顶刊论文是如何运用模拟仿真提升档次的？

传感器技术是一门涉及电磁学、力学、材料学以及生物医学等相关领域的多学科交叉技术。传感器技术在信息探测、生物传感、材料测量以及化工等领域得到了非常广泛的应用，可以说目前几乎所有的领域都可以见到传感器技术的身影。传感器在设计和研究过程中往往涉及到对多物理场的理解，而且由于大多数传感器会把测量信号量准换成电磁信号进行测量和传递，因此在传感器多物理场分析时，对电磁场与其他物理场相互作用的分析非常重要。理解这些物理场的相互作用时传感器研究和设计的关键。另一方面由于传感器在设计研究时往往是一个反复验证和修改的过程，所以在实验制作传感器之前，先通过理论上建模仿真优化设计方案从而提高传感器设计和制备效率时必要的途径。另外在论文中添加理论的仿真计算也可以提高文章的逻辑性和表现力，从而使文章质量得到显著提高。

在传感器技术的发展中，电容传感器件、压电传感器以及摩擦发电传感器的研究获得了越来越多的关注，研究人员在许多顶级期刊也发表了关于电容传感器件、压电传感器以及摩擦发电传感器的研究成果，而在这些研究成果中大多都应用了有限元的数值计算方法。使用有限元计算方法一方面使这些研究更有逻辑性和说服力，另一方面也使这些文章表现力更强，更容易获得审稿人的青睐。因此，在这里带大家一起回顾一下这些顶级研究成果中是如何运用仿真模拟提升文章档次的。

1. 电容传感器

（图片源于Science advances, 2017, 3(3): e1602200.）

如今，市面上的手机都带有指纹解锁、指纹支付功能。这一类指纹手机采用的是什么原理呢？手机的指纹识别目前主要有三种技术：电容式，光学式和超声波式，目前市面上看到最成熟的指纹手机基本都是电容式的，其主要利用了电容传感器的原理。

使用有限元数值计算方法研究电容传感器的文章有很多，例如2017年在Science advances 期刊上（如上图所示），研究人员基于有限元模拟仿真和实验研究出可以弯曲、拉伸的电容传感器，通过触摸即可实现信号的传递。电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器，广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。对电容的建模仿真对我们理解电容传感器的原理起到非常大的帮助。典型的电容器由两个导体加上它们之间的电介质构成。在这两个导体之间施加电势差会产生电场。这一电场不仅直接存在于导体之间，还会扩展一段距离，这种现象称为边缘场。为了准确预测电容器的电容量，用于模拟边缘场的域必须足够大，并使用适当的边界条件。

2. 压电传感器

（图片源于Adv. Mater., 2014, 26, 2514–2520.）

早在1880年居里兄弟发现了压电效应。居里兄弟指出，当把一重物放在石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。因此，压电效应起到了电路与晶体机械特性之间的耦合作用。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。压电材料已被用来制作智能结构，此类结构能将振动能源和机械能转化为电能的能量采集器是实现孤立、可持续能源生产的非常有前途的工具。特别是由于灵活和轻量级的能量收集装置在一个薄塑料衬底可以使及其微小的运动风,水流动,心跳,隔膜的活动或者呼吸运动变成电信号,这样不仅可以实现一些电子系统的自我供电,但也为植入式生物医学设备提供永久电源，例如起搏器和深部脑刺激器等等。

使用有限元数值计算方法研究压电传感器的文章也有很多，例如上面这篇发表在Advanced Materials 上的工作通过激光发射工艺在柔性基板上基于有限元数值模拟演示了大面积PZT薄膜，实现了高效、轻便、灵活的压电能量采集装置。文章中还利用仿真模拟计算了输出电压与电极距离的关系。

3. 摩擦发电传感器

（图片源于Adv.Mater., 2014, 26, 2818-2824）

(图片源于Advanced Materials, Jul, 12, 2018, 180114)

