COMSOL Multiphysics^® 6.1 发布亮点

MEMS 模块更新

COMSOL Multiphysics^® 6.1 版本为“MEMS 模块”的用户引入了两个新的多物理场接口、增强了接触建模功能，以及新增了多个教学案例。请阅读以下内容，进一步了解这些更新及其他新增功能。

压电和热释电多物理场接口

在“模型向导”的 AC/DC 分支下，有一个新的热释电 多物理场接口，将静电 和固体传热 接口与新的热释电 多物理场耦合相结合，可以用来模拟固体电介质中因温度变化而产生的电极化。同样，在“模型向导”的结构力学 分支下，有一个新的压电和热释电 多物理场接口，它将固体力学 和固体传热 接口与压电效应、热膨胀 和热释电 多物理场耦合相结合，可以用来模拟温度变化导致的压电材料的电极化。在新增的热释电探测器模型中演示了使用这个接口来仿真用于测量激光能量的仪器中的热释电探测器。

热释电探测器中的铌酸锂 (LiNbO₃) 圆盘。圆盘上表面显示了吸收的激光能量，颜色表示瞬时温度分布。红色和绿色箭头分别表示热通量和自发极化。

新的教学案例

偏压谐振器的固有模态 - 来自 GDS 文件的三维几何

对具有复杂三维结构的 MEMS 或半导体器件进行建模时，几何形状的构建可能非常耗时，往往可能需要在一个过程中组装许多原始形状，而这并不需要对应于逐层实现不同材料的沉积和图案化的过程。本教学案例演示如何使用复现MEMS 器件制造的逐层方法更有效地构建三维几何形状。通过使用“ECAD 导入模块”从 GDS 文件导入布局，并使用“设计模块”中的操作，可以极大地减少用于定义几何的参数量和步数。

您可以从关联的“案例下载”条目下载模型。

偏压谐振器的结构，通过导入 GDS 文件并使用“设计模块”中的操作逐层构建。

预应力微镜振动：热黏性-热弹性力学耦合

这个新教学案例分析了预应力微镜的操作，包括热弹性效应的损耗和与周围空气的相互作用，其中详细演示了热黏性声-热弹性力学边界 多物理场耦合（在“声学模块”中可用）在声-结构相互作用问题的热黏性损耗建模中的应用。这个多物理场耦合特征可以捕获流-固界面上非理想热条件的影响，这在 MEMS 应用中非常重要。本模型中还使用热弹性力学 接口计算由热弹性效应驱动的不可逆传热的机械损耗，这对于微观结构尤其重要。

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600 Hz 振动模式下，微镜结构和周围空气域中的温度扰动。

电容式微机械超声换能器

本模型演示电容式微机械超声换能器 (CMUT) 的操作，这是一种将超声波转换为电信号以用于高分辨率成像应用的微型接收器。换能器与外部电路相连，谐波扰动边界载荷表示超声能量。模型中分析了一种对力-位移特性进行优化以提高效率的 CMUT 设计。需要改进的一个重要指标是位移均匀性因子，可以通过频域，预应力 研究来计算。这种特殊的设计推进了由压电换能器主导的医学成像技术，并有望实现小型化和更高的分辨率。该器件可以使用完善的 0.35 μm 互补金属氧化物半导体 (CMOS)–MEMS 工艺技术来制造。

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由电介质（二氧化硅）和金属（铝）交替层制成的 CMUT，采用光刻技术制成。有三个电介质层、四个金属层以及一个（隐藏的）氮化物钝化层，可以响应外压，保护器件不受外部环境的影响。颜色表示嵌入式电极的位移。

静电吸盘

本模型演示在晶圆加工过程中，用于将晶圆固定在温控平台上的静电吸盘的操作。其中使用机电力、流-固耦合、非等温流动 和热膨胀 耦合来计算晶圆的压力相关冷却问题。静电吸盘在各种晶圆加工设备中发挥着重要作用。在加工过程中，静电吸盘利用机电力将晶圆固定在温控平台上，而不是机械夹持。本模型中，静电力抵消了在晶圆与静电吸盘之间的间隙中流动的氦气的压力，从而在低压环境中提供有效的热传导。

