MEMS 模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本为“MEMS 模块”的用户引入了增强的电致伸缩功能和改进的教学案例。请阅读以下内容,了解 MEMS 的所有更新功能。

电致伸缩多物理场接口

电致伸缩建模功能以前在机电力 多物理场耦合节点中可用。这一功能得到了显著增强,并已转移到新的电致伸缩 多物理场接口,其中包含固体力学静电 接口,以及新的电致伸缩 多物理场耦合。在静电 中,使用的是标准的电荷守恒 材料模型。如果需要,您可以单独添加和使用新特征,或者将其与机电力 节点一起使用。对于使用旧电致伸缩功能的现有模型,打开模型时软件会自动添加一个新的电致伸缩 节点。

铁电弹性多物理场接口

新增的铁电弹性 多物理场接口用于分析具有非线性压电属性的铁电材料,其中将添加固体力学静电 接口,以及新增的电致伸缩 多物理场耦合。在静电 中,新增的电荷守恒,铁电 材料模型用于模拟使用Jiles-Atherton 模型的磁滞等现象。您可以在新的压电陶瓷的磁滞现象教学案例中看到此接口的应用演示。请注意,需要“AC/DC 模块”才能实现此功能。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面的特写视图,其中显示“模型开发器”、“电荷守恒,铁电”设置,“图形”窗口中显示一个蓝色几何,还显示一个电致伸缩应变张量的点图。 模拟铁电弹性 电致伸缩应变随三个不同振幅的谐波变化电场而变化的示例。

广泛支持特征频率分析

现在,大多数“AC/DC 模块”接口都支持特征频率 研究:电流壳内电流多层壳中的电流电路静电磁场。除了支持磁场 接口中的全波腔模式分析外,还可以对涉及电路的模型运行特征频率分析。这种功能主要是为“AC/DC 模块”开发的,但提供受影响的相关物理场接口的其他模块也将从中受益。

新的和增强的电路接口功能

电路 接口为瞬态 研究配备了一个“基于事件”的开关 特征,使您可以对电路中某些连接的“瞬时”双位开关进行建模。开关可以由电流、电压或用户定义的布尔表达式进行控制。

此外,新版本还添加了参数化子电路定义,您可以将其与子电路实例 结合使用,从而创建包含较小电路的构建块,并在较大的电路中使用这些构建块的多个参数化变体。最后,状态、事件和求解器的机制也得到了改进,尤其是非线性(半导体)器件的瞬态建模变得更加稳定。

电路的功能改进主要是为“AC/DC 模块”开发的,但其他提供电路 接口的模块也将受益。以下更新的模型演示了这一新功能:

动态接触

动态接触的新算法大大改善了瞬态接触事件期间动量和能量的守恒,这意味着您可以用比之前版本大得多的时间步对瞬态接触问题进行精确建模。通过在接触 节点中选择罚函数,动态增广拉格朗日,动态 公式,可以使用新方法。您可以在新的两个软环之间的碰撞高尔夫球的冲击分析教学案例中看到此功能的应用演示。

用于连接点的弹簧和阻尼器

所有结构力学接口中都添加了一个名为弹簧阻尼器 的新特征,以使用弹簧和/或阻尼器连接两个点。这些点可以是几何上的点,也可以是抽象的点,例如,通过使用连接件或者直接与刚体连接。弹簧可以是物理的,沿两点之间的线施加一个力,也可以通过完整的矩阵进行描述,连接两个点上的所有平移和旋转自由度。此外,该特征还可以连接两个不同物理场接口中的点之间的弹簧。

弹性波传播的端口边界条件

固体力学 接口提供新的端口 边界条件,用于激励和吸收进入或离开固体波导结构的弹性波。给定的端口 条件支持一种特定的传播模式。通过在同一边界上组合多个端口 条件,可以对传播波的混合进行一致的处理,如纵向、扭转和横向模式。例如,具有多个端口 条件的组合设置为波导提供了优越的非反射条件,以实现完美匹配层 (PML) 配置或低反射边界 特征等。端口条件支持 S 参数(散射参数)计算,但它也可以用作激励系统的源。反射波和透射波的功率可用于后处理。为了计算和识别传播模式,可以将边界模式分析 研究与端口条件相结合。您可以在新的机械多端口系统:弹性波在小铝板中的传播教学案例中看到此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面的特写视图,其中显示“模型开发器”、“端口”设置,右侧是一个彩虹表面图,显示四端口结构的位移大小。 演示端口边界条件 四端口结构示例。

