Обновления модуля MEMS

Пользователи модуля MEMS в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a получат возможность использовать обновленные интерфейсы пьезорезистивного эффекта, новый интерфейс Magnetostriction (Магнитострикция) для моделирования датчиков и приводов, возможность моделировать процессы адгезии и декогезии и многое другое. Более подробное описание обновлений модуля MEMS представлено ниже.

Новый интерфейс Magnetostriction (Магнитострикция)

Добавлен новый интерфейс — Magnetostriction (Магнитострикция). Эта функция позволяет моделировать широкий спектр датчиков и приводов, основанных на явлении магнитострикции. Один из эффектов магнитострикции, эффект Джоуля, заключается в изменении линейных размеров объекта при изменении намагниченности материала. Этот эффект используется в преобразователях в различных системах: в эхолокаторах, акустических устройствах, в системах активного управления вибрациями, позиционированием и в системах подачи топлива. Обратный эффект заключается в изменении намагниченности при механическом напряжении материала. Он носит название эффекта Виллари и применяется в датчиках.

При добавлении к модели интерфейса Magnetostriction (Магнитострикция) создается интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела), интерфейс Magnetic Fields (Магнитные поля) и мультифизическая связь Magnetostriction (Магнитострикция) или набор узлов. Интерфейс Solid Mechanics (Механика твердого тела) дополнен новой моделью материалов — Magnetostrictive Material (Магнитострикционный материал) с тремя различными формулировками — Linear (Линейный), Nonlinear isotropic (Нелинейный изотропный) и Nonlinear cubic crystal (Нелинейный кубический кристалл). В интерфейс Magnetic Fields (Магнитные поля) добавлена новая функция — Ampère’s law, Magnetostrictive (Закон Ампера, магнитострикционный материал), используемая при моделировании магнитострикционного материала).

ПРИМЕЧАНИЕ. Для моделирования магнитострикционного поведения необходим модуль AC/DC и один из трех следующих модулей: Механика конструкций, MEMS или Акустика.

Путь к примеру, в котором используется новый интерфейс Magnetostriction (Магнитострикция) с моделью материала Nonlinear isotropic (Нелинейный изотропный), в Библиотеке приложений:

Structural_Mechanics_Module/Magnetostrictive_Devices/nonlinear_magnetostriction

Физические интерфейсы Piezoresistivity (Пьезорезистивный эффект) заменены на мультифизические связи

Три отдельных интерфейса для пьезорезистивного эффекта – Piezoresistivity, Domain Currents (Пьезорезистивный эффект, Токи области), Piezoresistivity, Boundary Currents (Пьезорезистивный эффект, Граничные токи), Piezoresistivity, Shell (Пьезорезистивный эффект, Оболочка) — были преобразованы в соответствующие мультифизические узлы (Multiphysics). Древовидное меню "Select Physics" (Выбор физических явлений) Мастера создания моделей выглядит так же, как и раньше; три мультифизические связи под теми же именами остались на своих местах в Structural Mechanics > Piezoresistivity (Механика конструкций > Пьезорезистивный эффект).

Новые мультифизические связи обеспечивают возможность включения/выключения составляющих интерфейсов физики и/или связей между физическими явлениями. Поскольку пьезорезистивный эффект представляет собой одностороннюю связь (от механического напряжения к электрической проводимости), в узел Electric Currents (Электрические токи) для каждого случая по умолчанию был добавлен подузел Piezoresistive Material (Пьезорезистивный материал).

Гармоническое возмущение для предписанной скорости и ускорения

Функции Prescribed Velocity (Предписанная скорость) и Prescribed Acceleration (Предписанное ускорение) были дополнены подузлом Harmonic Perturbation (Гармоническое возмущение). Благодаря ему эти граничные условия можно использовать в качестве фиксированных ограничений на стационарном этапе исследования и для дальнейшего формирования гармонического колебания в последующем исследовании в частотной области с предварительным напряжением. Эта новая функциональность доступна в интерфейсе Solid Mechanics (Механика твердого тела).

