案例《三维眼睛模型还老视人群清晰视力》。

创新

除了能够充分理解生物医学领域已有的设备和流程，工程师还可以利用仿真开发创新的医疗技术产品。 专题研讨会的另一位小组成员， Baxter 国际公司的 Carlos Corrales 介绍说：“仿真可用于探索性地开发新设备，而这在人们的想象中是不可能实现的。”他介绍了工程师如何在设计流程的早期阶段引入仿真，以确定是否有可能将一些想法作为产品来考虑。

磁共振成像鸟笼线圈周围的电磁场模拟（左）和医疗保健可穿戴设备 RFID 标签的电磁干扰/电磁辐射模拟（右）。COMSOL Multiphysics^® 软件可用于模拟发生在人体和用于治疗人体的设备中的许多物理现象，包括固体力学、流体力学、传热学、电磁学、生物运输、药物输送、声学和任意多物理场现象。

赢得关注和寻求认可

尽管仿真技术在这一领域的应用正在稳步增长，但对于这类技术的应用仍有很大的空间。该怎么做呢？

ASME V&V 40

ASME支持一个名为 V&V 40 小组委员会的工程师和科学家团队，致力于确保医疗领域使用的计算模型已经得到充分验证、确认，并通过不确定性量化(UQ)分析。

验证包括两项活动：代码验证和解验证。代码验证确保数值算法正确，并在代码运行过程中正确实施。解验证评估离散求解的数值精度。验证的目的是确定模型是否准确地反映了其在现实世界中的应用。最后，不确定性量化用于了解计算模型的数值或物理参数的任何变化对其结果的影响。

ASME V&V 40 严格遵守分会的指导原则，在整个生物医学领域促进了医疗设备和过程计算建模有效性的广泛认可。事实上， 的两位小组成员 Carlos Corrales 和 Boston 科学的 Ismail Guler 目前都是 V&V 40 小组委员会的成员。

参加 ：生物医疗设备的小组成员，其中一些人是 ASME V&V 40 小组委员会成员。

仿真是其他流程的补充

需要注意的是，生物医学领域的仿真工程师并不是想用仿真完全取代实验测试和临床试验。事实上，仿真是为了补充这些分析手段。“尽管我们需要实验，我们靠实验生存和呼吸，但没有实验就没有模型。我们的实验能力是有限的，”Corrales 说道。Ward 同意并补充道：“同时使用仿真与实验测试，两者都会更好。”

介绍仿真理念

要让医疗专业人员接受仿真技术，面临的一大挑战是他们可能根本不熟悉仿真技术。高质量的可视化仿真结果，以及允许终端用户交互使用的专门的仿真 App,有助于向监管机构和其他利益相关者展示仿真的好处。

这些人可能并不完全了解仿真的来龙去脉，无论他们看到的是数据的电子表单还是高质量的三维可视化结果。“我们需要改进建模和仿真的解释方式，改进端到端的流程，改进模型、求解器和输出的设置方式，”小组成员 William Torres 说道，“否则，你会看到利益相关者不感兴趣的眼神。”

仿真 App 是向这些利益相关者展示仿真优势的一种直观方式。不熟悉自己建立计算模型的人也可以使用它们。顾问、医生、外科医生和其他医疗专业人员甚至可以使用专门的仿真 App 来运行自己的分析。

通过下面的视频了解有关开发和部署仿真 App 的更多信息，并观看生物医学应用程序的实际操作：

全球性的转变

2020 年 3 月，COVID-19 大流行严重限制了实验室和测试设备的使用，导致临床试验和实验几乎无法进行。然而，这一挑战也带来了机遇：无法进入实验室缩小了生物医学工程师的选择范围，却提高了整个医疗行业对建模和仿真如何用于该领域的兴趣。

新型无创通气(NIV)面罩设计模型。图片由 Polibrixia 提供，来自《使用多物理场仿真优化医疗面罩设计》。

我们该何去何从？

下一代生物医学工程师

像 ：生物医疗设备中的小组成员以及 V&V 40 委员会这样的工程师正在生物医学行业大力推广仿真技术。目前，美国食品和药物管理局（FDA）及其他监管机构在批准生物医疗设备和治疗时都接受仿真结果。那么，下一步工作是什么？

