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COMSOL 멀티피직스란?

‘COMSOL 멀티피직스(COMSOL Multiphysics)’는다중물리현상에초점을맞춘소프트웨

어로서, 이∙공학 분야에서 사용되는 편미분방정식(PDE)을 유한요소법을 이용하여 GUI환경

에서모델링할수있는소프트웨어이다.

여기서 말하는 다중물리현상이란 전자기-열-구조-유체-반응과 같은 복합적인 현상이 일

어나는것으로, COMSOL 멀티피직스에서는이러한현상을지원할수있는다양한어플리케이

션을제공하고있다.

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COMSOL 멀티피직스의개요및특징

COMSOL 멀티피직스를통한다중물리해석�

이번 호에서는 다중물리현상 모델링을 할 수 있는‘COMSOL 멀티피직스(COMSOL Multiphysics)’소프트웨어의 다양한 특징과 적용

사례들을 살펴보고, 여러 물리 현상이 복합적으로 얽혀 있는 모델을 COMSOL 멀티피직스로 어떻게 구현되는가를 살펴보도록 한다.

알트소프트기술지원팀에서근무하고있다,

E-Mail │ kim.te@altsoft.co.kr

홈페이지│ http://www.altsoft.co.kr

김태언

■연재순서■

제1회COMSOL 멀티피직스의개요및특징

제2회전기전자분야에서의연성해석

제3회MEMS 분야에서의연성해석Ⅰ

제4회구조역학분야에서의연성해석

제5회화학공학분야에서의연성해석

제6회RF 분야에서의연성해석

제7회MEMS 분야에서의연성해석Ⅱ

제8회음향해석분야에서의연성해석

제9회COMSOL을이용한성공사례

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그리고COMSOL 멀티피직스로모델링할때사용자입장에맞추어

서해석하고자하는문제에집중할수있도록, 기본적으로지원되는애

플리케이션 이외에 사용자가 직접 식을 만들어서 모델링에 적용할 수

있는기반도갖추고있다.

COMSOL 멀티피직스의 특징

64비트 지원

최근컴퓨터가64비트, 멀티코어CPU를갖추고있는데, COMSOL

멀티피직스는윈도우/리눅스/매킨토시(64비트제외) 등의운 체제를

지원하고있다.

모델 트리(Model Tree)

이기능은모델링하는과정을일목요연하게파악할수있는기능이다.

머지(Merge)/어셈블리

이 기능은 모델링하는 전체 구조 중에서 일부분만 변경하여 해석할

수있도록하는기능이다.

단위 지원

COMSOL 멀티피직스에서는 SI 단위 외에도 9가지 단위를 제공하

고있으며, 단위를변경할때마다값을자동전환할수있는기능을제

공한다.

격자 불러들이기

COMSOL 멀티피직스는프리프로세서를가지고있기때문에자체

적 격자 생성이 가능하지만, NASTRAN에서 만든 격자를 불러올 수

있는기능을가지고있다.

물성 데이터베이스

COMSOL 멀티피직스에서는 2,500여 개의 비선형 물성 데이터베

이스가있다. 이를이용하여손쉽게모델링물성을제공받을수있다.

다양한 격자 제공

삼각형 격자뿐만 아니라 사각,

사면체, 프리즘, 육면체 등 다양한

자동격자 생성을 지원하고 있으며,

이를 이용하여 복합적인 격자도 구

성할 수 있다. 이 외에 바운더리 레

이어 메시(Boundary Layer

Mesh) 기능이 있어서 경계 부분에서 더 정확한 값을 얻고자 할 때 사

용할수도있다.

솔리드웍스와의 연동

다양한 CAD 소프트웨

어에서 형상을 불러들일

수있지만, 특히COMSOL

멀티피직스와 솔리드웍스

는 양방향으로 연동이 가

능하다. 솔리드웍스에서

만든구조를COMSOL 멀티피직스로불러올수있으며(CAD 임포트모

듈), COMSOL 멀티피직스에서구조를변경하면솔리드웍스에바로

향을준다.