Моделирование адгезии и декогезии

С помощью нового подузла Adhesion (Адгезия) узла Contact (Контакт) вы можете анализировать различные производственные процессы, предполагающие склеивание и расслоение. Контактирующие поверхности прилипнут друг к другу, если будет выполнен определенный критерий. В качестве критерия могут выступать контактное давление, величина зазора между поверхностями или произвольное пользовательское выражение. Последнее может быть основано, например, на значении температуры, полученном в результате исследования теплопередачи. Вы также можете задать характеристики упругости для виртуального адгезивного слоя.

Две поверхности, соединенные с помощью адгезии, могут быть также разделены, если будет задан закон декогезии. Это можно сделать в окне настроек нового подузла Adhesion (Адгезия) с помощью инструмента Decohesion (Декогезия). В данный подузел включены три различных закона декогезии: Linear (Линейный), Polynomial (Полиномиальный) и Multilinear (Мультилинейный). Законы декогезии позволяют моделировать декогезию в смешанном режиме с независимыми характеристиками для нормальных и тангенциальных направлений. Данная методика известна под названием зонной модели когезии (CZM).

Путь в Библиотеке приложений к примеру, демонстрирующему моделирование декогезии: Structural_Mechanics_Module/Contact_and_Friction/cohesive_zone_debonding

Элементы сирендипова типа

В дополнение к элементам Лагранжа в интерфейсы Solid Mechanics (Механика твердого тела) и Membrane (Мембрана) были добавлены элементы так называемого сирендипова типа. При работе с моделями с преобладанием гексаэдральных элементов использование элементов сирендипова типа обеспечит значительное улучшение производительности: моделирование будет выполняться быстрее и потребует меньший объем памяти. Подобные элементы используются по умолчанию при добавлении новых интерфейсов физики.

Новые методы ввода данных теплового расширения

Теперь для ввода данных теплового расширения материала существует три разных способа:

Secant coefficient of thermal expansion (Секущий коэффициент теплового расширения). Это используемый по умолчанию метод, который в предыдущих версиях был единственным. Tangent ("thermodynamic") coefficient of thermal expansion (Касательный (термодинамический) коэффициент теплового расширения). Явное задание зависимости компонента Thermal strain (Тепловая деформация) от температуры.

Выбрав подходящий вам вариант, вы сможете без преобразований использовать различные типы измеренных данных. Новые опции присутствуют в интерфейсах Solid Mechanics (Механика твердого тела), Membrane (Мембрана) и Truss (Ферма).

Опция Secant coefficient of thermal expansion (Секущий коэффициент теплового расширения) используется для вычисления общего изменения деформации при отклонении температуры от заданного опорного значения . Опция Tangent coefficient of thermal expansion (Касательный коэффициент теплового расширения) позволяет получить информацию о чувствительности тепловой деформации к температуре: . Эти два значения совпадают при опорной температуре.

Тепловое расширение для Ограничений

Теперь вы сможете дополнить ограничивающие условия, такие как Fixed Constraint (Фиксированное ограничение) и Prescribed Displacement (Предустановленное смещение), подузлом Thermal Expansion (Тепловое расширение). Это позволяет снять вызванные ограничениями напряжения, когда температура окружающей конструкции, идеализированной ограничениями, не поддерживается постоянной. Аналогично подузел Thermal Expansion (Тепловое расширение) был добавлен в узлы Rigid Connector (Жесткий соединитель) и Attachment (Соединение), чтобы добавить тепловое расширение к этим объектам, обычно являющимся жесткими.

При использовании данного инструмента вы указываете коэффициент теплового расширения и распределение температуры в немоделируемом пространстве, окружающем конструкцию. Тепловые деформации, вызванные данными факторами, добавляются в модель для получения поля смещения, которое добавляется к ограничению.

Domain Terminal (Объёмный Терминал)

Теперь вы можете использовать функцию Terminal (Терминал) на уровне области в интерфейсах Electric Currents (Электрические токи) и Electrostatics (Электростатика). Это окажется полезным при моделировании электродов сложной формы, которое иначе потребовало бы включения выборки большого количества границ при использовании электрического контакта на уровне границ. Неизвестные для электрического потенциала внутри выборки области контакта не вычисляются, а заменяются переменными. Это будет полезным при моделировании электродов, обладающих конечной толщиной, которая учитывается в геометрической структуре.