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静电吸盘模型，其中显示（放大的）变形晶圆横截面。吸盘表面的颜色表示晶圆温度，气体通道的颜色表示气体速度。

接触建模增强功能

新版本对接触建模功能进行了一些补充和改进。

• 实施了更快的新接触搜索算法，对大型三维模型尤其有利。
• 新增了 Nitsche 方法的接触公式；这是一种稳健的方法，不会添加任何额外的自由度。
• 为所有接触模型的接触方程添加了更稳定的新公式。
• 改进了壳和膜的公式，现在使用弯曲几何上的实际表面。
• 改善了对自接触的支持。现在，该公式在接触对的两侧对称。

弹塑性管被强制放入锥形孔的动画，其中多个位置发生自接触。

固体力学接口 - 一维

现在，固体力学 接口可用于一维和一维轴对称组件，您无需添加任何附加产品即可使用基本功能。在横向上，您可以选择平面应力、平面应变和广义平面应变的不同组合。在电池建模、声学和热-结构相互作用等方面，可以使用多种多物理场应用，其中一维模型对于洞察各种物理现象很有帮助。请注意，电池中的插层应变功能已包含在“电池模块”中。对于更高级的一维建模，将“固体力学”接口与“MEMS 模块”、“多体动力学模块”或“声学模块”结合使用时，可以使用许多额外的特征。

一维轴对称接触的热-结构耦合问题。请注意，基础表示只是沿直线的一维单元，为了获得更好的可视化效果，图中将结果扩展为圆形几何形状。

材料模型的数值测试

对于复杂的材料模型，尤其是用户定义的模型，研究模型在各种载荷条件下的行为非常重要。固体力学 接口中新增的测试材料 特征可以自动建立具有一个单元的小模型，其中包含适用于多种不同载荷条件的边界条件和研究步骤。载荷既可以是准静态，也可以是瞬态的；可以是单调的，也可以是循环的。您可以在更新的使用修正剑桥黏土材料模型模拟等向压缩试验和非恒定载荷下的初级蠕变模型中查看这一新特征的应用演示。

材料模型的四种不同基本测试的应力-应变曲线。

固体边界上的材料

现在，您可以在内部或外部边界上使用各种线性和非线性材料模型，例如，用于模拟胶层、垫圈或包层。从全三维到仅面内应变，这类层可以使用许多不同的假设。当您结合使用“复合材料模块”与“结构力学模块”来实现这些模型时，边界材料甚至可以是多层的。现有的加热电路模型演示了这一新功能。

两个管法兰之间的垫圈的应力。

薄膜阻尼的多物理场接口

此版本添加了两个新的薄膜阻尼多物理场接口：实体薄膜阻尼 和壳薄膜阻尼，分别将薄膜流 接口与固体力学 或壳 接口相结合。此外，还新增了两个促进薄膜阻尼的多物理场耦合：结构薄膜流相互作用 和壳薄膜流相互作用。这些耦合不限于薄膜阻尼；比如，您也可以使用它们对润滑和空化现象进行建模。

加速度计中的压膜气体阻尼。彩色绘图显示固体域的两个表面上的气压。

静载下的屈曲分析

在搜索临界屈曲载荷时，有些情况下存在多种载荷系统，其中一种可以被视为固定载荷。例如，重力载荷可以看作是固定的（静载），而工作载荷可以看作是不固定的（活载）。即使您只想计算工作载荷的临界水平，静载仍然会影响屈曲风险。新的静载作用下的桁架塔线性屈曲分析模型中内置了此类分析，您可以在其中进行查看。

线性屈曲分析的求解器设置现在支持处理活载和静载的组合。本例将拉索中的预应力和塔架的自重视为静载，并将顶部的力视为活载。

新的装配连接方法

新版本添加了 Nitsche 方法，可以强制使装配中的边界之间具有连续性。与经典的逐点约束相比，这种方法有两个重要的优势：

• 当两侧的网格不共形时，可以明显减少解中的局部扰动。
• 由于没有添加约束，因此避免了数值敏感且有时计算量较大的约束消除步骤。

使用经典约束或新的 Nitsche 方法连接不匹配的网格时，局部应力扰动的比较图。

部件模态综合法增强功能

现在，您可以在部件模态综合法 (CMS) 分析中使用壳单元。此外，新版本还引入了多项通用的功能改进，使您可以更轻松地针对 CMS 分析来建立模型。

洗衣机的动力学研究。当表示洗衣机外壳的壳单元简化为 CMS 部件时，分析时间减少了 1/2。

基座激励

结构上的动态载荷通常由其所有支撑点的一定加速度组成，典型的示例包括，当零件连接到振动台进行测试，或者当建筑物受到长波长的地面加速度时的情况。现在，您可以使用新的基座激励 特征更自然地描述这种类型的载荷，它非常适用于随机振动分析。您可以在现有的主板的冲击响应和主板的随机振动试验模型中查看此更新功能。

