آموزش هندسه در کامسول: راهنمای جامع مدل‌سازی

مقدمه

نرم‌افزار COMSOL Multiphysics یکی از قدرتمندترین ابزارهای شبیه‌سازی چندفیزیکی است که توسط مهندسان، فیزیکدانان و محققان برای حل مسائل پیچیده مهندسی استفاده می‌شود. ماژول Geometry در کامسول، قلب مدل‌سازی است؛ جایی که کاربر هندسه فیزیکی مسئله را ایجاد، ویرایش و آماده‌سازی می‌کند. بدون هندسه دقیق، شبیه‌سازی بی‌معنی خواهد بود.

این آموزش ۱۲۰۰ کلمه‌ای، به صورت گام‌به‌گام و عملی، نحوه کار با بخش هندسه در کامسول (نسخه ۶.۲ به بالا) را توضیح می‌دهد. از ایجاد اشکال پایه تا مدل‌سازی سه‌بعدی پیچیده، واردات فایل‌های CAD، عملیات بولی، پارتیشنینگ، تعمیر هندسه و نکات پیشرفته پوشش داده می‌شود. هدف، توانمندسازی کاربران مبتدی تا متوسط است تا بتوانند هندسه‌های واقعی مهندسی (مانند توربین، مبدل حرارتی یا سنسور) را با دقت بالا بسازند. تمام مراحل با اسکرین‌شات‌های توصیفی (در متن شبیه‌سازی شده) و نکات کاربردی همراه است.

شروع کار با ماژول Geometry

پس از باز کردن COMSOL، یک فایل جدید ایجاد کنید (File > New). در پنجره Wizard، فیزیک مورد نظر (مثلاً Heat Transfer) را انتخاب کنید و 3D یا 2D را برگزینید. سپس به Geometry node در Model Builder بروید.

رابط کاربری شامل:

• Graphics Window: نمایش سه‌بعدی هندسه.
• Settings Window: تنظیمات عملیات هندسه.
• Geometry Toolbar: آیکون‌های سریع برای پرمیتив‌ها (Primitives) مانند Block, Cylinder, Sphere.

گام اول: ایجاد پرمیتوی پایه روی Block کلیک کنید. در Settings:

• Width: ۰.۱ m
• Depth: ۰.۰۵ m
• Height: ۰.۰۲ m
• Position: (۰,۰,۰)

این یک مکعب مستطیل ایجاد می‌کند. برای مشاهده، Zoom to Fit (آیکون ذره‌بین) را بزنید.

گام دوم: افزودن سیلندر Cylinder > Radius: ۰.۰۱ m, Height: ۰.۰۲ m, Position: (۰.۰۳, ۰.۰۲۵, ۰). این سیلندر را روی بلوک قرار می‌دهد (مثلاً شبیه یک لوله در صفحه).

نکته: همیشه واحدهای یکسان (m, mm, cm) انتخاب کنید (Preferences > Units).

عملیات بولی و پارتیشن

برای ایجاد هندسه‌های پیچیده، از Boolean Operations استفاده کنید.

۱. Union (اتحاد): چند شیء را انتخاب کنید (Ctrl+Click) > Right-click > Boolean > Union. مثال: بلوک + سیلندر = یک صفحه با سوراخ لوله.

۲. Difference (تفریق): شیء اصلی (بلوک) را انتخاب کنید، سپس شیء کاهنده (سیلندر) > Difference. نتیجه: سوراخ در بلوک.

۳. Intersection (اشتراک): قسمت مشترک دو شیء.

۴. Partition (تقسیم): برای مش‌بندی بهتر، هندسه را با Work Plane تقسیم کنید. Geometry > Work Plane > XY-plane > Offset: ۰.۰۱ m. سپس Plane Geometry > Rectangle برای ایجاد خط برش.

