千言万语，不如计算模拟！科研常用模拟计算软件一网打尽

科研常用模拟计算软件

如今的科研工作中越来越多的需要用到各种理论模拟或数值计算，直接使用成熟的商业模拟软件往往是科研人员解决问题的首选。目前模拟软件众多，如何找到适合自己研究方向的软件是非常关键的问题。否则花了很大时间精力学习了一款软件，最后发现软件并不是最适合自己的研究方向则是得不偿失。

根据自己的科研需求，选择最适合的软件进行学习非常重要。有针对性的学的模拟软件的使用才能事半功倍。希望本文能帮助大家选找到适自己研究领域的模拟软件，解决自己的科研问题。今天就给大家简单介绍一下各种模拟计算的软件。

目前科研常用的模拟软件可以分为以下三类：

• 数学计算软件，如Maple、MATLAB、Mathematica；

• 化学类模拟软件，VASP、Materials Studio、Gaussian；

• 物理和工程类仿真模拟软件，如ANSYS、ABAQUS、COMSOL等。

这些软件都具有一些数值计算或模拟仿真的功能，但功能和应用领域则大相径庭。

数学计算软件

数学计算软件，它们能够帮助计算各种数学运算和方程求解，以及对数据进行处理和运算。常用的软件有MATLAB、Mathematica、Maple。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂，其基本的数据单位是矩阵是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。MATLAB也是一套编程语言，它很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，用户通过编写MATLAB程序可以方便的实现数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能。Mathematica和Maple都能提供非常强大的符号计算功能，能实现各种复杂的数学运算。以上这些数学软件计算功能强大，但对使用者的数学和编程功底要求更高。

化学类模拟软件

化学类模拟软件，它们在化学、材料等学科中运用非常广泛，这些软件主要针对分子层面的微观问题的模拟计算，在给定分子结果的前提下可以计算材料的光谱性质、电子结构、分子不同构象的能级等等。理论方法主要分为基于量子力学的第一性原理计算，密度泛函理论，和基于牛顿力学的分子力学。VASP、Materials Studio、Gaussian是常见量子化学模拟软件，目前三种软件都包含许多模块，有基于不同算法的模拟功能，可以计算材料的结构参数(键长,键角,晶格常数，原子位置等)和构型、计算材料的状态方程和力学性质、计算材料的电子结构(能级、电荷密度分布、能带、电子态密度和ELF)、计算材料的光学性质、 计算材料的磁学性质、计算材料的晶格动力学性质(声子谱等)、表面体系的模拟(重构、表面态和STM模拟)、从头分子动力学模拟等等。

物理和工程类仿真模拟软件

物理和工程类仿真模拟软件的功能覆盖了涵盖了力学、流体、电磁学、光学、声学、电化学、化工、半导体等多个领域。如今物理学的各个方向都有非常完善的理论，几乎所有的物理现象都能有几组偏微分方程来描述，所以这些模拟软件的本质就是利用数值计算求解各种形式的偏微分方程。

计算方法主要基于有限元方法，一些特定的领域会使用有限体积法和有限差分法。这三种方法中有限元法功能最强大，应用面最广，有限体积法和有限差分法能解决的问题理论上有限元法都能解决。但在特定应用领域，有限体积法和有限差分法则有计算速度快，收敛性更好的优势。下面介绍几种常用的仿真模拟软件。

常用仿真模拟软件

ANSYS公司是目前最大的模拟软件供应商，其产品主要针对多个工程领域，例如用于力学领域的ANSYS Mechanical，基于有限体积法的流体力学模拟软件Fluent、CFX，用于电磁学模拟的HFSS。这些软件能提供非常强大的求解功能，其计算结果的可靠性经过许多实际工程案例的检验。但针对不同问题的软件使用方法也完全不一样，要学习使用这些不同的软件需要花费较大的精力。

COMSOL是目前科研工作中使用最多的模拟软件，其特点是强大的多物理场耦合功能。软件主要基于有限元法，提供了涵盖了力学、流体、电磁学、光学、声学、电化学等各个方面的非常全面的模拟功能，并可以任意的将不同的物理问题关联起来，方便研究不同物理过程之间的相互作用。对于不同的物理问题，COMSOL提供相同的建模环境和软件操作方法，易于学习。另外软件提供丰富的案例库供用户参考。

最近，越来越多的Nature，Science 及其子刊论文都用到了COMSOL模拟。近年来COMSOL由于它的功能覆盖面广，界面友好，建模方便快捷等优势，其在科研中的运用越来越多。如下图所示，在Nature 出版的期刊中搜索COMSOL，能得到非常多的结果。

信息来源：纳米人

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