通过变形实现物理运动的图形化显示

Lexi Carver 2015年 4月 28日

在许多仿真应用中,比如声波、振动机械硬件或管道中的流体,您都会希望能对器件内的运动或变形进行图形化显示。后处理和图形化显示能帮您加深对仿真结果的理解,通过绘图来显示物理运动也能使您综合考虑器件中的每个方面。变形是帮助实现这一点的绝佳方式。

三维变形及缩放

变形是指在绘图下增加一个节点,它将根据选定的物理量矢量对图形结果进行变形。例如,在结构力学应用中,您可能希望显示零件的位移;在声学模型中(这也是本篇博客的讨论重点),您将能够表现出波的实际形状。

让我们分析一个电容式麦克风示例,您可以点击 文件 > App 库 > 声学模块 > 电声换能器 > 电容麦克风 打开模型,或点击此处下载。即使您尚未安装声学模块,软件也支持您打开教程模型、分析其中的设定,并进行后处理。

电容式麦克风教程模型研究了麦克风中膜的变形(膜片),膜负责将机械位移转化为 AC 信号。已求解的教程模型中包含一张名为三维膜变形的绘图,表现了膜片的变形:

访问 COMSOL Multiphysics 中的三维膜变形选项。

表面节点绘制了给定频率下膜在垂直方向的位移场。下图显示了仿真中的最大频率,在图中禁用了变形功能(如果希望禁用一个节点,右击该节点并选择禁用)。

禁用变形后,仿真中的最大频率。

如果希望增加变形,右击相应的绘图节点并选择变形

自行增加变形选项。

变形可以用于大部分的二维和三维绘图类型,包括箭头图、等值面、等值线、流线图、表面、切片和体。您可以在设定中选择相关的矢量物理量,此例中,我们选择了位移场:

变形的设定截图

重新启用变形后,我们可以看到这一频率下膜形状的改变:

启用变形图后,膜的形状改变。

如果仔细观察设定区,您将发现比例因子的值很大:

模型比例因子设定图。

变形通常会使用较大的比例因子进行缩放,以便显示微小的变形与翘曲,或收缩较大的变形以免遮盖模型中的重要零件。在非常小的器件中,比如 MEMS 硬件或本篇博客中提到的麦克风,裸眼往往无法观察到变形。

高度表达式

高度表达式是一类特殊的变形,它并非基于单个矢量物理量来绘制一个变量。这类变形支持您将二维绘图转换为三维绘图。在另一个声学仿真(文件 > App 库 > 声学模块 > 压电设备 > 压电声学换能器,或点击此处下载)中,其中的一个绘图就借助高度表达式表现了压电声学换能器中产生的声压场。

压力场最初绘制在一个二维的表面上:

换能器压力场的二维示意图。

高度表达式会将该表面转换成一个三维绘图,显示出波峰与波谷的高度:

模型中利用高度表达式将表面转换为三维绘图。

这一高度表达式继承了父节点中的设定;但也支持用户选定的表达式。本案例模型中,缺省表达式为每一点的声压值。

模型高度表达式的主要设定。
编辑高度数据表达式。

高度表达式还包含一个偏移滑块(如上图所示),支持您手动沿 z 方向移动整个变形结构。下方为偏移设为 1.5 时的结果视图。

在结构中使用高度表达式显示结果。

周期性阵列

最后,我们来分析一下周期性阵列这种二维变形,周期性是指对象或图像不断重复出现,我们通常只会模拟整体器件中的单个周期性单元。

为了演示这一点,我们以表面等离子激元线光栅教程模型为例。您可以点击文件 > App 库 > RF 模块 > 演示教程 > 表面等离激元线光栅打开教程模型,或者点击此处下载。模型计算了入射到线光栅上的平面电磁波的传输及反射系数。相比模拟整个器件的做法,我们只模拟了整个光栅中包含单条棒的周期性单元。但教程模型中使用周期性条件,表征真实结构中周期性单元会在左右两侧重复。

表面等离子激元线光栅教程模型的结果显示出了给定入射角下光栅上的电场模。虽然 App 库中已求解教学模型中包含了一个阵列数据集,我们还是新生成了一个表面图来演示如何使用变形来创建阵列:

表面等离激元线光栅中的电场模。

在某些情况下,采用二维阵列数据集要比变形效率更高,但通过变形您可以控制解的不同复本的精确位置。这里,我们将第二个表面绘图沿 x 轴正方向平移 d 纳米 (nm),即周期性单元的宽度。

图片显示了第二个表面的电场模。

比例因子设为 1,保证表面绘图移动正确的距离。注意同时也复制了标题。我们可以在每个表面图节点下禁用绘图标题,以免标题重复;您还可以对颜色图例执行相同操作。

我们可以为该表面生成复本,只需更改每张绘图中 x 分量的表达式,从而将几个晶胞相邻排布。

如果更改 COMSOL Multiphysics 中的变形设定。

下图显示了对经平移后四个表面复本的仿真结果。原始绘图位于中部,用廓线标示出:

包含表面经平移后的四个复本的电场结果。

其他示例

虽然我们这里不会再对变形的其他应用场景展开介绍,但还是会再简要介绍您可能感兴趣的其他结构力学及流体模型中的变形。例如,下图显示了往复式引擎在运动时的位移,初始位置用廓线标出:

移动往复式引擎中的位移。

振动微镜教程模型中,变形显示出了位移场(含 uvw 分量),用于描述微镜对不同预应力等级的响应。下方显示了初始位置(水平)的廓线:

COMSOL Multiphysics 教程模型,显示了微镜中的变形。

还可以创造性地使用变形来对流体流动进行绘图,这样结果将变得更清晰。下图按照空气流过散热器的速度对线图进行了变形。

变形在散热器中的应用。

我们的变形博客到此结束。在之后发布的后处理系列中,我们将重点介绍各种可以帮您提升后处理结果的要诀与技巧。


博客分类

博客标签

后处理

评论

  1. yuqiang xie 2018-12-18   6:19 am

    频率扫描下的位移场是什么时刻的位移场

正在加载评论...

博客分类


博客标签