Den speciella egenskapen i en multifysisk approach är att simuleringar av flera ”problem på en gång” kan ge en bättre övergripande bild av hur en produkt kommer att fungera i verkligheten, jämfört med simuleringar av enskilda fenomen. Den verkliga världen är trots allt multifysisk. En faktor påverkar en annan, som påverkar en tredje och så vidare; Värmeutveckling påverkar materialegenskaper, som inte bara kan påverka ledningsförmågan utan också sånt som hållfasthet o s v.
En installerad användningsbas på mer än 100 000. Genom att tillhandahålla kapabiliteter att beräkna, simulera och analysera dessa multifysiska kedjor har COMSOL alltså nått en installerad bas på över 100 000 användare. Detta är ett förvånansvärt många med tanke på att antalet globalt kvalificerade experter, som tittar på och löser den här typen invecklade problem, är begränsat. Enligt bolagets medgrundare och nuvarande koncernchef, Svante Littmarck, är användarbasen faktiskt så stor att den närmar sig gränsen för det möjliga med avseende på marknadspenetration.
– Kruxet är att det helt enkelt inte är så många fler med denna kvalifikationsnivå. Så för att fortsätta den starka tillväxten har vi tittat på nästa steg: att involvera alla användares kollegor, partners och kunder, berättade Svante Littmarck, i en TV-intervju för PLM&ERP News och tillade att detta öppnar en potential marknad som är många gånger större.
Ett revolutionärt tillvägagångssätt. Med ett sådant drag ökar marknadspotentialen exponentiellt, menade Littmarck. Betänker man hur stort antalet partners som expertanalytikerna har till sin hjälp kan marknaden vara mycket större.
– Absolut är det så, sa COMSOL-chefen. I detta talar vi om kanske tio gånger så många användare. Det enda problemet vi hade i detta läge var hur vi skulle kunna nå dem. Vilket slags verktyg behövdes? Vilken plattform skulle vara effektivast? O s v.
Svaret blev två innovationer: De on-premise (lokalt installerade) och molnrelaterade lösningarna Application Builder och COMSOL Server.
– Ett revolutionärt tillvägagångssätt för multifysik, menar Littmarck. Med applikationsbyggaren och servern blir simuleringen tillgänglig på ett helt nytt sätt. Avancerade COMSOL-modeller, som utvecklats av experter kan omvandlas till lätt skapade appar i en Windows-webbläsare, och sedan distribueras, användas och förstås också av icke-experter i produktutvecklingskedjan.
Inne på tio-i-topp-listan – och det pekar uppåt. Tanken har bitit bra även kommersiellt så det är inte konstigt att COMSOL fortsatt i framgångsspåret. Simuleringsprogramvaran växer snabbt när det gäller mjukvaruinvesteringar och användning i produktutvecklingsprocesser.
Faktum är att CAE-området – eller det som analytikern CIMdata kallar för Simulering & Analys i en av sina 2017-rapporter – är de senaste årens hetaste av alla inom PLM. 2016 växte CAE-investeringarna med 9,1 procent, vilket gör tillväxten nästan lika stor som det ledande marknadssegmentet, cPDM (collaborative Product Definition management, ”PDM”), som stannade på 9,4 procent. Totalt satsade världens företag 5,3 miljarder dollar på CAE-mjukvaror under 2016.
Det finns också en annan intressant skillnad mellan cPDm- och CAE-marknaden: Fördelning av intäkter mellan mjukvara och tjänster. CPDm-segmentet är serviceintensivt; själva programvarubiten motsvarar cirka 40% av de totala intäkterna, medan tjänstesidan tar in de resterande 60 procenten. För CAE-segmentet utgjorde service- och implementeringstjänsterna knappt 14 procent av de totala intäkterna 2016.
Största industrispecifika segment med avseende på industrivertikalerna inom CAE var under 2016 Automotive/Transportation (knappt 1,5 miljarder dollar), Aerospace (drygt 1 miljard dollar) och Elektronik, Telekom, High-tech (ca 680 miljoner dollar).
CIMdatas syn på marknaden. Analytikern CIMdata delar in PLM-marknaden i tre skilda verktygssegment:
* cPDm
* Tools (verktyg)
* Digital Manufacturing.
CAE- och simulerings-/analys-verktygen tillhör enligt denna definition av PLM-verktygen alltså ”Tools-segmentet” (liksom t ex CAD, CAM, EDA – elektronikdesign – och liknande).
Marknadsetta här är förstås ANSYS med nästa en miljard dollar i intäkter under 2016 (vilket är de senaste redovisade siffrorna), tätt följda av MathWorks ca 775 miljoner dollar (vars lösningar COMSOL faktiskt en gång i tiden var återförsäljare för innan MathWorks själva tog över agenturen för Norden) och Dassault Systemes och Siemens PLM, båda kring halvmiljarden dollar lite beroende på hur man tillgodoräknar Siemens inköpen av mjukvarulösningar som Mentor och CD-adapco.
