如何选择 COMSOL 产品进行压电建模?

2021年 10月 7日

您知道应该使用 COMSOL Multiphysics® 软件的哪些附加产品来模拟压电设备吗?这取决于系统中包含的材料类型以及您要在分析中使用的特定功能。今天我们为您详细介绍一下这些不同的产品,看看它们能提供什么功能。

压电接口

压电 接口将 固体力学静电 接口与压电现象建模所需的本构关系相结合。它可以模拟正向压电效应和逆向压电效应。压电耦合可以使用应变-电荷或应力-电荷形式来表述。

结构力学 &声学模块 产品分支中的三个模块提供了用于模拟压电性的功能:

  1. 声学模块
  2. MEMS 模块
  3. 结构力学模块

下面的图说明了这些模块提供的与压电建模相关的最常用功能。

气泡图说明了在“声学模块”、“MEMS 模块”和“结构力学模块”中对压电性进行建模的主要特征

用于压电建模的产品概述

声学模块

声学模块包含用模拟波的产生和传播的专用工具:

  • 流体
  • 线弹性材料
  • 多孔介质
  • 压电材料

它是唯一可以提供捕获流体和多孔材料中的波行为的内置功能的产品。声学模块允许您使用结合 压力声学固体力学静电学 接口的预定义多物理场耦合对声-压电相互作用的问题进行建模。

这类问题的典型应用通常分为两类:

  1. 使用压电换能器作为发射器将声音辐射到周围的流体
  2. 使用压电换能器作为接收器来检测来自周围流体的声音

您可以同时将压电设备建模为发射器和接收器,如下面的教学案例中所示:

用于传输和接收声音的压电换能器。

当流体并非问题主要关注问题的场景下,您可能仍希望在模型中包含流体带来的热视觉损失,方便研究 MEMS 结构的阻尼振动。有关这方面的示例您可以参考下面的几个教程模型:

添加结构效果

当模型中包含非线弹性材料的固体时,您需要使用结构力学模块MEMS 模块。每个模型本身都支持线性黏弹性材料模型,包括广义 Maxwell、标准线性实体 (SLS) 和 Kelvin-Voigt。黏弹性材料可用作复合压电换能器的背衬层或用于结构的任何部分以阻尼振动,如带约束层的阻尼垫黏弹性结构阻尼器教学模型中所示。

显示粘弹性结构阻尼器和压电阀的网格和位移的并排仿真结果
黏弹性结构阻尼器(左)和压电阀模型(右)的网格和位移结果。

如果材料具有需要考虑的非线性应力-应变关系,那么还需要使用非线性结构材料模块。它是结构力学和 MEMS 模块的附加组件,并通过对非线性材料建模的支持对其进行了扩展,例如超弹性、蠕变、塑性和黏塑性。压电阀教学模型中对此进行了示例说明。

MEMS 模块

MEMS 模块包括一个 终端 功能,允许您将压电设备连接到电路。电路可用于激励换能器以及接收检测到的信号。终端 功能还能够计算压电装置的集总参数,如计算复合压电换能器和散射参数(S 参数)。通过激活手动终端扫描,您可以对终端运行参数化扫描并获得散射参数矩阵。

显示复合层流换能器模型的电纳水平的折线图,以紫绿色渐变显示在嵌体中
绘制红色、绿色和蓝色陶瓷致动器不同值的极化滞后回线的线图

复合压电换能器的电纳水平(左)和由陶瓷材料制成的致动器的不同值的极化磁滞曲线(右)。

MEMS 模块还提供薄膜阻尼功能,可用于对相对移动的两个结构之间的薄流体层中的阻尼进行建模。它通常被称为挤压膜阻尼或滑膜阻尼,这取决于结构的运动是垂直还是平行于膜平面。这个特征既可作为 固体力学 接口中使用的 薄膜阻尼 边界条件,也可以作为独立的薄膜流 接口,与固体力学 物理场接口耦合,如 瞬态弹流润滑挤压油膜相互作用的基准模型所示。

MEMS 模块中包含的另一个相关功能是 铁电弹性 接口。当材料表现出自发极化时,我们可以使用该接口模拟处于铁电相的压电材料。铁电材料表现出非线性极化行为,例如大施加电场下的滞后和饱和。有关这方面的一个例子,可以参看 压电陶瓷的磁滞现象模型

结构力学模块

结构力学模块包括有效分析薄结构的特征,例如,通过使用 接口。当您想要使用 压电、多层壳 特征时,您将需要使用结构力学模块和复合材料模块。此特征将多层壳 接口与多层壳中的电流 接口相结合,从而能够以非常经济的方式对薄层结构中的压电效应进行建模,如多层壳中的压电现象模型教程所示。

分层壳模型的图像,中间带有蓝色显示的压电层
中间嵌入压电层的多层外壳。压电层(彩色线框图)和金属层(彩色图)中显了轴向压缩和平面外位移。

总结

总而言之,当单独为压电器件建模并且器件仅包含压电材料和线弹性材料时,您可以使用声学模块、MEMS 模块或结构力学模块。

对于振动和波动问题,只要流体或多孔介质是系统的一部分,或者需要捕获热黏性阻尼以准确模拟 MEMS 器件的振动,就需要使用声学模块。如果包含线性黏弹性材料,则需要 MEMS 模块或结构力学模块。对于由非线性结构材料组成的器件,您需要使用非线性结构材料模块,该模块可以添加到 MEMS 模块或结构力学模块。

MEMS 模块可让您访问 终端 功能并将压电换能器连接到外部电路。薄膜阻尼特征可用于捕获流体薄层中的阻尼,用于移动微结构。它还允许您模拟压电材料的铁电效应。

结构力学模块提供了高效的建模功能,例如 接口。当添加了复合材料模块时它还提供了压电、多层壳 特征。

如果您已经拥有提供压电特性的声学模块或结构力学模块,那么 AC/DC 模块还可以让您访问 端子、电路铁电 特征。

当然,这里讨论的内容并未涵盖可以使用压电材料的所有可能场景。例如,使用压电驱动器对可调消失模腔体滤波器进行建模就需要使用 RF 模块。

下一步

想要与技术工程师讨论您的特定应用程序或更深入地了解这些模块中的任何一个吗?欢迎点击下面按钮与我们联系:


评论 (3)

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鑫 夏鑫
鑫 夏鑫
2022-04-28

是否可以提供压电MEMS麦克风仿真相关案例?

hao huang
hao huang
2022-04-28 COMSOL 员工

压电麦克风没有,有扬声器的。可参考:https://cn.comsol.com/model/piezoelectric-mems-speaker-78021

博 余
博 余
2022-05-12

是否有压电材料接电容器收集电荷的案例?

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