Comsol or Maxwell? 全方位对比，帮你挑适合自己的软件-静电模块
本文摘要（由AI生成）：
文章主要对比了Maxwell和Comsol两个软件在静电场计算方面的异同。两个软件在流程、语言、材料定义、激励和边界、求解器设置、后处理等方面存在差异。Maxwell界面只有英文，Comsol可以选择中文或英文。在几何模型处理上，Comsol识别复杂几何模型的能力更强，但可能导致后期几何模型破坏导致结果问题。在功能上，Comsol涵盖面更广，可以处理几乎所有与电相关的数学问题，而Maxwell更擅长处理电磁和力的问题。选择软件时，应根据个人需求、前辈经验、工程问题类型、科研领域、算法植入等因素综合考虑。
之前我分别在Bilibili发布了用Maxwell计算高压绝缘子电场和用comsol计算高压绝子电场的案例的视频。既然两个软件都计算过了，今天就来聊聊两个软件在进行静电场计算时候的一些区别和一些共同点。
其实，静电场所包含的功能和适用范围比较广泛，但是鉴于之前出的是高压绝缘子的对比视频，所以今天我聊的时候就以高压绝缘子为例来展开了。
01
仿真流程
由于这两个软件都是有限元分析方法，它们在流程上基本是一致的。Comsol界面上从上到下分别为：定义参数、定义几何模型，定义材料、定义网格，定义载荷和边界条件，然后是求解器设置，最后是后处理；在maxwell的截面中，分别是：几何模型、边界条件、激励、参数设置（额外的矩阵计算）、网格设置、求解器设置、优化模块、后处理。流程上是完全一致的，但是这个菜单中maxwell的参数定义界面是隐藏的，这个有点不太方便。我之前的视频里已经讲过maxwell里面怎么定义变量了，感兴趣的可以去翻一下。
因为这两个软件中所涉及到的功能模块过多，无法进行针对性的对比，这个视频的内容也会过于冗杂，所以下面提到的异同都是针对静电场这个功能而言的。
之前我分别在Bilibili发布了用Maxwell计算高压绝缘子电场和用comsol计算高压绝子电场的案例的视频。既然两个软件都计算过了，今天就来聊聊两个软件在进行静电场计算时候的一些区别和一些共同点。
其实，静电场所包含的功能和适用范围比较广泛，但是鉴于之前出的是高压绝缘子的对比视频，所以今天我聊的时候就以高压绝缘子为例来展开了。
02
语言
Comsol可以自行就决定使用英文还是中文作为界面语言，maxwell只有英文界面。这个区别可能对于一些新手来说是很重要的区别，中文可能更好上手。但是如果你已经有五年以上的仿真经验，那中英文其实没有任何区别，因为，我个人基本上不会使用中文界面。至于原因，相信接触仿真超过三年的工程师应该都懂。
03
几何模型
Comsol和maxell在进行静电场的二维轴对称分析的时候，它们都是用的柱坐标系，但是忽略了角度方向，就变成了r-z坐标系。几何模型都是需要建立在r轴的正半轴，z轴默认是旋转轴。
但是在comsol的绘图界面中它会把r=0的位置给你标出来，横坐标是r纵坐标是z。
在maxwell里面坐标系始终都是xyz，但是它把x轴作为了r轴，z轴还是z轴。所以你在画模型的时候自己要明白这个变换关系，千万不要画到其他的平面里面去。尤其是，如果你是导入的几何模型，导入后模型不是在xz平面的话，就需要手动进行旋转操作。
04
材料定义
静电场的有限元计算控制方程都是泊松方程，介质连续方程也是一致的，所以这两个软件在使用静电场的时候都是使用相对介电常数来进行计算的，没有区别。但是comsol中因为使用了端子功能，并没有进行金属材料的定义，而maxwell中把金属定义为理想导体，其实是一样的处理方式。
05
激励和边界
为了容易理解，我们先来说maxwell中的激励和边界。
激励：Maxwell中一共有四种激励条件，分别是电荷、电荷密度、悬浮条件、电势，在绝缘子这个案例里面我们使用的激励形式就是电势。这四种边界条件几乎可以满足常见的物理问题了。注意这里我说的是“物理问题”。
边界：maxwell中一共有三种边界气球、主从、和对称。这三种边界也可以涵盖到常见的物理问题了，但是对于一些需要特殊等效的数学问题就无法处理了。
大家看小标题可以发现，我把激励和边界这两项放在一起说了，是因为maxwell中虽然是分开的，但是其实在comsol中是没有进行区分的。Comsol中是按照施加的类型给做了归类，分别是域Domain、边界、对、点。后两项我们今天不说，只说前两项。2D分析中的域就是面了，那边界就是线。
在域中，一共有五个选项，分别是电荷守恒、力计算、空间电荷密度、端子、初始值。
电荷守恒是静电场的默认满足的条件，maxwell中虽然没有单独列出来，但是也是自动满足的，所以这个就不说了。力计算这个功能等效为maxwell中的parameters。空间电荷密度，等效为maxwell中的电荷密度激励，端子这个功能强电行业其实没有这个说法，所以一开始我也不太适应，电子领域比较常用。但是当我仔细琢磨了这个词的英文“Terminal”的时候，我就基本理解了。