COMSOL 멀티피직스를통한다중물리해석�

MATLAB과의 연동

COMSOL 멀티피직스는 MATLAB(7.0 이상)과 연동이 가능하다.

특히시뮬링크(Simulink)와는바로연계가가능하도록되어있다.

다양한 솔버

Stationary/Transient/Parametric/Eigenfrequency/Frequency

Response/Quasi-Static/Time-harmonic 등 여러 해석을 위해 멀

티코어CPU를지원하는다양한솔버를제공하고있다.

COMSOL 멀티피직스 모듈

COMSOL 멀티피직스는여러물리현상을고려하기위해서다양한

모듈을제공하고있다.

COMSOL 멀티피직스는 크게 GUI 환경에서 운 할 수 있는

COMSOL 멀티피직스와스크립트환경에서작동되는COMSOL 스크

립트(COMSOL Script)로나눌수있다.

AC/DC 모듈

전자기기 내에서의 전자기장, 토크, 전자기력, 열과의 연동 해석 등

전자기에서일어나는여러현상을고려할수있다.

RF 모듈

AC/DC 모듈과는 달리, 전자기파 해석에 적용되는 모듈이다. 물론

다른현상과연동하여사용할수있다.

화학 엔지니어링(Chemical Engineering) 모듈

화학 엔지니어링 모듈은 화학공학에서 일어나는 전반적인 현상(유

동, 열, 물질전달)을고려한모듈이다.

지구과학(Earth Science) 모듈

이모듈은지반에서일어나는현상을고려할수있다.

열 전달(Heat Transfer) 모듈

전도, 류뿐만아니라복사까지적용가능하며, 바이오열전달및

박막열전달에서도다룰수있다.

MEMS 모듈

마이크로 크기에서 일어나는 현상(미세유체, 센서, 액추에이터 등)

을고려한모듈이다.

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MatWeb COMSOL 멀티피직스

AC/DC 모듈

화학 엔지니어링 모듈

열 전달 모듈

어쿠스틱 모듈

재료 라이브러리

RF 모듈 신호&시스템 랩COMSOL 리액션 엔지

니어링 랩

AC/DC 모듈지구과학 모듈

MEMS 모듈

구조 메카닉스 모듈

CAD 임포트 모듈

솔리드웍스

Chemkin, Janaf,NASA

C, 포트란, 자바, 스파이스, 엑셀

최적화 랩

카티아, 인벤터, 프로엔지니어,솔리드 에지, NX 등

COMSOL 스크립트MATLAB&시뮬링크

양방향 인터페이스 및 자동M-파일 생성

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어쿠스틱(Acoustic) 모듈

유체내에서뿐만아니라고체에서의음향, 진동을고려하고자할때

사용할수있는모듈이다.

구조 메카닉스(Structural Mechanics) 모듈

구조의변위, 응력, 접촉, 피로해석뿐만아니라열/유동에의한구조

변화를볼수있다.

CAD 임포트(CAD Import) 모듈

이 모듈은 3차원 CAD 소프트웨어에서 만들어진 구조체를

COMSOL 멀티피직스로불러올수있는기능을제공하고있다.

COMSOL 스크립트(COMSOL Script)

COMSOL 스크립트는 스크립트 기능이 부여되어 있어서 사용자가

직접 스크립트를 작성하여 모델을 만들 수 있을 뿐만 아니라,

COMSOL 멀티피직스에서 만든 모델을 M-파일로 저장하면 이를 불

러와서사용할수있다.

다음3가지모듈은COMSOL Script 기반하에서운 되는것이다.

신호&시스템 랩(Signal&System Lab)

몬테카를로(Monte Carlo)와같은신호, 시스템처리를다룰수있다.

리액션 엔지니어링 랩(Reaction Engineering Lab)

열역학성질을이용하여화학반응을다루는모듈이다.

최적화 랩(Optimization Lab)

말그 로최적화와관련된모듈로서, 선형및비선형문제에있어서

의최적화값을찾는데사용하고있다.

애플리케이션 사례

여기서 알아볼 사례는 전자기/유동/열/구조의 여러 물리 현상들이

복합적으로얽혀있는예제모델이다.

