Det är en mycket positiv Ed Fontes som möter oss på huvudkontoret i Stockholm. Han är nöjd med läget och utvecklingen för hela ”Multiphysics-paketet”, inkluderat både teknologiskt och kommersiellt utfall.
”Det vi gör träffar rätt. Idag går företagens produkter mot allt större komplexitet. Det ökar behoven av lösningar som kan hantera utveckling av avancerade produkter i hela team, utan att det ska behövas en doktors-examen för att kunna använda och tolka simuleringsmjukvara. Idag är detta mer eller mindre historia. Vår vision cirkulerar kring enkelhet på ytan som kan hantera komplexitet på djupet. Genom att bygga våra lösningar efter detta kan vi bidra till att sprida användningen av multifysiska lösningar och öka förmågan att skapa bättre produkter genom det vässade beslutsunderlaget,” säger han.
Stor efterfrågan på batterilösningar
På den kommersiella sidan noterar COMSOLs utvecklingschef en intressant trend: efterfrågan på multifysikmodeller för batterier är mycket stor. Det är uppmuntrande och visar på ett underliggande behov, trots att batteribranschen tampats med en automotive-marknad där försäljningen av rena elbilar och hybrider som andel av totalförsäljningen tenderat att peka neråt en tid. En tolkning av den ökande efterfrågan är att den tekniska utvecklingen på batteriområdet, gällande bl a uthållig prestanda, är väldigt viktig för att få fart på affärerna.
”Det ligger mycket i det och en effekt som verkligen är en uppgift för multifysik-simulering är upp- och urladdning av batterier. Hos litium-jonbatteriet är elektroderna uppbyggda av små partiklar där litiummetall reduceras och oxideras. När litiumet går in i partiklarna så expanderar de, när det går ur partiklarna så krymper de igen. Detta ger upphov till mekaniska spänningar i elektroderna som så småningom utmattas, vilket leder till att sprickor bildas. Dessa sprickor orsakar till slut åldring hos elektroderna som tappar i prestanda. Låga och höga temperaturer ger även ett ’tillskott’ till åldringen. För att modellera detta krävs en kopplad elektrokemisk-, strukturmekanisk- och värmebalans-modell,” kommenterar Fontes.
En multifysisk verklighet måste speglas i multifysiska digitala modeller
En tung poäng med multifysik-simuleringar typisk för framför allt de miljöer COMSOL Multiphysics erbjuder är att de gör det möjligt att modellera komplexa, samtidiga interaktioner mellan flera fysikdomäner som inte enkelt kan studeras experimentellt på grund av kostnads-, tids- eller säkerhetsbegränsningar. På sista raden handlar det om att spara tid och pengar, samtidigt som man faktiskt också kan öka kvalitén.
”Precis,” säger Ed Fontes. ”Eftersom processer och produkter ofta styrs av flera fysikaliska fenomen samtidigt, tenderar de att uppföra sig mer icke-linjärt än linjärt. Så hur får man t ex koll på hur komplexa, bara digitalt existerande 3D-modeller av produkter, funktionellt beter sig när de omsätts till fysiska motsvarigheter? Det kräver förstås vassa digitala simulerings- och analysverktyg. De styrs ju av mer än en typ av fysik, där var och en normalt är representerad av en uppsättning partiella differentialekvationer (PDE). Med vår motor kan man bygga på dessa PDE:er i princip hur långt som helst och kan på så vis beskriva den sammantagna effekten,” säger Fontes och pekar på ett exempel där man leder ström i en kabel. Strömmen utvecklar värme, vars utbredning kan påverka ledningsförmågan, materialegenskaper, vätskeflöden, eller störa känslig närliggande signalutrustning, osv. Genom multifysik-simulering kan man validera att allt detta fungerar ihop som man tänkt sig. Det är i detta som COMSOL Multiphysics motor ger en unik flexibilitet; de verkliga experterna kan t o m mata in sina egna system av partiella differentialekvationer (PDE) för att få exakt den bild man söker.