مثال عملی: مدل مبدل حرارتی پوسته و لوله

• یک سیلندر بزرگ (پوسته): R=۰.۱ m, H=۱ m
• ۱۰ سیلندر کوچک (لوله‌ها): R=۰.۰۰۵ m, H=۱ m، با Array (آرایه) کپی کنید.
• Difference: پوسته منهای لوله‌ها.
• Union با صفحات ورودی/خروجی.

نکته پیشرفته: از Fillet (گرد کردن لبه) برای کاهش تمرکز تنش در شبیه‌سازی‌های مکانیکی استفاده کنید (Select edges > Fillet > Radius: ۰.۰۰۲ m).

واردات و تعمیر هندسه CAD

COMSOL از فرمت‌های CAD پشتیبانی می‌کند: STEP, IGES, Parasolid, ACIS.

واردات: File > Import > CAD File > انتخاب فایل .step. در Settings:

• Import as: Solid یا Surface
• Knit surfaces: فعال برای اتصال سطوح
• Repair tolerance: ۱e-6 m

مشکلات رایج و تعمیر:

• گپ‌های کوچک: Form Union > Heal برای پر کردن.
• سطوح معیوب: Right-click > Repair > Remove Sliver Faces.
• هندسه بیش از حد پیچیده: Simplify با حذف فیچرهای کوچک (Defeaturing).

مثال: واردات مدل توربین گازی از SolidWorks. پس از واردات، با Scale هندسه را به متر تبدیل کنید (Scale > Uniform: ۰.۰۰۱ اگر مدل در mm باشد).

LiveLink for CAD: اگر SolidWorks, Inventor یا AutoCAD دارید، تغییرات در CAD مستقیماً در COMSOL به‌روزرسانی می‌شود.

مدل‌سازی پارامتریک و متغیرها

برای بهینه‌سازی، هندسه را پارامتریک کنید.

در Parameters (زیر Global Definitions):

• Name: L, Expression: 0.5 [m]
• Name: R_tube, Expression: 0.01 [m]

در Geometry:

• Block > Width: L
• Cylinder > Radius: R_tube

حالا با تغییر پارامتر، هندسه به‌روزرسانی می‌شود. کاربرد: در Optimization module، کامسول به صورت خودکار پارامترها را تغییر می‌دهد.

Array و Mirror:

• Array: Polar یا Rectangular برای تکرار (مثلاً ۳۶ پره توربین).
• Mirror: برای تقارن (نیمه مدل بسازید، سپس Mirror کنید تا مش کمتر شود).

مش‌بندی و Virtual Operations

پس از هندسه، Form Union یا Form Assembly بزنید.

• Union: دامنه‌های مشترک حذف می‌شود (برای تماس حرارتی مناسب).
• Assembly: دامنه‌ها جدا می‌مانند (برای تماس مکانیکی با گپ).

Virtual Operations (نسخه ۵.۴+): برای ساده‌سازی مش بدون تغییر هندسه فیزیکی:

• Ignore Faces: حذف سطوح داخلی غیرمهم.
• Composite Domains: ترکیب دامنه‌ها برای مش درشت‌تر.

نکته مش‌بندی: در Physics > Mesh، اندازه المان را بر اساس هندسه تنظیم کنید. در نواحی با شعاع کوچک (مثل Fillet)، مش ریزتر نیاز است.

نکات پیشرفته و ترفندها

۱. هندسه ۲D Axisymmetric: برای مدل‌های چرخشی (لوله، مخزن)، از ۲D استفاده کنید و Revolution اضافه کنید. صرفه‌جویی ۹۰% در زمان محاسبه.

۲. Partition با Sweep: برای هندسه‌های اکسترود شده، مسیر و مقطع بسازید.

۳. هندسه متحرک (Moving Geometry): در ALE، از Deformed Geometry برای شبیه‌سازی جابجایی استفاده کنید.

۴. اسکریپت‌نویسی با Java یا MATLAB: در Method Editor، کد بنویسید: