Benötigt Ihre Simulation sehr viel Rechenzeit? Ein möglicher Grund dafür ist, dass Ihr Netz zu viele Elemente hat. In solchen Fällen sollten Sie auf ein benutzergesteuertes Netz umschalten, um die in der COMSOL Multiphysics® Software verfügbaren Vernetzungssequenzen manuell zu erstellen und zu bearbeiten, anstatt die Standardvernetzung zu verwenden. Wie wir anhand eines Beispiels erläutern werden, kann dies dazu beitragen, den Speicherbedarf zu reduzieren bei gleichzeitig genauen Ergebnissen.
Die Wahl eines genauen und effizienten Netzes
Das Netz, das Sie für Ihre COMSOL Multiphysics-Simulation wählen, hat großen Einfluss auf Ihre Modellierungsanforderungen. In der Tat ist die Vernetzung einer der speicherintensivsten Schritte, wenn es um das Aufsetzen und Lösen eines Finite-Elemente-Modells geht.
Um das für Ihr Modell am besten geeignete Netz zu finden, müssen oft die richtigen Elementtypen und -größen ausgewählt werden. In COMSOL Multiphysics® werden bei der Vernetzung folgende vier Elementtypen verwendet: Tetraeder (tets), Hexaeder (bricks), Dreiecksprismen (prisms) und Pyramiden. Außerdem gibt es neun voreingestellte Elementgrößen, von Extremely fine bis Extremely coarse.
Bilder von verschiedenen Elementtypen. Von links nach rechts: ein Tetraeder, ein Hexaeder, ein Dreiecksprisma und eine Pyramide.
Die Vernetzung ist, wie viele der in COMSOL Multiphysics® verfügbaren Werkzeuge, anpassbar und interaktiv. In nur wenigen Schritten können Sie einzelne Flächen oder Bereiche vernetzen. Darüber hinaus erstellen die standardmäßigen physikgesteuerten Vernetzungssequenzen Netze, die aus verschiedenen Elementtypen und Größenmerkmalen bestehen, die Sie als Ausgangspunkt für das Hinzufügen, Verschieben, Deaktivieren und Löschen von Vernetzungsoperationen verwenden können. Jede Vernetzungsoperation wird in der Reihenfolge erstellt, in der sie in der Vernetzungssequenz erscheint, um das letztendliche Netz zu erzeugen. Die Anpassung der Vernetzungssequenz kann dazu beitragen, den Speicherbedarf zu reduzieren, indem die Anzahl, der Typ und die Qualität der Elemente gesteuert werden, wodurch eine effiziente und genaue Simulation gewährleistet wird.
Das Anpassen der Vernetzungssequenz in COMSOL Multiphysics®
Nehmen wir an, Sie möchten ein elektronisches Bauteil modellieren, das mit Lötstellen auf einer Leiterplatte montiert ist. Ein solches Gerät kann hohe Temperaturen erzeugen, wenn es über einen längeren Zeitraum eingeschaltet ist. Wie in einem früheren Blog-Beitrag erwähnt kann Überhitzung das Bauteil schädigen und kann sogar eine Brandgefahr darstellen.
Im Falle unseres Übungsmodells kann es bei längerer Hitzeeinwirkung zum Kriechen der Lötstellen kommen, welche das elektronische Bauteil an seinem Platz halten. Dies kann schließlich zu einer dauerhaften Verformung und zum Versagen der Verbindungen führen. Hier werden wir untersuchen, wie verschiedene Netze zur Untersuchung einer solchen Komponente verwendet werden können.
Ein elektronisches Bauteil, das mit Hilfe von Lötkugeln auf einer Leiterplatte befestigt ist.
Zu Beginn starten wir mit dem standartmäßigenPhysics-controlled mesh, einem einfachen, unstrukturierten Tetraedernetz. Dieses Netz wird automatisch erstellt und an die physikalischen Einstellungen des Modells angepasst, wobei die Elementgröße standardmäßig Normal ist und die Vernetzungssequenz, bestehend aus einem Size und einem Free Tetrahedral Knoten, verborgen bleibt.
Ein Standardnetz für die Geometrie der elektronischen Komponente.
Das oben gezeigte resultierende Netz besteht aus etwa 45.000 Elementen. Diese Anzahl von Elementen löst die Geometrie zwar recht gut auf, aber eben in allen Bereichen der Geometrie, also selbst dort, wo viel weniger Elemente mit entsprechend geringerem Speicherbedarf für die Vernetzung ausreichen würden. Schauen wir uns an, wie eine Änderung der Vernetzungssequenz die Anzahl der Vernetzungselemente reduzieren kann…
Verwendung von Netzoperationen und Größeneinstellungen in der Vernetzungsequenz
Um die Zahl der Netzelemente zu verringern, können wir das Netz so anpassen, dass es in den sphärischen Bereichen, die die Gelenke darstellen, detaillierter und im Rest der Geometrie gröber ist. Zu diesem Zweck können wir nun unsere Aufmerksamkeit auf die lokalen und globalen Größenattribute in der Vernetzungssequenz richten. In der Standard-Vernetzungssequenz wird die Einstellung des ersten global attribute auf den nachfolgenden Free Tetrahedral 1-Knoten angewendet. Der Name “globales Attribut” wird dem ersten Size-Knoten in einer Sequenz gegeben, da er alle nachfolgenden Operationen beeinflusst.