COMSOLs stora trumfess
Det finns en intressant paradox i detta i tider av AI och toppmodern datateknologi. COMSOLs framgångsrika multifysik-mjukvara vilar tungt på dessa PDE:er och därmed också på 1670-80-talsupptäckten av differentialekvationer. Det anses vara tysken Gottfried Vilhelm Leibniz, som i slutet av 1670-talet formulerade den första PDE:en, som i sin tur var en följd av Isaac Newtons resonemang kring fysisk dynamik och ”flödesekvationer.” Svårt att säga vem som var först, men fundamentet är i alla fall månghundraårig matematik, som dock förfinats till dagens toppmoderna multifysik-simuleringslösningar. På sista raden är det dock ännu idag just denna typ av matematik som så där 350 år efter sin upptäckt ger COMSOL en signifikant marknadsmässig konkurrensfördel. Bolagets utvecklingschef ler åt kopplingen:
”Visst, matematiken är gammal men har, precis som du säger, tillförts så oerhört mycket förfining och utvidgade kapabiliteter genom historien med sånt som t ex diffekvationer för elektromagnetism och annat från såna som Euler, Schrödinger, Gauss, Maxwell och andra giganter. Men visst är det vår konkurrensfördel; eftersom fysiken uttrycks som PDE:er så finns ju detta språk redan. Det vi gör är att tolka dem och skapa en numerisk modell från en matematisk modell. Det underlättar oerhört, man skriver ner ekvationerna som man alltid gjort, vilket minimerar felen och förstås också arbetet med att skapa numeriska modeller. I detta ligger också huvudskillnaden mellan oss och Ansys. De har traditionellt jobbat med färdiga numeriska modeller, medan våra så att säga skapas on the fly.”
Detta PDE-upplägg är sålunda ett av COMSOLs konkurrensmässiga trumfess, som ger kapaciteter som egentligen ingen annan spelare på multifysikområdet ur en flexibilitets-synvinkel kan matcha, Ansys inräknat.
Appen möjliggör för bolagets kunder att använda simulering för att fatta välgrundade beslut om kostnadseffektiva gjutningsstrategier på byggplatser. Läs mer om detta intressanta case i artikeln på PLM&ERP News genom att klicka på länken i texten nedan.
Världens största byggmaterialleverantör använder COMSOLs multifysik
”Men det finns förstås fler faktorer,” tillägger Ed Fontes. ”Jag talar i detta om våra lösningar som bidragit till att sprida simulerings och analysresultaten till en bredare krets, ja, egentligen t o m utöver deltagarna i själva produkt- och produktionsutvecklings-teamen, genom vår Application Builder. Den underliggande tanken är att det simuleringsdrivna FoU-arbetsflödet blir som mest framgångsrikt när kollegor över team, avdelningar, organisationer och företag kan få tillgång till och bidra till att skapa exakta modeller som kan användas för innovation, design och optimering.”
För detta ändamål innehåller den bredare COMSOL Multiphysics-plattformen tre huvudsakliga arbetsytor:
- Model Builder: För modellbyggare finns all funktionalitet som modellerings- och simuleringsspecialister behöver för att bygga, lösa, visualisera och utvärdera fysikbaserade modeller.
- Application Builder: En kopplad lösning som ger modelleringsspecialisterna användarvänliga verktyg för att de ska kunna bygga anpassade simuleringsappar för användning av kollegor och kunder.
- Model Manager: Ger en strukturerad arbetsyta för att organisera modeller och appar, med versionskontroll, sök- och filterfunktionalitet och effektiv lagring, samt funktionalitet för att kopiera operativa sekvenser från en modell för att återanvända i en annan.
Detta är spännande, inte minst just Application Builder, och PLM&ERP News har bl a publicerat en mycket illustrativ fallstudie under rubriken: MULTIFYSIK I BETONGVÄRLDEN: Simuleringsapp byggd i COMSOLs Application Builder vägleder projektbeslut på byggplatser.
Denna handlar om Heidelberg Materials, en av världens största leverantörer av byggmaterial, som givit entreprenörer tillgång till multifysik-simulering med en app, döpt till HETT 22, som byggts av COMSOLs partnerföretag Deflexional, på COMSOL Multiphysics. Appen möjliggör för bolagets kunder att använda simulering för att fatta välgrundade beslut om kostnadseffektiva gjutnings-strategier på byggplatser.
Vad är surrogatmodeller?
Redan när COMSOL introducerade surrogatmodeller 2023 var de ett stort framsteg. Det ska konstateras att konceptet vässats ytterligare i 6.3-versionen.
”Absolut, när de kom blev det möjligt att bygga blixtsnabba appar genom att släppa funktionalitet för att träna surrogatmodeller med hjälp av maskininlärning,” aäger Ed Fontes och förklarar att när man inkluderar de datadrivna surrogatmodeller i sina simuleringsappar, kommer användare av apparna att få nästan omedelbara simuleringsresultat baserat på deras indata.
