摘要：COMSOL是一款功能强大的多物理场仿真软件，其精髓在于解方程，它把解方程的接口采用Physics Builder的方式开放给用户，可以解自定义方程。事实上，Physics Builder其实就是给用户提供了新的物理接口，解决COMSOL自带物理接口不能解决的问题。近年来，部分专家学者极大的扩展了COMSOL Physics Builder在土木工程中的应用领域和范围，使得部分问题的研究方式变得简单快捷。
关键词：COMSOL Physics Builder；新物理接口；自定义；土木工程
1.引言
COMSOL 是一款大型的高级数值仿真软件，它能够模拟科学和工程领域的各种物理过程。由于其具有高效的计算能力和优越的多场双向直接耦合分析能力，备受仿真爱好者的青睐，使其广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算。在COMSOL仿真研究中，COMSOL自带的物理接口通常可以满足普通的仿真需求。但一旦遇到比较新颖的物理研究问题时，这些自带的物理接口可能会使得问题解决变得复杂繁琐甚至无法解决问题。而COMSOL 中的Physics Builder恰恰能解决自带物理接口不能解决的问题。
Physics Builder是一个图形化编程环境，COMSOL使用者可以通过交互式桌面环境设计定制物理接口，而不需要编写代码。同时，使用Physics Builder，用户可以使用这些定制的物理接口来创建自己的产品和应用程序。Physics Builder功能极大的扩展了COMSOL的应用领域和范围。近年来，不少学者使用physics builder解决物理研究问题，取得不错的成效，笔者将针对部分Physics Builder在土木工程中的应用情况进行整理综述。
2.COMSOL Physics Builde在土木工程中的应用情况
在水文地质的研究中，虽然COMSOL工具箱中提供了多孔介质和地下流动模式，但是对于水文地质建模，一些常见的要求在图形用户界面中难以实现。尤其在渗透层中，即含水层，没有限制和不限制的情况的区别。使用Physics Builder可以区分含水层物理模式，使得水文地质学家能够像使用其他专门的水文地质建模软件那样使用COMSOL。E. Holzbecher[1]使用了COMSOL 中的Physics Builder来为承压和非承压含水层建立新的物理模式:confaq和unconfaq。
M. Karlsson[2]等人利用 Physics Builder构建了软土结构各向异性蠕变模型。这个模型在COMSOL中实现实体力学节点和达西定律节点之间的完全耦合分析，以及在 Physics Builder中创建的用户定义的本构模型实现仿真。Physics Builder被用来定义本构模型的主体，如决定模型各向异性行为的旋转定律、土壤中的结构以及速率倍增器和蠕变势面。Physics Builder使用户能够创建一个包含大量复杂方程和图形用户界面的本构模型。所建立的本构模型能够较好地反映黏土等软土的速率依赖性、各向异性和结构。
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Tobias Gasch[3]等人为了简化模型的使用，使用Physics Builder构建了一个定制的用户界面。提出了一种增强COMSOL Multiphysics固体力学特性的模型，该模型包括混凝土等准脆性材料开裂引起的局部变形分析。最后，以普通混凝土和钢筋混凝土为例对模型进行了验证，并以文献中的两个实例进行了验证。仿真结果与实验结果基本一致。
弹性体可用于多种技术应用，如轴承。大的动态载荷会导致弹性体产生有限的应变和自热。由于材料性能随温度变化，应用等温模型是不够的。因此，Frank Neff[4]等人使用COMSOL 软件，利用Physics Builder功能构建了一个新模型，该功能提供了热机械耦合。它由两个独立的物理界面组成，一个用于机械、粘弹性行为，另一个用于传热。由于多物理耦合的特点，可以添加热膨胀和耗散的影响。这为建立力学材料参数的温度依赖性模型提供了可能。因此，这个模型是完全耦合的。
3.结语
COMSOL Physics Builder是一个强大的工具，通过它可以为特殊应用程序构建新的物理模式。使用Physics Builder有很大的优势，因为它提供了一个特殊的用户界面，可以逐步增加模型的复杂性，且不需要任何编程方面的技能。最重要的是,使用Physics Builder构建的模型可用于任何合适的问题。笔者在使用Physics Builder过程中，有以下体会：
1.如何高效使用Physics Builder，关键在于用户是否深入剖析物理模型以及其数学描述。
2.Physics builder与COMSOL无关的思维过程是：确定模型的自变量、各变量之间的关系、总的控制方程、边界条件，确定哪些量需要用户输入确定，给所有的量命名并确定物理特性。
3.在构建模型结束后，可以使用Physics Builder管理器，将模式编译为存档，然后将其分发给专业应用程序领域中感兴趣的建模人员使用。
参考文献
[1]E. Holzbecher. Aquifer Physics Modes for Hydrogeological Modeling – an Application of the COMSOL Physics Builder[J]. 2013.
[2]M. Karlsson，J. Yannie.Implementation of a Modified Anisotropic Creep Model for Clays with Use of the Physics Builder [J].2016
[3]Tobias Gasch，Anders Ansell.Cracking in Quasi-Brittle Materials Using Isotropic Damage Mechanics[K].2016
[4]Frank Neff，Thomas Miquel，Michael Johlitz.Simulation Of Thermomechanical Couplings Of Viscoelastic Materials[L].2016.
论文作者:谭茜文1 王帅2
论文发表刊物:《知识-力量》2019年8月24期
论文发表时间:2019/5/7
标签：模型论文; 物理论文; 接口论文; 含水层论文; 方程论文; 各向异性论文; 土木工程论文; 《知识-力量》2019年8月24期论文;