Um unser Ziel zu erreichen, fügen wir der Operation Free Tetradhedral 1 ein lokales Attribut Size hinzu, das für die einzelnen Lötstellenbereiche gilt. Dadurch fokussieren wir uns auf das Wesentliche der Geometrie. Das Netz mit dieser Methode besteht aus etwa 28.000 Elementen, also nur knapp halb so vielen wie beim Standardnetz.
Ein angepasstes Netz, das mehr Netzelemente um die kugelförmigen Bereiche enthält.
Um die Anzahl der Elemente weiter zu reduzieren, können wir ein Swept Mesh verwenden, das die Größe des Modells und seine Berechnungskomplexität deutlich verringert. In unserem Beispiel modifizieren wir die Free Tetrahedral 1-Operation und wenden diese nur auf die Lötstellen an. Nun wollen wir den oberen Teil der Leiterplatte und das elektronische Bauteil als Quelle für unser Swept Mesh verwenden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass einige dieser Modellflächen bereits vernetzt sind, da sie an die Lötstellen grenzen.
Als nächstes fügen wir der Vernetzungssequenz einen Free Triangular-Knoten hinzu. Da COMSOL Multiphysics® neue Knoten in die Vernetzungssequenz nach dem aktuellen Knoten hinzufügt, wird der Knoten Free Triangular 1 zum aktuellen Feature anstelle des bestehenden Knotens Free Tetrahedral 1. Falls gewünscht, können Sie dies leicht ändern, indem Sie die Reihenfolge der Knoten in der Vernetzungssequenz verschieben. Denken Sie daran, dass dies zu Fehlern bei der Erstellung führen kann, wenn eine Operation von früheren Operationen in der Sequenz abhängt.
Netz mit einem hinzugefügten Free Triangular 1-Knoten.
Nun können wir uns wieder den lokalen und globalen Größenattributen in der Vernetzungssequenz zuwenden. Bei der Erstellung des Knotens Free Triangular 1 hat der Vernetzer die Einstellungen des ersten globalen Attributs Size übernommen. Wir können ein gröberes Dreiecksnetz zur Operation “Free Triangular 1 hinzufügen, indem wir ein lokales Größenattribut verwenden. Das neue Netz hat jedoch ein fast identisches Aussehen wie die vorherige Iteration. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Vernetzer das bereits vorhandene Netz der Lötstellen an den Kanten und die globalen Größeneinstellungen (die auf Normal eingestellt sind) an den Außenkanten verwenden musste. Daher wurde das lokale gröbere Netz nur auf das Innere der vernetzten Flächen angewendet.
Um dieses Problem zu vermeiden, müssen wir lediglich sicherstellen, dass der erste globale Knoten Size als das gröbste Netz in der gesamten Geometrie festgelegt wird. Dann können Sie Feature-Knoten mit lokalen Größen für Vernetzungsoperationen erstellen, die feinere Netze erzeugen. Nach Anwendung dieser Technik verwenden wir eine vordefinierte Netzgröße Coarser für das Swept Mesh und fahren mit dem Sweep des Quellnetzes in den übrigen Bereichen fort. Das Ergebnis ist ein Netz, das etwa 17.000 Elemente enthält.
Überarbeitetes Netz mit noch weniger Elementen.
Wenn Sie die Anzahl der Vernetzungselemente genauer steuern möchten, können Sie die Verteilung des Swept Meshes selbst festlegen. Bei Anwendung dieses Ansatzes auf unser Übungsbeispiel umfasst das Netz etwa 21.000 Elemente, wobei eine höhere Auflösung auf die für unsere Analyse wichtigen Bereiche, die Lötstellen, beschränkt ist.
Das Netz konzentriert sich auf wichtige Designelemente, während es in anderen Bereichen weniger dicht ist.
Wie wir hier gezeigt haben, ist die Modifizierung von Vernetzungssequenzen ein wichtiges Werkzeug, um die Anzahl der Netzelemente stark zu reduzieren und damit die Rechenzeit zu minimieren; und das alles, ohne dass die Ergebnisse für die Schlüsselbereiche einer Geometrie verfälscht werden. Möchten Sie mehr über Vernetzung erfahren? Werfen Sie einen Blick auf die unten aufgeführten Ressourcen.
Schauen Sie sich weitere Ressourcen zur Nutzung von Netzen für Ihre Simulationen an
- Durchsuchen Sie den COMSOL Blog für weitere Einträge zum Thema Vernetzung
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