MEN på denna lista tar sig COMSOL in på tionde plats med avseende på 2016, med en intäkt på 85 miljoner dollar. Man kan förvänta sig en smärre förändring under 2017, som flyttar upp COMSOL någon placering, givetvis beroende på hur försäljningssiffrorna utvecklas, men framför allt på att CD-adapco (som hade placeringen precis före under 2016) köpts upp av Siemens PLM. Någon särredovisning för multifysiklösningar finns inte, men en kvalificerad gissning är att COMSOL är en av ledarna.
Newton och PDEer – så är COMSOL Multiphysics uppbyggt. Hur är då en multifysiklösning som COMSOL Multiphysics uppbyggd? Naturligvis händer det saker hela tiden, utvecklingen är synnerligen dynamisk. Framför allt präglas utvecklingen av att mjukvarorna ökar sina prestanda. De blir snabbare, men också säkrare och – vilket är oerhört viktigt: De blir enklare att använda, får en ökad och betydligt bredare tillgänglighet.
Men vid sidan av detta finns det ifråga om COMSOL förstås ett antal basala bitar. Vi ska lite kort titta på dessa.
De stora huvudpoängerna i bolagets upplägg handlar om Newton och differentialekvationer. När Newton (och Gottfried Leibniz, menar många) under det sena 1600-talet formulerade differential- och integralkalkylteoremet gav han människan verktyg för att matematiskt beskriva mekaniska rörelser. Det är runt dessa partiella differentialekvationer (PDEer) som COMSOL byggt sin multifysikaliska lösning.
– Verkligheten är full av komplexa relationer och den är multi-fysisk, säger Svante Littmarck. Hans poäng är att detta faktum bör återspeglas i alla typer av virtuella produktutvecklingsprocesser.
– En glödlampa kräver till exempel elektrisk ström, när du slår på den, är värmen en biprodukt, vilket i sin tur leder till spänningar i glasbulben. Men värmen försämrar också den elektriska ledningsförmågan. Att analysera ett problem i taget i detta sammanhang är inte bara komplicerat, opraktiskt och tidskrävande, men kan också sluta i vilseledande resultat.
”En unik modell”, säger Ed Fontes. Vissa lösningar är bättre än andra på att reflektera dessa den verkliga världens interaktioner. COMSOLs CTO, Ed Fontes, hävdar att företagets lösning är unik genom att användaren kan formulera en godtycklig multifysikkoppling, vilket resulterar i att programmet genererar en fullt kopplad matematisk modell (PDE).
Först när detta är klart diskretiseras PDEerna med finita element och differenser för att sedan generera en numerisk modell.
– Vårt inbyggda bibliotek av PDEer, som representerar de fysiska lagarna, kan inte bara kopplas godtyckligt utan kan också kombineras med användarens egna PDEer. När de numeriska modellerna sedan skapas automatiskt, gör COMSOL ingen skillnad mellan inbyggd och användar-PDE, förklarar Fontes och tillägger att konkurrenterna alltid har underliggande numeriska modeller som grund, d v s, de kan inte i samma utsträckning anpassas till godtycklig multifysik.
– Det är inte heller möjligt att formulera egna godtyckliga PDEer, när den underliggande numeriska modellen saknar denna flexibilitet, tillägger COMSOLS CTO.
COMSOLs multifysikprogram innehåller:
* Ett grafiskt användargränssnitt, GUI, där användaren gör sina inmatningar och tar emot output
* Den geometriska kärnan, där användaren kan skapa, ta emot och generera en geometrisk representation som är lämplig för multifysik
* Logiken som genererar den matematiska modellen, dvs system av PDEer, baserat på användarinmatning och associerad fysik med geometri
* Meshgeneratorn som skapar finitia element-nätet
* Solvern som löser de numeriska modellekvationerna
* Postprocessorn som genererar grafer, diagram, tabeller och rapporter baserade på användares specifikationer direkt i GUI eller till en fil
Kort sagt börjar dagens batterier närma sig sitt teoretiska maximum i energidensitet. Denna begränsas av batterikemin, som även helt utan förluster har en teoretisk begränsning. Kemin definieras i sin tur av elektrodmaterial och elektrolytsammansättning. Litium-luftbatterier har en energidensitet som närmar sig bensin och det är förmodligen nära det maximala för ett batteri. Här kan mjukvaror av COMSOLs typ spela en stor roll när man strävar efter att ta nya innovativa steg på detta energiområde.
Varför behöver man egentligen multifysiksimulering? Detta sagt är frågan vilken roll multifysikberäkning, simulering och analys har i produktutvecklingsarbetet. Eftersom produktutveckling går mot mer och mer av digitaliserade processer kommer denna teknologi att spela flera viktiga roller i simuleringsbaserad design.
