MEMS 模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本为“MEMS 模块”的用户改进了接触建模功能,引入了两相流流-固耦合以及随机振动分析,等等。请阅读以下内容,了解 MEMS 的所有更新功能。

随机振动分析

如果载荷本质上是随机的,例如阵风的湍流或道路引起的车辆振动,对于这种情况,我们无法以确定的方式来描述这些载荷。使用随机响应分析的新功能,用户可以研究载荷响应,这些载荷由功率谱密度 (PSD) 表示。载荷可以完全相关、不相关或具有特定的用户定义互相关。计算结果的示例包括位移或应力的 PSD,以及频谱分布的均方根 (RMS) 值或较大的力矩。

以下模型演示了这一新功能:

以彩虹色表显示的主板三维模型。 随机振动作用下的主板 主板在给定加速度谱密度下经受振动测试时的均方根垂直加速度。

接触建模功能改进

接触建模功能在以下几个方面得到了增强:

  • 可以模拟固体力学 接口中的边界与任意已划分网格的表面之间的接触
  • 接触问题默认使用罚函数方法,以提供更好的稳定性
  • 摩擦力现在沿接触边界的切线在局部方向上表示,从而减少自由度数
  • 为接触力添加了新的默认绘图
法兰模型的近视图,分别用绿色和洋红色显示螺栓周围的法向压力和摩擦牵引力。 接触建模示例:带螺栓的法兰 法兰中螺栓周围的法向压力(绿色)和摩擦牵引力(洋红色)。

“剥离”增强功能

新版本现在提供两个基本系列的剥离模型:基于位移的损伤 和新增的基于能量的损伤。此外,您也可以使用新的指数分离 牵引分离定律进行建模。由于材料刚度的损失,剥离模型本质上是不稳定的,为了改善数值特性,您可以采用延迟损伤 正则化方法。

COMSOL Multiphysics UI 显示了“模型开发器”、“剥离”特征设置、载荷-位移曲线以及正在进行剥离的层压复合材料模型。 使用“基于位移的损伤”剥离模型 使用 基于位移的损伤剥离模型对层压复合材料进行剥离。

两相流流-固耦合

用于流-固耦合的多物理场接口套件添加了两个新条目用于分析两相流:流-固耦合两相流相场流-固耦合两相流相场固定几何。当您从“模型向导”中选择流-固耦合,两相流,相场 选项后,系统会添加层流固体力学相场 接口,以及流-固耦合两相流 多物理场耦合及变形域 特征。固定几何选项包含相同的特征(变形域 特征除外)。您可以在两相流流-固耦合模型中看到这一新功能。

与薄壳相互作用的水(以蓝色显示)和空气(用流线表示)的模型。 两相流仿真 两相流(水和空气)与薄壳相互作用的仿真。蓝色表面是自由水边界。图中还显示了壳内位移和流动流线。

用于分析涉及传热的 FSI 问题的多物理场接口

在某些流-固耦合 (FSI) 问题中,流体与固体之间的传热非常重要。通常,这一过程还伴随着固体中的热致变形或应力。新版本新增了流-固耦合,共轭传热 多物理场接口,方便您建立包含这些效应的模型。该接口将三个物理场接口(固体和流体传热固体力学层流)与动网格和适当的多物理场耦合相结合。与所有其他 FSI 接口一样,该接口可以轻松地将流动从层流变为湍流。您可以在气流中的双金属片模型中查看这一新特征。

周围有气流的弯曲双金属片模型。 气流中的双金属片 双金属片周围的流动,金属片在流体加热作用下发生弯曲。
COMSOL Multiphysics 5.5 版本中的“选择物理场”窗口,在“共轭传热”选项下选择了“流-固耦合”选项。 选择“流-固耦合”物理场选项 当您选择 共轭传热流-固耦合选项时,软件将创建适当的物理场接口,并设置自动多物理场耦合。

