科研常用模拟计算软件简介

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科研常用模拟计算软件简介

科研常用模拟计算软件

如今的科研工作中越来越多的需要用到各种理论模拟或数值计算,直接使用成熟的商业模拟软件往往是科研人员解决问题的首选。目前模拟软件众多,如何找到适合自己研究方向的软件是非常关键的问题。否则花了很大时间精力学习了一款软件,最后发现软件并不是最适合自己的研究方向则是得不偿失。

根据自己的科研需求,选择最适合的软件进行学习非常重要。有针对性的学的模拟软件的使用才能事半功倍。希望本文能帮助大家选找到适自己研究领域的模拟软件,解决自己的科研问题。今天就给大家简单介绍一下各种模拟计算的软件。

目前科研常用的模拟软件可以分为以下三类:

  • 数学计算软件,如Maple、MATLAB、Mathematica;

  • 化学类模拟软件,VASP、Materials Studio、Gaussian;

  • 物理和工程类仿真模拟软件,如ANSYS、ABAQUS、COMSOL等。

这些软件都具有一些数值计算或模拟仿真的功能,但功能和应用领域则大相径庭。

数学计算软件

数学计算软件,它们能够帮助计算各种数学运算和方程求解,以及对数据进行处理和运算。常用的软件有MATLAB、Mathematica、Maple。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合,意为矩阵工厂,其基本的数据单位是矩阵是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。MATLAB也是一套编程语言,它很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式,用户通过编写MATLAB程序可以方便的实现数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能。Mathematica和Maple都能提供非常强大的符号计算功能,能实现各种复杂的数学运算。以上这些数学软件计算功能强大,但对使用者的数学和编程功底要求更高

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化学类模拟软件

化学类模拟软件,它们在化学、材料等学科中运用非常广泛,这些软件主要针对分子层面的微观问题的模拟计算,在给定分子结果的前提下可以计算材料的光谱性质、电子结构、分子不同构象的能级等等。理论方法主要分为基于量子力学的第一性原理计算,密度泛函理论,和基于牛顿力学的分子力学。VASP、Materials Studio、Gaussian是常见量子化学模拟软件,目前三种软件都包含许多模块,有基于不同算法的模拟功能,可以计算材料的结构参数(键长,键角,晶格常数,原子位置等)和构型、计算材料的状态方程和力学性质、计算材料的电子结构(能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和ELF)、计算材料的光学性质、 计算材料的磁学性质、计算材料的晶格动力学性质(声子谱等)、表面体系的模拟(重构、表面态和STM模拟)、从头分子动力学模拟等等。

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物理和工程类仿真模拟软件

物理和工程类仿真模拟软件的功能覆盖了涵盖了力学、流体、电磁学、光学、声学、电化学、化工、半导体等多个领域。如今物理学的各个方向都有非常完善的理论,几乎所有的物理现象都能有几组偏微分方程来描述,所以这些模拟软件的本质就是利用数值计算求解各种形式的偏微分方程。

计算方法主要基于有限元方法,一些特定的领域会使用有限体积法和有限差分法。这三种方法中有限元法功能最强大,应用面最广,有限体积法和有限差分法能解决的问题理论上有限元法都能解决。但在特定应用领域,有限体积法和有限差分法则有计算速度快,收敛性更好的优势。下面介绍几种常用的仿真模拟软件。

常用仿真模拟软件

ANSYS公司是目前最大的模拟软件供应商,其产品主要针对多个工程领域,例如用于力学领域的ANSYS Mechanical基于有限体积法的流体力学模拟软件FluentCFX用于电磁学模拟的HFSS。这些软件能提供非常强大的求解功能,其计算结果的可靠性经过许多实际工程案例的检验。但针对不同问题的软件使用方法也完全不一样,要学习使用这些不同的软件需要花费较大的精力。