通过向生物工程专业的学生介绍仿真技术，我们可以创造一个长期的未来，让仿真技术成为生物医学开发过程中的一个整体部分。Ward 说：“学生和年轻的工程师需要有能力将仿真视为其方法论的一部分，而不仅仅是一种工具。”

通过将仿真技术引入生物工程专业学生的教育中，我们可以确保这种全面的生物医疗开发方法能够为生物医学世界带来更加光明的未来。

下一步

观看 ：生物医疗设备的其他主题演讲

• 高强度聚焦超声医疗设备
• FDA 基准喷嘴的血损伤建模
• 开孔磁共振成像中医疗设备的射频感应加热
• 用电穿孔法分离肺静脉
• 植入式医疗器械的产品开发生命周期
• 影响上市速度和患者安全的医疗器械开发革命

COMSOL Microsoft® PowerPoint® 接口

除了将 COMSOL Multiphysics^® 仿真结果自动生成 Microsoft^® PowerPoint^® 演示文稿之外，COMSOL PowerPoint^® 接口还可以将 COMSOL 图像链接到 Microsoft^® PowerPoint^® 演示文稿中。

使用 COMSOL 安装程序安装 COMSOL PowerPoint^® 接口后，你就可以使用功能区的工具栏来处理和更新 PowerPoint^® 中的 COMSOL Multiphysics^® 链接图像。当图像需要更新时，无论是在模型中重新计算结果、更改的图像标题，还是在幻灯片中重新缩放图片后增大字体，都很耗时并且需要大量的手动调整。但是，从 COMSOL Multiphysics 5.5 版本开始，使用功能区接口就可以更轻松快捷地执行这些任务。

借助 COMSOL PowerPoint^® 接口，你可以在 COMSOL Desktop^® 中创建链接图像并将它们插入到打开的 PowerPoint^® 应用程序中。链接图像包含对其源模型文件和特征节点的引用，并且该引用将与已保存的 PowerPoint^® 演示文稿一起存储，因此无论是否打开 COMSOL Multiphysics^® 窗口，都可以根据需要更新图像。图像引用中还存储了不同的图像视图和布局设置。视图设置也可以被存储和锁定，或在需要时更新为当前视图。

图像引用可以在不同的模型开发器节点中创建，例如：

• 结果图
• 网格
• 几何

图像引用甚至可以包含对当前节点的引用，例如，网格或几何构建序列。这些设置将与图像引用一起被存储，可以被更改，并且图像也可以在 PowerPoint^® 中更新。

图像引用的记录簿也会自动更新，以便于在 PowerPoint^® 演示文稿中更新和跟踪图像引用，该演示文稿可以包含来自多个不同 COMSOL Multiphysics 模型的图像。在过去，记录这些图像可能是一项非常有挑战性的任务，尤其是在包含多个引用图像时！

在 COMSOL Multiphysics^® 中创建链接图像

为了将 PowerPoint^® 的图像与 COMSOL Multiphysics 模型源节点的引用链接起来，可以在 COMSOL Desktop^® 中生成一个图像，并将 PowerPoint 设置为目标。图像本身的生成方式与 剪切板 或文件 的图像相同。COMSOL Multiphysics 中生成图像的方法有两种：

1. 图像快照 窗口
2. 图像导出

图像快照 窗口可以为 PowerPoint^® 生成链接图像，我们可以在 目标 设置中的 PowerPoint 选项从图形 工具栏访问该窗口。当前的图像 和布局 设置将与生成的链接图像一起被存储，但后续可以在 PowerPoint^® 中更改和更新。

也可以在 目标 设置中的 PowerPoint^® 选项，通过图像导出为 PowerPoint^® 生成链接图像。图像 和布局 设置将与生成的链接图像一起被存储在这里，也可以在 PowerPoint^® 中更改和更新。