”Det beror på att surrogatmodeller är tränade för att approximera beteendet hos mer beräkningsmässigt dyra, fullfjädrade finita elementmodeller, utan att offra noggrannheten.” Med lanseringen av COMSOL Multiphysics version 6.3, blir också processen att träna surrogatmodeller i sig mycket snabbare tack vare stöd för att utföra träningen på grafikkortet.
Det finns fler intressanta kapabiliteter: Möjligheten att både använda surrogatmodeller och länka simuleringsappar till externa sensorer, databaser och webbtjänster gör att det är möjligt att bygga och driva appar som effektiva digitala tvillingar.
Men vad är egentligen en surrogatmodell? ”Det är helt enkelt en avancerad funktionsanpassning som approximerar en multifysikmodell,” förklarar Ed Fontes och tillägger: ”Anpassningen kräver beräkningskraft, då data genereras genom att lösa multifysikmodellen under den så kallade ’träningen’. Givet indata, beräknar surrogatmodellen utfallet. Om anpassningen till multifysikmodellen är noggrann, d v s om man har ’tränat’ det djupa neuronnätet eller den Gaussiska processen väl, blir resultatet beräknat av surrogatmodellen också noggrant och täcker dessutom många fler datapunkter.”
Fördelen är att surrogatmodellen beräknar resultatet blixtsnabbt och för alla punkter inom anpassningsintervallet – ”oändligt” många fler än vad som har använts vid ”träningen” – och kräver varken stor beräkningskraft eller utrymme. Den är ”lätt”.
Träning av nätverket
Surrogatmodellen är sålunda blixtsnabb på att beräkna utfallet (givet indata) och modellen tar dessutom väldigt lite utrymme, enligt COMSOLs utvecklingschef. Den kan installeras på utrustning på plats och kräver mycket lite datorkraft. Simuleringsappar kan därmed köras på många fler plattformar och i många fler fall, eftersom användaren eller processen inte behöver vänta på resultatet; det kommer ögonblickligen.
För detta använder COMSOL, som noterats ovan, bl a djupa neuronnät (DNN, Deep Neural Networks), eller artificiella neuronnät, Gaussiska processer och andra avancerade funktions-approximationer. Anpassningen av dessa funktioner med hjälp av multifysiksimuleringar är vad man kallar ”träning” av nätverket eller den Gaussiska processen. Det hela låter onekligen som AI, eller egentligen ML (Machine Learning). Alltnog fortfarande är detta en del i toppmodern AI. Men Ed Fontes och COMSOL är lite försiktiga med etiketteringen här:
”Ja, vi inte går ut och säger att, ’vi nu har ”AI-baserad maskininlärning’. Detta eftersom en sådan etikettering inte förklarar vad vi menar, varken för våra befintliga eller potentiella användare. Säger vi istället, ’datadrivna surrogatmodeller med avancerade funktionsapproximationer, som djupa neuronnät och Gaussiska processer,’ så förstår många av våra användare omedelbart vad vi menar. Eller så kan de lätt slå upp det, eftersom det är väldigt specifikt. Möjligtvis hade ’AI-baserad maskininlärning’ fungerat bra för pressen och för investerare. Men för er i pressen måste vi ändå till slut förklara vad vi menar och vi har ju inga investerare. Dessutom hade det känts lite cyniskt att försöka rida på AI-vågen genom att använda termen ’AI’ samtidigt som det finns en mycket mer specifik och användbar beskrivning.”
Mer om den nya 6.3-versionen av Multiphysics
Detta sagt ska vi översiktligt titta på andra bitar som COMSOL pekar på och diskuterar kring i en lanserings-pressrelease:
Vi börjar med de nya verktygen för automatisk bearbetning av geometrier, som man hävdar, ”underlättar och effektiviserar modellutvecklingen genom att avlägsna onödiga detaljer och defekter i CAD-modeller, med högre meshkvalitet och ökad simuleringstillförlitlighet som följd.” Användare kan därmed importera större industriella CAD-modeller som ursprungligen inte var avsedda för simulering, och använda geometriberednings-verktygen för att göra de justeringar som krävs för att uppnå robusta simuleringar.
Men vi ser här också utslag av COMSOL-utvecklarnas strävan mot att göra livet för ingenjörsteamen lite lättare: Den interaktiva Java-miljön möjliggör omedelbara modelländringar med hjälp av COMSOLs API. Ett chatbot-verktyg som kan generera Java-kod och svara på allmänna frågor finns också till hands.