COMSOL是目前科研工作中使用最多的模拟软件,其特点是强大的多物理场耦合功能。软件主要基于有限元法,提供了涵盖了力学、流体、电磁学、光学、声学、电化学等各个方面的非常全面的模拟功能,并可以任意的将不同的物理问题关联起来,方便研究不同物理过程之间的相互作用。对于不同的物理问题,COMSOL提供相同的建模环境和软件操作方法,易于学习。另外软件提供丰富的案例库供用户参考。

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最近,越来越多的NatureScience 及其子刊论文都用到了COMSOL模拟。近年来COMSOL由于它的功能覆盖面广,界面友好,建模方便快捷等优势,其在科研中的运用越来越多。如下图所示,在Nature 出版的期刊中搜索COMSOL,能得到非常多的结果。

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课程概要

提高文章中稿率、冲高影响因子的关键,在于数据的说服力是否足够强大。实验结果不理想,数据不够完美,论文内容缺乏支撑,这些问题有限元仿真模拟都可以轻松解决。帮助文章轻轻松松更上一区,让你的实验结果从此告别“差强人意”,高影响因子不是梦!

在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能,在许多物理和工程类学科(力学,光学,流体力学,电磁学,声学,化工)中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析,结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展,仿真模拟的需求也不限于上述的学科,在新兴的材料科学,能源科学,生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现,仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用,越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。

本课程专门针对科研学术领域,为学员提供仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 软件使用的全面详细讲解。课程从入门级内容开始,循序渐进地讲解数值仿真中的模型分析方法,以及建模操作流程(其中包括创建几何、网格剖分、设定物理场、求解及结果的后处理等),让学员全面掌握整个建模流程,并能够独立地使用 COMSOL 求解相关仿真问题。有无基础的学员均可参加培训,我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容。

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课程内容

1.入门有限元仿真模拟

有限元方法的基本内涵,仿真模拟基本理论的讲解,以及该方法在科学研究中的广泛应用领域和重要意义,能够帮助科研人员解决的实际问题,不同仿真模拟软件(COMSOL ANSYS Abaqus)的特点和在科研上运用的优缺点比较;

COMSOL 软件介绍及基本操作演示和教学,包括软件界面学习、创建和导入几何模型、物理场设置、网格剖分与求解和结果后处理等。

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2.有限元模拟的一般思路和通用方法

理解线性和非线性有限元法的理论基础,了解COMSOL 多物理场仿真软件的基本知识,以典型的多物理场模拟为入门教学案例,帮助学员迅速入门并掌握有限元分析方法的基本思路,并能够灵活应用于自己的研究领域。

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3.COMSOL软件的高级使用技巧

结合大量科研实际案例进行实践操作过程的演示教学,包括几何建模注意事项,优化网格划分的方法与技巧,结果后处理与复杂图表的绘制方法,多物理场耦合的方法与技巧,通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题等,深入学习COMSOL软件的高级操作技巧,并结合学员科研背景进行案例演示,进一步挖掘实操中的常用技巧。

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4.多物理场仿真建模的高效技术解决方案

结合实例学习多物理场仿真有限元法的数学理论基础,多物理场耦合的分析方法和注意事项,添加方程式及耦合分析;求解时域,频域和特征值问题;移动网格和自适应网格方法,查找,理解和排除建模中的错误,用户工作效率最大化的有效建模,仿真模拟在科研中的实战演练,结合学员背景与最新顶级期刊案例进行仿真模拟实战训练,进一步深入学习COMSOL软件的指导与建议,针对科研工作中的问题和老师当面交流,理清思路,解决模拟困难。

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部分教学案例展示

几何建模注意事项

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优化网格划分的方法与技巧

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结果后处理与复杂图表绘制

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多物理场耦合的方法与技巧

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通过函数、变量与自定义方程

的使用模拟复杂问题

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纳米摩擦发电机仿真模拟

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微流体物质混合模拟

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金属光栅衍射

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课程试听

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学员作品

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模拟案例

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科研常用模拟计算软件简介原文始发于微信公众号(纳米人):科研常用模拟计算软件简介

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