MEMS 模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“MEMS 模块”的用户引入了耦合磁效应和机械效应的新接口、模态综合法,以及多项黏弹性改进。请阅读以下内容,进一步了解该模块的新增功能和更新功能。

磁力学多物理场接口

新版本新增了两个物理场接口,用于分析耦合的磁效应和机械效应:磁力学磁力学,无电流。当您添加这样的接口后,模型中会添加两个物理场接口:固体力学 以及磁场磁场,无电流。此外,还增加了新的磁机械力 多物理场耦合。这些接口可以在添加物理场 树中的电磁学和力学 分支下找到。请注意,除了“MEMS 模块”外,这些接口还需要“AC/DC 模块”、“结构力学模块”或“声学模块”。


交流接触器的动态特性。交流接触器是一种特殊的开关,由输送交流电流的线圈激活。

“压电波,时域显式”多物理场接口

使用新增的压电波,时域显式 多物理场接口,您可以在时域内对压电介质中波传播现象进行建模,不仅可以对正、逆压电效应进行建模,还可以使用应变-电荷或应力-电荷形式来表示压电耦合。新增的接口利用新增的压电效应,时域显式 多物理场耦合,将弹性波,时域显式 接口与静电 接口相耦合。

这个接口基于间断伽辽金(dG 或 dG-FEM)法,并采用时域显式求解器。方程组的静电部分在每个时步通过经典有限元法 (FEM) 求解的代数方程组进行求解,从而确保这种计算效率非常高的混合方法可以求解百万级以上自由度 (DOF) 的大型模型。这种方法非常适合于集群架构上的分布式计算。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“压电材料”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及两个“图形”窗口。 压电波,时域显式多物理场接口在角钢梁无损检测 (NDT) 装置中的应用。

模态综合法

使用固体力学多体动力学 接口建立的线性组件可以用 Craig–Bampton 方法降阶为计算效率高的降阶模型。然后,您可以将这些组件用于动态或静态分析,或者用于完全由降阶组件组成的模型,也可以将它们与未降阶的弹性有限元模型一起使用,后者可以是非线性的。这种方法称为模态综合法 (CMS) 或动态子结构,可以在计算时间和内存使用率方面带来很大的改进。您可以使用与模型的任何其他部分相同的方式呈现降阶组件中的结果(如应力和应变)。

变速箱模型,绿色外壳显示网格,内部有黄色的旋转齿轮。 在这个变速箱模型中,外壳(绿色)被降阶为一个具有 74 个自由度 (DOF) 的等效动态模型,它作为齿轮机构的支撑。旋转齿轮的整个强非线性模型有 170 个自由度。

带扭转的轴对称

固体力学 接口的二维轴对称中,现在可以通过在物理场接口的轴对称近似 栏中选中包含周向位移 复选框启用包含周向变形。利用该选项,您可以采用高效计算的方式对轴对称结构的扭转等现象进行建模。

显示 von Mises 应力的空心轴三维模型(左)和灰色的二维轴对称模型(右)。 受到扭转作用的空心轴。灰色等值线表示用于分析的二维轴对称几何形状,相应结果通过旋转数据集以三维模式显示。

任意位置的点载荷

利用新增的点载荷,自由环形载荷,自由 特征,您可以在与几何点或网格节点不重合的任意位置施加点载荷,这在以下情况下尤其有用:

  • 导入的网格,其中可能没有合适的点来承受载荷
  • 动载荷
  • 包含许多点载荷的模型,在这种情况下,在所有载荷位置创建几何点可能不切实际

您可以在固体力学桁架多体动力学 接口中使用此功能。

实心块模型,顶部有两个点载荷,用黄色箭头表示。 实心块的顶部有两个与网格无关的点载荷。

机械接触建模更加容易

您现在可以更容易地建立包含机械接触的装配结构分析,这得益于内置的对、接触和连续性自动化特征。如果模型中至少有一个接触对,那么软件将在相关的结构力学接口中自动创建一个默认的接触 节点。同样,如果至少有一个一致对,软件会自动创建一个默认的连续性 节点。因此,如果几何中的部件彼此相邻放置,那么从物理学的角度来看,它们也将被连接起来,前提是您在几何序列中的形成装配 节点中使用了自动创建对。