旋转域中的固体力学

在模拟包含旋转域和静止域的混合系统中的多物理场问题时,可以在共转构型中使用固体力学 接口,从而只为相对于旋转的变形进行建模。与求解包含大型全局旋转在内的总位移相比,这种做法要有效得多。在许多情况下,甚至可以使用线性公式来求解力学问题。为此,旋转坐标系 特征提供了刚体转动和相对位移的叠加,用于控制其他物理场接口工作的空间坐标系。

两个并排的发电机转子模型,其中一个使用等值线和绿紫色渐变显示磁场,另一个以彩虹色显示应力。 发电机转子:磁场和应力 发电机模型,其中使用 固体力学接口对转子进行建模。结果显示磁场(左)和应力(右)。

磁滞磁致伸缩材料

非线性磁致伸缩材料 已扩展为包含磁滞 Jiles-Atherton 模型,适用于研究电力变压器和旋转电机等应用中的磁滞损耗效应。模型参数与磁性材料的微观物理效应相关,也可以根据实验数据进行估计。

图中显示“磁致伸缩材料”特征的“设置”窗口,其中展开了“磁化”栏。 研究磁滞损耗效应 磁滞磁致伸缩模型的设置,以及通过仿真生成的磁滞回线。

具有质量的弹性薄层

弹性薄层 特征专用于对厚度比几何结构其余部分更薄的层进行抽象建模,其功能通过新增的质量分布得到了增强。这对于高保真结构动力学仿真起着重要的作用。

多层壳接口中的压电材料

通过在多层壳 接口中加入压电材料建模功能,支持对薄片式压电器件和传感器(其中将压电材料嵌入复合材料层合板中)进行建模。为了方便建立模型,新增了压电,多层壳 多物理场接口,可以将多层壳多层壳中的电流 这两个物理场接口结合多层压电效应 特征实现多物理场耦合。您可以在新的多层壳中的压电现象模型中看到此功能的应用演示。请注意,除了“结构力学模块”和“复合材料模块”,您还需要“AC/DC 模块”或“MEMS 模块”才能使用此功能。

多层壳模型,其中间层由压电材料制成。 采用压电材料的多层壳 中间嵌有压电层的多层壳。压电层(彩色线框图)和金属层(彩色图)分别显示轴向压缩和面外位移。

“壳内电流”和“多层壳中的电流”接口

新的(多层)壳接口对之前版本的电流,多层壳电流,壳 接口功能进行了改进,目的是提高易用性和稳定性。由于改进了与其他物理场(多物理场)的集成,非多层壳和多层壳的建模现在变得更加简洁流畅。

对于多层壳,该物理场接口在三维中模拟壳的边界选择,并通过额外尺寸指向壳的法向。这样,您就可以对壳内部的切向和法向电场进行建模,模拟导体和电介质,从而进行“稳态”、“瞬态”和“频域”研究。通过将“MEMS 模块”或“结构力学模块”与“复合材料模块”结合使用,可以对多层壳中的压电材料进行建模。

以下模型演示了这些新接口:

两个并排的支架电势模型看起来非常相似,但它们是使用两种不同的技术创建的。 支架模型比较:实体 vs. 壳 同一支架的实体(左)和壳描述(右)的直接比较。结果图显示了电势。

新的“弹性波,时域显式”物理场接口

新的弹性波,时域显式 物理场接口基于间断伽辽金时域显式方法,可以对弹性波在固体中的传播实现高效多核计算,其中包含的的特征可以提供真实的材料数据,包括各向异性和阻尼。该接口适用于模拟超声波在换能器和传感器等固体中的传播,无损检测 (NDT) 应用,以及涉及许多波长上的瞬态传播(包括地震波在土壤和岩石中的传播)的任何大型声学系统。

您可以在以下模型中看到这一新接口的应用演示:

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中打开了“弹性波,时域显式”接口的“设置”窗口,并显示地震波在 5 秒时的绘图。 使用“弹性波,时域显式”接口 土壤中的地震波传播模型,其中显示新的 弹性波,时域显式接口的用户界面。

新的教学案例

5.5 版本新增了多个教学案例。