앞에서 언급한 여러 모듈을 이용하여, 다중물리현상을 구현하는 데

에COMSOL 멀티피직스가어떻게작용되는가를살펴보도록한다.

모델링하는구조체는그림과같다.

COMSOL 멀티피직스를통한다중물리해석�

제품 필요 요소 포맷네이티브

CAD 소프트웨어

COMSOL 멀티피직스 STL(.stl), VRML(.wrl),

DXF(2D)(.dxf), GDS

(2D)(.gds), NASTRAN

CAD 임포트 모듈 COMSOL 멀티피직스 STEP(.stp), IGES(.igs), 솔리드웍스,

SAT(.sat), 파라솔리드(.x_t) 솔리드 에지, NX

카티아 V4 임포트 모듈 CAD 임포트 모듈 카티아 V4(.model) 카티아 V4

카티아 V5 임포트 모듈 CAD 임포트 모듈 카티아 V5(.catpart) 카티아 V5

인벤터 임포트 모듈 CAD 임포트 모듈 인벤터(.ipt) 오토데스크 인벤터

프로엔지니어임포트모듈 CAD 임포트 모듈 프로엔지니어(.prt, .asm) 프로엔지니어

VDA-FS 임포트 모듈 CAD 임포트 모듈 VDA-FS(.vda)

유체 역학

열 전달구조 해석, 열 팽창 전자기장

고체의 열 해석

입구

출구

지배식 설정

우선 COMSOL 멀티피직스를 실행하면 지배식을 설정하는 환경이

나온다. 여기서모델링에합당한지배식을설정하게된다. 여기서는순

서 로유체, 열, 전기, 구조식으로설정하 다.

구조체 만들기

COMSOL 멀티피직스는 1차원부터 3차원까지 구조체를 그릴 수 있

는CAD 기능이있으며, 또한CAD 임포트모듈(CAD Import Module)

을 이용하여 다른 CAD 소프트웨어에서 만든 구조체를 불러와서 사용

할수있다. 모델링하고자하는구조물은그림과같은구조체이다.

물성값 설정

이 단계는 위에서 설정한 지배식에 적용할 여러 변수를 설정하는 단

계이다. COMSOL 멀티피직스에서는 도메인별로 물성값을 설정할 수

있으며, 변수를상수또는함수형식으로입력할수있다. 또한, 물성데

이터베이스(Material Library)에서원하는물성이있으면이를바로이

용해도된다. 이모델에적용할물성은물성데이터베이스에있는값을

이용하 으며, 모든물성이온도(T), 압력(p)의함수형태를띄고있다.

경계값 설정

각지배식마다미리정의되어있는경계가있으므로, 이를이용하여

알맞은 경계 위치에 값을 넣으면 된다. 이 단계에서도 여러 현상들이

복합적으로 적용되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 구조와 유체의 연성

(FSI)과관련하여COMSOL 멀티피직스에서미리정의되어있는값을

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이용해서정의를하게된다.

격자 생성

모든 물성 및 경계를 설정하 으면 격자를 만드는 단계로 넘어오게

된다. COMSOL 멀티피직스에서는 격자를 생성할 때 원하는 격자 방

식으로생성할수있다. 그리고통합적인형식으로적용이되기때문에

모든물리현상에동일한격자를생성해서이용하게된다.

솔버

COMSOL 멀티피직스에서 제공하고 있는 다양한 솔버를 이용해서

해석을하는단계이다. 솔버및컴퓨터사양에따라서계산시간이다르

게나올수있다.

후처리

후처리에서는 다양한 후처리 메뉴를 이용하여 여러 가지 값을 동시

에볼수있다.

맺음말

최근 모델링 추세가 다중물리현상으로 넘어가고 있는 시점에서

COMSOL 멀티피직스는 사용자에게 도움이 될 수 있는 기능을 갖고

있다. 앞으로 연재를 통해 COMSOL 멀티피직스의 더 많은 활용성을

발견할 수 있게 되기를 바라며, COMSOL 멀티피직스를 통해 다양한

다중물리현상을고려해보는기회가되기를바란다.

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