Upp till 25 gånger snabbare simuleringar med tidsberoende akustik
Vi var inne på detta i ingressen ovan; akustikmodulen erbjuder nu GPU-stöd för upp till 25 gånger snabbare simuleringar av tryckakustik i tidsdomänen samt nya möjligheter för poroakustik, inklusive stöd för modellering av anisotropa material och frekvensberoende materialegenskaper i tidsdomänen.
”Det nya GPU-stödet för tidsberoende akustisksimuleringar är ovärderligt för ingenjörer som arbetar med ljudsystem i bilar eller optimerar akustik i kontors- och bostadsutrymmen”, säger Mads J. Herring Jensen, ansvarig för akustikutveckling på COMSOL. ”Snabbare akustiksimuleringar kommer att hjälpa våra användare att på kortare tid och mer effektivt ta fram nya designlösningar och produktinnovationer.”
Detaljerade simuleringar för modeller med elektriska urladdningar
Version 6.3 introducerar som sagt också Electric Discharge Module med kraftfulla simuleringsmöjligheter som spänner över ett brett spektrum av elektriska urladdningsscenarier, inklusive gasurladdningar vid atmosfärstryck samt nedbrytningsfenomen i vätskor som transformatorolja och fasta material som isolerande polymerer.
”Electric Discharge Module ger nya modelleringsmöjligheter för design av allt från hemelektronik till högspänningssystem”, säger Lipeng Liu, teknisk produktchef på COMSOL. ”Simulering av elektriska urladdningar har varit ett högprioriterat område för oss, och det är glädjande att se COMSOLs styrkor inom multifysik förenas i denna produkt. Urladdningsfenomen involverar flera fysikområden och kan därmed dra full nytta av potentialen hos COMSOLs modelleringsverktyg.”
Övriga nyheter i produktsviten
Fler höjdpunkter i COMSOL Multiphysics version 6.3 är:
- Effektiv datasampling för att skapa surrogatmodeller
- Elektromekanisk modellering för tunna strukturer, verktyg för fuktinducerad svällning och förenklade arbetsflöden för punktsvetsar och fästelement
- Noggrannare elektrostatiska kraftberäkningar för MEMS-enheter, effektiv modellering av laminerat järn i motorer och transformatorer samt förenklad modellering av periodiska strukturer i vågoptik
- Turbulensmodeller med Reynolds-stressvillkor, icke-newtonskt flöde i porösa medier och snabba torkningssimuleringar med fukttransport vid icke-jämvikt
- Simulering av utfällning och kristallisation för partikelkärnbildning och tillväxt med partikelstorleksfördelning
BILD: NASA
COMSOL: Agerar på en tuff marknad, men framtiden ser ljus
På den globala PLM-scenen går simulerings- och analysdomänen (S&A) igenom dramatiska förändringar präglat av konsolideringar, som Synopsys förvärv av Ansys och nu senast Siemens gigantköp (drygt 10 miljarder dollar) av Altair.
Parallellt är det kommersiella trycket på S&A-området fortsatt högt. Det finns stora intäkter att hämta i en värld där digital produktutveckling blivit den allmänna normen. I sina initiala utvecklingsskeden finns dagens produkter knappast längre som fysiska prototyper, utan som visuella 3D-modeller och geometriska beskrivningar i form av binärt uppbyggda algoritmer i form av sekvenser av ettor och nollor. En rimlig tolkning av detta är att tillväxttakten kommer att fortsätta cirkulera kring en drygt tioprocentig årliga uppgångar för hela CAE-området när det gäller företagens investeringar på en marknad som 2025 beräknas passera 12 miljarder dollar när det gäller de totala investeringarna.
För COMSOL ser läget fortsatt bra ut. Man har tunga företag och organisationer som Northrop Grumman, Boeing, NASA, Apple, Ford, Lawrence Livermore National Laboratory och ABB på kundlistan och tillväxten de senaste tre åren har sett bra ut. 2022 drog man in 156 miljoner dollar enligt PLM-analytikern CIMdata och ökningstakten ser bra ut över åren fram till 2024.
Givet att CAE-/Simulerings- & Analys-segmentet, som enligt CIMdata fram till 2027 prognosticeras att öka med ca 10 procent om året, är bolaget verksamt på en marknad med mycket god tillväxtpotential.
Framtiden ser ljus ut för den svenska CAE-spelaren, både sett i ett kommersiellt och tekniskt perspektiv.