刚性连接件的功能改进

刚性连接件 特征进行了多项改进。在 接口中,选择选项已扩展到顶层,分别为边界和边。当旋转中心由点选择定义时,该点不再必须是物理场接口本身的一部分。您可以将来自不同物理场接口的刚性连接件进行耦合,从而定义一种新的虚拟刚性对象类型(此选择位于刚性连接件设置的高级 栏中)。在固体力学 接口中,您可以基于 NASTRAN® 格式的导入文件中的 RBE2 单元自动生成刚性连接件。这可以通过这些接口设置中名为自动建模 的栏进行控制。为了模拟所导入文件中的连接,刚性连接件可以属于多个物理场接口。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本中的“图形”窗口,其中显示灰色实体和橙色螺栓。 刚性连接的螺栓 使用接口模拟的螺栓端点与使用 固体力学接口模拟的实体表面上的某些边界刚性连接。

用于指定旋转坐标系速度的新选项

此版本在固体力学多体动力学 接口的旋转坐标系 节点中添加了新的刚体 选项。通过此选项,您可以输入一个绕旋转轴的瞬态扭矩,然后通过对刚体运动方程进行积分来计算旋转速度。

接触的功能改进

除了新的动态接触和磨损功能之外,接触力学领域还进行了其他一些改进。您可以将全耦合的求解器与增广拉格朗日接触算法一起使用,从而可以更轻松地设置求解器序列,并提高某些问题的稳定性和收敛性。另外,在接触 下的摩擦 子节点中,您可以选择用户定义 作为摩擦 模型,直接输入引起任何其他变量滑动的切向力的表达式。最后,针对罚函数法和增广拉格朗日法,提出了多种提供罚因子的新方法。

黏弹性改进

此版本添加了两个新的黏弹性模型:麦克斯韦广义 Kelvin-Voigt。麦克斯韦材料可以认为是一种液体,原因是它在恒定应力下的长期变形是无限的。广义 Kelvin-Voigt 模型具有带多个时间常数的 Prony 级数表征,从概念上讲,它由一组串联的开尔文元件(并联的弹簧和阻尼元件)组成。

对于频域分析,所有的黏弹性模型(广义麦克斯韦广义 Kelvin-Voigt麦克斯韦Kelvin-Voigt标准线性固体伯格斯 )都用分数导数符号表示进行了功能增强,这样可以更轻松地将材料数据拟合到某些材料的实验中。对于使用广义麦克斯韦标准线性固体 黏弹性模型的时域分析,性能提高了一个数量级。

Tool–Narayanaswamy–Moynihan 转换函数通常用于描述玻璃和聚合物的玻璃化转变温度,已添加到黏弹性 节点的转换函数集。

用固体力学求解瞬态弹性波问题的新设置

此版本在固体力学 接口中引入了新设置,可确保在时域中求解弹性波问题时有一个正确、有效的求解器设置。与现有的瞬态声学接口中的设置类似,在固体力学 接口节点中引入了一个新的瞬态求解器设置 栏,提供一个选项来指定要求解的最大频率,这通常应该是源激励的最大频率含量或可以被激励的最大特征模态频率。自动生成的求解器建议将具有针对波传播使用适当求解器方法的设置,并确保在时间和空间上具有适当的分辨率。

改进的模型

复合薄膜体声波谐振器模型已在多个方面进行了更新。为了提高完美匹配层 (PML) 域条件的性能,调整了 PML 缩放比例、曲率和网格以覆盖更长的波长,典型波速在材料边界上保持一致。另外,使用区域搜索方法用于避免求解特征频率时的伪解。

压电速率陀螺仪模型已更新,现在包含简化的几何和细化网格。此外,特征频率研究已更新为求解整个系统问题,这与频域研究一致。

电致伸缩盘模型已更新,现在包含新的铁电弹性 功能。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的“MEMS 模块”引入了多个新的教学案例。

压电陶瓷的磁滞现象

极化和电致伸缩应变的一维绘图。 压电陶瓷的磁滞现象模型 极化(蓝色)和电致伸缩应变(绿色)随具有铁电属性的压电材料中的外加电场变化的情况。

“案例库”标题:
piezoelectric_hysteresis

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梳驱动音叉式微速率陀螺仪

梳驱动音叉式微速率陀螺仪模型,其感测模式振幅以彩虹色显示。 陀螺仪模型 陀螺仪的感测模式振幅。模型由 Veryst Engineering, LLC. 的 James Ransley 提供。

“案例库”标题:
comb_drive_tuning_fork_gyroscope

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压电微泵

以彩虹色流线显示流体流动的压电微泵模型。 压电微泵模型 微泵中流体流动的流线。模型由 Veryst Engineering, LLC. 的 Riccardo Vietri、James Ransley 和 Andrew Spann 提供。

“案例库”标题:
piezoelectric_micropump

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梳驱动音叉式微速率陀螺仪中制造偏差的影响

包含红线和黑线的陀螺仪模型的特写视图。 包含制造偏差影响的陀螺仪模型 显示了侧壁变化引起的形状变化。模型由 Veryst Engineering, LLC. 的 James Ransley 提供。

“案例库”标题:
comb_drive_tuning_fork_gyroscope_manufacturing_variation

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