Ed Fontes pekar på tre huvudroller:
- – Den första handlar om att förstå ett system eller en konstruktion. Kopplingen mellan flera fysikfenomen kan i princip vara enkel, men konsekvenserna av dessa kopplingar på simuleringsresultaten kan vara ganska komplexa. Det mest effektiva sättet att få en djupare förståelse är att lösa de multifysiska modellekvationerna många gånger, för olika ingångar och antaganden, och sedan studera resultaten.
- – Den andra huvudrollen är att verifiera förslag till förbättringar av en process eller konstruktion. När förståelsen av ett koncept har uppnåtts kan det vara möjligt att förutse hur en design kan förbättras. Om modellen valideras på rätt sätt kan förbättringar verifieras med hjälp av multifysiksimuleringar.
- – Den tredje rollen är att optimera en process eller design. Detta innebär att modellen körs på ett ”algoritmiskt sätt”, vilket kan kräva att den geometriska representationen och fysikinställningarna genereras automatiskt med hjälp av associativitet. Ett optimeringsschema söker sedan efter en optimal uppsättning geometriska parametrar baserat på kriterierna för designen.
I var och en av dessa tre möjliga huvudroller bidrar en multifysikapproach till precision och ”verklighetstrogenhet” som kan vara omöjligt att få med enklare modeller, enligt COMSOLs Fontes. Det finns emellertid fall i simuleringsbaserad design när kompletta multifysiksimuleringar är för dyra.
– I sådana fall fungerar multipelmodeller och simuleringar som valideringsverktyg för enklare modeller. Dessa modeller anpassas sedan till ett begränsat antal parametrar och driftsförhållanden med multifysikmodeller. De enklare modellerna kan sedan lösas snabbt och effektivt inom detta begränsade intervall i sökandet efter ett optimalt.
Från mobiltelefoner till moderna bilar – hur används lösningarna i praktiken? Slutligen ett par ord om multifysik i praktiken. Hur kan produktutvecklare använda denna avancerade teknologi?
COMSOLs Daniel Ericsson, försäljnings- och marknadschef i Sverige, vet mer om saken.
– Tänk på din mobiltelefon, säger han. Antennen tar emot elektromagnetiska vågor, pekskärmen eller knapparna är mekaniska och elektriska komponenter som interagerar med varandra, batteriet innebär kemiska reaktioner men jonernas och elström som sätts i rörelse o s v. Många enskildheter, men allt ska fungera som en enhet.
Detta är multifysik i prakten, säger Ericsson.
– Om man tänker bygga den mest avancerade mobiltelefonen hittills skulle behöver man idag också den mest exakta teknikprogramvaran för utvecklingsprocessen. Det är en viktig anledning till att vi ser en tillväxt mot fler multifysiksimuleringar.
Ericsson påpekar också att exemplevis bilindustrin var bland de första som började använda modellering och simulering som en integrerad process inom produktutveckling. En utvecklingstrend som fortsätter och fördjupas. Till och med kraschtester blir alltmer föremål för sånt som simuleringar och vindtunnelexperiment, som kan göras med CFD-simuleringar.
– Men det är naturligtvis mycket mer som kommer in i modern fordonsutveckling, fortsätter Ericsson. Idag förväntar konsumenterna funktionerna på pekskärmar och LED-belysning, för att nämna några. Bilproducenter måste följa med – och fortsätta – de här trenderna. Många av de nya produkterna och funktionerna som vi ser i våra bilar har utvecklats genom multifysikmodellering och skulle med stor säkerhet inte ha sett dagsljuset utan denna.
Hans slutsats är att man med multifysiksimuleringar kan studera testfall och fysiska fenomen som inte alltid är möjliga att bygga eller mäta, åtminstone inte inom realistiska eller kostnadsmässigt konkurrenskraftiga tidsramar.
– Simulering av en design/konstruktion sker idag efter exakta och effektiva analysmetoder där en modell kan inkludera ett antal fysiska effekter och deras interaktioner för att enkelt modellera multifysikfenomen som jouleuppvärmning, termisk expansion, konvektiv kylning eller vätskestrukturinteraktion. En modell kan vara så enkel eller komplex som den behöver vara. Resultaten från simuleringen kan erhållas inom några minuter, vilket ger värdefull inblick i din design långt innan experimentella resultat finns tillgängliga. Risken för produktfel och förseningar till marknaden kan minskas drastiskt.
Missa inte att läsa PLM&ERP News artikel på vår amerikanska systersajt, ENGINEERING.COM. KLICKA på rubriken, ”Multiphysics for the masses. COMSOL wants to democratize simulation in the design process – TV-report”, för att läsa.