由于对功能的全面重构,不再需要接触 中的当前物理场的外部源 复选框,因此已将其移除。也就是说,不同物理场接口之间的接触也是自动处理的。

包含接触连续性 的所有模型都已相应更新。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“接触”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示拱形结构模型。 固体力学接口中,接触节点都是自动生成的。但是,由于固体作为对的源头一侧,只有在壳侧才能实现全套的控制。

新增的阻尼模型

新版本为机械材料模型添加了新的阻尼模型:

  • 波衰减 模型本质上是一个黏滞模型,其参数由材料中弹性波衰减的测量数据给出。它可以用于固体力学线弹性材料
  • 最大损耗因子 模型主要用于材料的时域分析,对于这些材料,损耗因子表示在频域中给出了良好的描述。这种阻尼模型适用于支持黏滞阻尼的所有材料模型。
  • 压电材料 特征中,除了机械阻尼最大损耗因子 之外,还有一种新的介电损耗频域阻尼模型:复介电常数
  • 对于电荷守恒,压电,您现在可以添加两个新的色散模型:德拜多极德拜

电介质的德拜色散模型

新版本为介电材料添加了新的阻尼模型。在电荷守恒 下,当材料类型设置为固体 时,现在可以使用色散 介电材料模型。在色散 子节点中,您可以在德拜多极德拜 色散模型之间进行选择。此功能可用于频域和瞬态分析。请注意,此材料模型需要“AC/DC 模块”或“MEMS 模块。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“色散”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示一维绘图。 多极德拜色散模型用于模拟频率相关的介电材料属性。

减缩积分

固体力学 接口中,新增了一个框架,用于减缩积分的数值技术。当每个积分点的计算成本很高时,减缩积分特别有用,对于许多高级材料模型来说更是如此。它还可以用于缓解某些材料模型的锁定问题。

对于具有线性形函数的单元,减缩积分会导致刚度矩阵的奇异性,这可以通过增加沙漏稳定性来抵消。

在各种材料模型中,减缩积分由正交设置 栏控制。它可用于顶级材料模型,如线弹性材料。选定的积分规则将被所有可能添加的子节点所继承。

静电和电流的对称平面

静电 接口和电流 接口中新增了对称平面 特征,为电场提供对称和反对称条件。对于反对称的情况,您可以设置一个参考电势来指定电场围绕多大的电势反对称(默认设置是接地)。

“弹性波,时域显式”中的计算位移后处理特征

新版本的弹性波,时域显式 物理场接口中新增了一个后处理特征,称为计算位移。利用此特征,您可以通过求解一组辅助常微分方程,以最佳方式计算点、沿边、边界或域中的位移。这些新特征作为子特征添加到材料模型中,例如弹性波,时域显式模型压电材料 模型。此特征不影响结果,但仅用于后处理,并生成场变量,用于对位移进行可视化和后处理。由于此特征会添加并求解额外的方程,因此使用它需要额外的计算资源。

黏弹性改进

新版本为黏弹性材料模型引入了多项重要改进:

  • 对于频域和瞬态分析,所有的黏弹性模型都得到了增强,现在可以将黏弹性也包含在体变形中。
  • 广义麦克斯韦 模型中,您现在可以精简表示指定载荷带宽之外的频率范围的分支,从而提高具有几十个黏弹性分支的模型的瞬态分析性能。
  • 对于频域分析,通过新增的用户定义的黏弹性模型,您可以输入损耗和存储模量或柔量的频率相关表达式。
  • 通过黏弹性方程的新公式,您现在可以通过阻尼特征频率问题的标准操作过程来求解含有黏弹性材料的结构的特征频率。以前,特征值问题在频率上是非线性的,一次只能找到一个特征频率。

混合公式改进

在可以选择混合公式的材料模型中,您现在可以修改额外因变量(压力或体积应变)的离散化,这样一来,在低压缩性的材料中更容易避免锁定和不稳定性。

线弹性材料 设置下选择混合公式后,软件将自动为材料模型生成一个新的离散化 栏。在此栏中,您可以为额外的因变量选择不同类型的形函数。

新增教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本的“MEMS 模块”引入了三个新的教学案例。