插入链接图像

为 PowerPoint^® 创建图像后，就可以将它粘贴到打开的 PowerPoint^® 应用程序中。这可以通以下几种不同的方式来完成：

• 在键盘上使用 CTRL + V
• 选择 粘贴 按钮
• 从 PowerPoint^® 内的 COMSOL 功能区选项卡上的剪贴板 库控件中选择生成的图像

从 PowerPoint^® 中更新链接图像

图像引用被插入到 PowerPoint^® 中后，就可以根据引用的节点和模型编辑和更新引用。PowerPoint^® 中的 COMSOL 功能区选项卡包含用于更新演示文稿中所有引用图像的更新所有图像按钮，以及用于仅更新选定图像引用的更新图像 按钮。

无论是否在 COMSOL Desktop 中打开引用模型，都可以更新链接的图像。如果模型在 COMSOL Desktop^® 中打开，就可以通过交互方式不停地在 COMSOL Multiphysics^® 中更改和在 PowerPoint^® 中更新图像。例如，当找到适合 PowerPoint^® 演示文稿的设计和布局的正确视图时，或者尝试多种图形设置后直到找到最适合通过演示文稿传达的结果时，这个功能可能会非常有用。

如果在 COMSOL Desktop 当前未打开模型的情况下更新图像，图像更新则通过 COMSOL Multiphysics 服务器完成。默认的服务器设置将在后台打开本地 COMSOL Multiphysics 服务器，无需任何额外的用户交互，但也可以自定义设置，例如，使用远程 COMSOL Multiphysics 服务器。

选定链接图像后，就可以使用 PowerPoint^® 中的 COMSOL 图像 功能区选项卡。COMSOL 图像 选项卡包含用于更新、锁定、删除和更改主 功能区部分中引用的模型和节点的控件。在 图像 和布局 部分，你可以更改图像的图像和布局设置。

还可以编辑或删除图像引用，右键单击链接图像，可以从在 COMSOL 菜单中更新或锁定图像。

使用编辑引用 窗口，可以更改链接图像的引用节点或模型。可以引用的节点显示在模型树中。对于几何和网格序列，也可以选择当前构建步骤和源节点。

其他有用的命令

从更新中锁定图像

当链接图像达到所需的状态时，可以使用更新所有图像 按钮将其锁定以防止更新。链接图像的视图（例如，缩放比例和视角）也可以在更改和更新其他图像和布局设置时被锁定和保留。

通过选定图像并选择 锁定图像 功能区按钮，可以从更新中锁定或解锁图像。通过选中图像并选择 COMSOL 图像功能区选项卡上的锁定视图 复选框，就可以锁定或解锁视图。

使用命令行工具批量更新 PowerPoint^® 演示文稿

通过命令行工具 comsolpowerpointbatch.exe，你可以在不打开 PowerPoint^® 应用程序的情况下更新保存的包含链接图像的 PowerPoint^® 演示文件。这个工具可以使用单个命令更新单个或多个 PowerPoint^® 演示文稿文件。命令行工具 comsolpowerpointbatch.exe 已安装并在与 comsol.exe 相同的安装文件夹运行。

你可以通过运行命令 comsolpowerpointbatch.exe -help，显示 comsolpowerpointbatch.exe 工具的可用参数。

快速复制或创建其他链接图像

在 PowerPoint^® 中复制、创建和编辑链接图像的一种快速方法是选定链接图像，然后选择 CTRL + C，再选择一次或多次 CTRL + V。这样，可以使用与复制图像相同的链接设置创建多个唯一链接图像引用，但可以更改和更新每个图像的链接设置，以便快速创建对其他模型节点或其他图像设置的引用。

多个引用模型和记录簿

PowerPoint^® 文件菜单上的 COMSOL 选项卡包含引用、服务器 和首选项 选项卡，用于管理演示文稿中包含的参考资料以及访问服务器设置和接口首选项。

使用引用 视图，你可以将引用保存记录簿上，轻松地在 PowerPoint^® 演示文稿中概述和管理引用。

更多资源

• 阅读博客：如何将仿真结果自动生成 Microsoft^® PowerPoint^® 文稿演示，了解更多相关信息。
• 观看视频，了解如何从 COMSOL Multiphysics 创建并导出动画。