经常使用maxwell的朋友，如果理解不了电压端子，那你可以结合coil terminal线圈端子来理解，是不是一下子就豁然开朗了。你也可以不严谨地把它理解为电力线的起始和终止位置，电力线从高电势端子开始，到零电势端子结束。这个功能等效为maxwell中的Voltage激励条件。
下面再来看看边界下面都有什么
边界下面一共有14个选项，天呐，14个！说实话，没学好工程电磁场，没学过电介质物理的还真的很难把这14个选项都弄明白，这里我要跟曾经教我《电介质物理》这门课的L老师，说声对不起，因为我已经快忘得一干二净了。这里我不想把所有功能都展开讲了，因为这需要额外的视频（点赞）才能讲明白。我只筛选一下常用的。
首先电势和端子，这两个功能都可以等效为maxwell中的Voltage激励。
表面电荷密度和线电荷密度就等效为Charge Density
悬浮电位等效为Floating。
周期性条件等效为“matching”。
零电荷边界等效为Maxwell中的Balloon气球边界，都可以从来等效无限远。但是注意comsol中是零电荷边界，但是maxwell中分为零电势和零电荷两种，但是大部分情况下这两种的计算结果是一致的，大家可以自己测试一下。
表面电荷积累和外表面电荷积累可以用于计算直流绝缘子的电荷积累，但是需要搭配额外的方程来使用，不做介绍了，从事高压的朋友可以探索一下。
全部等效过来就是，这个样子。抱歉有点乱，我实在是不知道怎么让它更直观了。
06
求解器设置
这两个软件的求解器设置完全没有可比性，因为可以设置的选项和逻辑完全不一样。Maxwell中可以设置迭代步数、收敛误差，comsol中的自由度就特别高了。对于新手来说，我的建议就是，comsol中这些求解器参数，尽量不要动了。软件默认选项可以满足绝大部分情况了，可能你动完之后就不好使了。除非你特别理解求解器这一块的数学知识，否则的话你最好不要动它。
07
后处理
这两个软件的后处理逻辑是一样的，一共分为三类，一维绘图组（可以查看一些路径数值、自定义的参数扫描结果等）、二维绘图组（可以查看切面和平面结果）、三维绘图组（可以查看三维表面结果和体结果）。查看的方法也很类似，我已经在两个视频中分别演示过了，这里就不展开了。
总结(希望这些经验能帮助你选择适合自己的软件）：
求解精度：maxwell和comsol在电场和磁场的求解精度上是一致的，这个我之前都做过测试
几何模型处理：在几何模型的容纳程度上，comsol识别复杂几何模型的能力更强一些，但是这是优点，同时也可以是缺点，因为maxwell对于几何拓扑的要求更严谨，就意味着后期基本不会因为一些几何模型破坏而导致结果有问题，但是comsol就有可能会出现。所以几何模型容易导入也就意味着你需要更丰富的几何模型处理经验和自检能力。
网格：comsol和maxwell的网格划分能力都很比较简便，这一点上没有特别显著的优劣
功能：功能的涵盖面上，comsol比maxwell更多一些，因为maxwell这个软件最初更擅长的就是处理电磁和力的问题，电方面的发挥并不突出，但是也涵盖了大部分的工程物理问题了。但是comsol它可以处理几乎所有与电相关的数学问题，尤其是一些理论体系不成熟的领域使用comsol的半开源特点进行方程的修改让很多博士生完成了毕业课题。
凡是都有两面，功能越多，就意味着可选项越多，这对于工程师其实有些不友好，眼花缭乱的选项让无数工程师劝退，而maxwell相对而言就是少而精了。
收敛性：comsol因为是半开源，所以求解器可调参数很多，一旦出现了不收敛状况，新手会手足无措，而maxwell中很少出现不收敛问题，即便出现了，三五个参数也差不多够了。
结论来了：怎么选软件？
如果你的师兄姐、你的公司前辈已经有人把某个软件用的不错也愿意教你了，不要犹豫，选他们会用的！一个好的老师比什么都强。
如果你处理工程问题居多，不需要过多的理论研究，工程问题也比较常见，Maxwell和comsol均可。
如果你除了电场计算，还需要涉及到很多电磁场、电磁力的分析，推荐maxwell。
如果你从事科研领域，需要在理论上有创新点，或者从事的课题需要考虑一些较为复杂的理论公式，比如从事电荷积聚研究，那就推荐comsol。
如果你需要植入比较新的算法在你的仿真过程中，那就推荐comsol。
今天的对比就到这里了。今天只针对了静电场这个模块进行了对比。你更喜欢用哪个软件呢？欢迎在评论或者弹幕里交流。后面如果有时间，我会综合低频电磁分析的不同需求做不同模块的对比，为大家进行科研、工作或者采购计划提供一些参考。