使用 基座激励特征的示例，其中在随机振动分析中使用三个输入功率谱密度 (PSD)。基座激励是整个模型的属性，因此该特征不包含任何选择。

载荷作为合成量给出

对于边界载荷和点载荷集，您现在可以通过从载荷类型 列表中选择合成 选项来指定相对于给定点的总力和力矩，从而更轻松地应用合成载荷，而无需施加人为约束或者对实际载荷分布进行长时间的计算。此外，还可以控制载荷分布的假设形状。

本例在梁的末端施加以合成力矩形式给出的弯曲载荷，作为三维实体进行建模。实际的载荷分布用箭头显示。

新增各向异性材料的输入

线弹性材料 特征中添加了多个用于输入弹性常数的新选项：

• 正交各向异性材料现在可以通过七种不同晶系的晶体数据来描述：立方晶系、六方晶系、六常数三方晶系、七常数三方晶系、六常数正方晶系、七常数正方晶系和正交晶系。
• 支持横向各向同性材料的输入，从而减少此类材料的输入数量。
• 除弹性矩阵以外，一般各向异性材料现在还可以由其柔度矩阵表征。

使用晶系输入弹性数据的用户界面。

刚性连接件的功能改进

刚性连接件 是抽象建模的重要工具，例如在应用载荷和连接对象时非常有用，其功能在以下三个方面得到了增强：

• 现在可以断开选定的自由度，例如在局部坐标系给定的方向上执行此操作。利用此选项，您可以释放过多的约束并减少局部应力集中。
• 对于三维中的两点刚性连接件，可以自动抑制潜在的旋转奇点。
• 作为新的默认设置，由刚性连接件生成的自由度现在可以在研究序列中组合在一起，从而显著减少模型树中的节点数，使您可以更轻松地应用手动缩放实现收敛容差。同样的更改也适用于连接件 特征。

释放的自由度的影响。带内压的异径管末端有一个刚性连接件，如最左图的棕色面所示。通过使用标准公式，关于刚度的假设将保持半径不变，如中间图所示。在最右侧的图中，径向位移在刚性连接件中被释放。仍然可以在任何方向施加载荷或连接到其他域。

局部坐标系中的结果

现在，您可以通过添加局部坐标系结果 节点来轻松定义任意数量的局部坐标系，以计算结构力学 接口中的常用量。您可以在可用的变换量中找到应力、应变、位移和材料属性。

圆柱对称的几何在全局 x 方向和方位角方向上的直接应变。

弹性波的裂隙边界条件

弹性波，时域显式 物理场接口中新增的裂隙 边界条件用于处理两个具有不完全结合的弹性域。裂隙可以是弹性薄层、充满流体的层，或弹性材料的不连续性（内部边界），您可以使用多个选项来指定薄弹性域的属性。这种边界条件的典型应用是模拟无损检测 (NDT) 应用，例如检查脱层区域或其他缺陷的响应，或者模拟石油和天然气工业中波在断裂固体介质中的传播。

预定义的绘图

一般的预定义绘图功能为结构力学 接口带来了广泛的更新。预定义的绘图类似于默认绘图，二者的重要区别在于，前者不会添加到“模型开发器”中（除非用户选择这样做）。由于为每个研究生成的默认绘图的数量已明显减少，因此这样做是有利的。

此外，用户还将看到以下两项改进：

• 除了以前版本中的默认绘图以外，现在添加预定义的绘图 菜单还新增了多个有用的绘图。
• 您可以直接使用中间研究步骤（例如预应力动态分析中的加载步骤）的结果图。

“管路连接”模型中的 添加预定义的绘图窗口。