Microsoft 和 PowerPoint 是 Microsoft Corporation 在美国和/或其他国家地区的注册商标或商标。

视频演讲：NGC 如何使用 COMSOL Multiphysics^® 进行快速原型设计

NGC 的快速原型设计流程

在 NGC 公司，工程师遵循着快速原型设计的流程，该流程包括四个部分，其中前三个部分经常重复多次：

1. 原型设计
2. 原型制造
3. 测试与设计验证
4. 最终设计的制造

Lauren Lagua表示，在该流程的每一个环节都使用了多物理场仿真技术。

原型设计

在为声呐系统设计换能器（Tonpilz 型压电换能器案例模型）时，工程师会通过测试不同的参数设置，来了解如何最好地实现项目的总体目标。他们可能会尝试测试材料（例如新的压电材料）、几何形状和频率等参数。Lauren 团队使用 COMSOL Multiphysics 的 压力声学、固体力学、静电 和电路 接口，确定了不同的参数变化如何影响其设计。

在测试新材料时，团队经常缺少供应商提供有关材料属性的所有必要信息。因此，他们使用 COMSOL Multiphysics 评估已有信息测试材料属性，并将评估结果与 COMSOL 模型进行比较来估计材料性质。

主题演讲的屏幕截图，显示了换能器设计中使用的材料。

原型制造

NGC 团队在建立好模型并运行之后，会在整个原型制造过程中执行一系列测试，并将其与模拟结果进行比较。有时结果会不匹配，例如模型中可能缺少物理场。有时，Lagua能够在原型中发现制造问题。例如，当将压电材料黏合到背衬基板时，可能会出现气泡或黏合不良等问题。

Lagua 对导致问题的原因进行了假设，并在 COMSOL Multiphysics 中模拟了其假设。通过将模型结果与原始原型的假设进行比较，Lagua 能够快速对制造问题进行故障排除并纠正。

测试和验证

准备好原型后，NGC 团队将对其电气和声学特性进行系统级测试。

电气测试包括阻抗测试和电容测量。

在声学方面，NGC 公司使用了最先进的声学测试设备。该设备是私营企业最大的测试池，直径为 15 米，可容纳约 1500 立方米水，并用红木衬砌，以建造一个理想的宽带声学测试环境（模仿开放水域环境）。声学测试池用于测量声呐换能器中的发射电压响应，远场电压灵敏度和辐射方向图。该设备的测试结果将被反馈回模型中，并进行验证模型，或者在必要时进行调整。

声学测试池。图片由 Northrop Grumman Corporation 提供。

一旦设计通过了快速原型设计流程的前三个阶段，就可以一次又一次地快速迭代它们，直到准备好制造出最终设计版本为止。

微型无人水下飞行器的声呐

在 Lagua 的主题演讲中，她以 NGC 公司的一个项目为例说明了如何借助仿真快速实现声呐系统的原型制造。该项目成功使用 COMSOL Multiphysics 软件实现了快速原型设计。μSAS 系统是一种用于微型无人水下飞行器的双侧侧扫声呐。这些小型飞行器的直径约为 0.15 米，并已经预先编制了任务编程。

主题演讲的屏幕截图展示了 μSAS 系统。

由于设备的规模小，因此对尺寸、重量和功率有严格的设计限制。Lagua 的目标是在小型设备中开发出尽最佳的声呐，同时还可节约能源。最后，NGC 团队设计了一种在两侧均带有声呐的设备，该设备可实现干涉测量过程。这意味着该微型无人水下飞行器的声呐系统可以插入 3D 图像。

设计、原型制作、测试和验证

借助 COMSOL Multiphysics 软件，NGC 公司团队能够快速进行设计、原型制作、测试和验证，有时甚至仅需要一周时间！正如 Lagua 在演讲中提到的那样：“ COMSOL 推动了 NGC 公司的设计、创新和进步，对我而言也是如此。”

了解有关 Lagua 在 Northrop Grumman 公司使用仿真和快速成型和缩短产品开发周期的更多信息，请观看本文开头的主题演讲视频。

μSAS 是 Northrop Grumman Corporation 的商标。