在过去的几十年中，我们从自然环境中获取能源一直在吸引广泛的研究努力，以满足世界范围内的能源需求。机械能如果能被有效地利用，不仅能对全球电力需求做出重大贡献，而且还能作为移动电子设备的一种独立和可持续的能源。摩擦起电是我们日常生活中经常遇到的一种物理现象，无论是梳头、穿衣还是走路、开车时都时常会遇到。但是，摩擦电很难被收集和利用，因此它的价值往往被人们所忽视。然而近年来，摩擦电纳米发电机以其高效、低成本、鲁棒性可靠、环境友好等优点被作为一种前所未有的技术而被看好。

使用有限元数值计算方法研究摩擦发电传感器的文章有很多，例如2014年在Advanced Materials 期刊上研究人员利用仿真论证了摩擦电纳米发电机理论模型。摩擦电纳米发电机的发电原理是在其内部电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的材料薄层之间会发生电荷转移，从而在二者之间形成电势差。在其外部电路中，电子在电势差驱动下，在分别粘贴在摩擦电材料层背面的两个电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦电纳米发电机的需求非常广泛，例如给主动感知的机器人供电。各种主动感知和响应的软机器人都是通过自供电的主动摩擦电动机器人皮肤来实现的，这种皮肤在低压环境下具有良好的拉伸性和灵敏度（如上面第二幅图所示）。类似于以上两篇文章中对于摩擦发电的仿真研究，可以利用COMSOL Multiphysics来实现。

4. 结语

从上面的研究成果可以看出，运用有限元仿真模拟在电容传感器件、压电传感器以及摩擦发电传感器的研究中，一方面仿真模拟使文章更具有说服力和逻辑性，使传感器中的多物理场原理更容易让审稿人和读者理解，另一方面仿真模拟图一图抵千言，增加了文章的表现力，让审稿人和读者更容易发现文章的意义和价值。因此，运用仿真模拟是可以显著提升文章档次的，大家可以在今后的传感器技术研究中尝试加入有限元仿真模拟，提升文章和研究档次。

为了让更多科研人员能够迅速且科学地掌握有限元仿真模拟这一前沿高效的数据分析手段，北京中科幻彩动漫科技有限公司举办主题为“科研模拟•学术仿真”的文章档次提升专题培训。

科研模拟•学术仿真专题培训会

时间：

2019年04月13-14日 北京•中科院理化所

2019年04月27-28日 上海•上海科技大学

2019年06月01-02日 北京•中科院理化所

2019年06月15-16日 北京•中科院理化所

课程概要

提高文章中稿率、冲高影响因子的关键，在于数据的说服力是否足够强大。实验结果不理想，数据不够完美，论文内容缺乏支撑，这些问题有限元仿真模拟都可以轻松解决。帮助文章轻轻松松更上一区，让你的实验结果从此告别“差强人意”，高影响因子不是梦！

在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能，在许多物理和工程类学科（力学，光学，流体力学，电磁学，声学，化工）中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析，结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展，仿真模拟的需求也不限于上述的学科，在新兴的材料科学，能源科学，生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现，仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用，越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。

本课程专门针对科研学术领域，为学员提供仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 软件使用的全面详细讲解。课程从入门级内容开始，循序渐进地讲解数值仿真中的模型分析方法，以及建模操作流程（其中包括创建几何、网格剖分、设定物理场、求解及结果的后处理等），让学员全面掌握整个建模流程，并能够独立地使用 COMSOL 求解相关仿真问题。有无基础的学员均可参加培训，我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容

课程内容

1. 入门有限元仿真模拟

有限元方法的基本内涵，仿真模拟基本理论的讲解，以及该方法在科学研究中的广泛应用领域和重要意义，能够帮助科研人员解决的实际问题，不同仿真模拟软件（COMSOL ANSYS Abaqus）的特点和在科研上运用的优缺点比较；COMSOL 软件介绍及基本操作演示和教学，包括软件界面学习、创建和导入几何模型、物理场设置、网格剖分与求解和结果后处理等。

2.有限元模拟的一般思路和通用方法

理解线性和非线性有限元法的理论基础，了解COMSOL 多物理场仿真软件的基本知识，以典型的多物理场模拟为入门教学案例，帮助学员迅速入门并掌握有限元分析方法的基本思路，并能够灵活应用于自己的研究领域。

3. COMSOL软件的高级使用技巧

结合大量科研实际案例进行实践操作过程的演示教学，包括几何建模注意事项，优化网格划分的方法与技巧，结果后处理与复杂图表的绘制方法，多物理场耦合的方法与技巧，通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题等，深入学习COMSOL软件的高级操作技巧，并结合学员科研背景进行案例演示，进一步挖掘实操中的常用技巧。

4. 多物理场仿真建模的高效技术解决方案

结合实例学习多物理场仿真有限元法的数学理论基础，多物理场耦合的分析方法和注意事项，添加方程式及耦合分析；求解时域，频域和特征值问题；移动网格和自适应网格方法，查找，理解和排除建模中的错误，用户工作效率最大化的有效建模，仿真模拟在科研中的实战演练，结合学员背景与最新顶级期刊案例进行仿真模拟实战训练，进一步深入学习COMSOL软件的指导与建议，针对科研工作中的问题和老师当面交流，理清思路，解决模拟困难。

部分教学案例展示

•几何建模注意事项

•优化网格划分的方法与技巧

•结果后处理与复杂图表绘制

•多物理场耦合的方法与技巧

•通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题

• 纳米摩擦发电机仿真模拟

• 微流体物质混合模拟

• 金属光栅衍射

学员作品

模拟案例

更多案例展示请登陆：http://www.zhongkehuancai.com

讲师简介

Dr. Li

中科幻彩仿真模拟事业部技术总监

中国科学院博士

美国加州大学洛杉矶分校博士后

全国物理奥林匹克竞赛金牌、美国数学建模大赛一等奖

以第一作者在Nature Communications/ Science Advances/ Advanced Materials/ JACS 等顶级杂志发表多篇论文

八年化学/材料/物理/工程/生物仿真模拟经验

百余个通过模拟显著提升文章档次的案例

课程福利

凡报名培训的学员将免费获赠COMSOL高级建模指导资料，科研常用有限元模拟案例模型文件及各学科领域计算公式资料文件。

往期现场

报名通道

时间地点：

2019年4月13-14日 北京•中科院理化所

2019年4月27-28日 上海•上海科技大学

2019年6月01-02日 北京•中科院理化所

2019年6月15-16日 上海•上海科技大学

注册费用：

原价：2800元/人

团报价：2600元/人（3人及以上）

报名咨询：17611790910（毛老师）

提供正规发票（包括会议注册表、邀请函等报销材料）、费用包含两日午餐和资料。住宿及其他费用自理。

报名方式：

扫描下方二维码在线填写报名表，自主选择场次，工作人员会在收到报名信息的第一时间电话联系确认相关信息。

缴费方式：

1. 银行转账汇款（由中科卓研代收）

开户行：北京银行中关村海淀园支行

收款单位：北京中科卓研科技有限公司

银行账号：20000032746600012611147

备注：姓名+单位+场次

2. 支付宝转账

企业支付宝账户：

zhongkehuancai@126.com

请核对户名：北京中科幻彩动漫科技有限公司

3. 现场刷卡/现金

培训当天可刷公务卡或现金或微信支付，请扫码填写报名信息以便我们提前为您准备发票等报销手续。

常见问题

Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？

A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。

Q：我是零基础学员，两天的时间也能学会吗？

A：我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用，更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作，提升文章的质量。

Q：什么专业方向都可以做有限元模拟吗？

A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。

Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？

A：为保证教学质量，也为学员营造舒适的学习环境，我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内，以保证良好的课堂秩序，同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。

Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？

A：老学员可以免费复听，一次报名终身免费复学，只要你学不够，我们就一直教下去～

Q：可以开具发票进行报销吗？

A：当然可以！我们将为学员开具正规发票，并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料，并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。

Q：培训提供食宿吗？

A：我们为学员提供两日培训的午餐，住宿需要学员自费，我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息，方便学员选择和预定。