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结构 & 声学 博客文章

通过仿真分析高强度超声聚焦技术在生物组织中的传播

2021年 2月 23日

高强度超声聚焦(High-intensity focused ultrasound,HIFU)是一种用于生物医学领域的非侵入性技术,包括手术、癌症治疗和冲击波碎石术。当施加高强度聚焦超声时,超声波在焦点上耗散实现组织凝结和消融。我们可以通过仿真进一步分析该技术的声学特性和非线性性质。

如何使用 COMSOL 软件模拟压电微泵

2021年 2月 2日

在这篇博客文章中,我们将给大家展示由 Veryst Engineering 公司的 Riccardo Vietri,James Ransley 和 Andrew Spann 提供的压电微泵模型。我们将介绍如何将压电材料与流固耦合作用结合起来,以及如何使用简单的速度相关公式来描述入口和出口边界处的单向阀的作用。

使用 COMSOL® 模拟多孔介质的声学特性

2021年 1月 14日

今天的客座博主 Kirill Horoshenkov(FREng)是来自英国谢菲尔德大学(University of Sheffield,UK)的声学教授,他讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件和声学模块对多孔介质的声学特性进行建模。 多孔介质的声学特性主要表现在它对入射声波具有极强的吸收和修改能力,入射声波可以与填充材料孔隙的流体相互作用。黏性摩擦、惯性和热耗散效应是造成刚性结构多孔介质声学特性的原因。这些效应由材料的孔隙率和孔隙结构的其他参数控制。尽管对于大多数实际工程问题而言,多孔材料的声学特性并不是直接影响的关键的问题,但是声学特性、孔隙率和结构形态之间的关系却非常重要。 在与能量存储相关的应用中,测量陶瓷隔板的孔隙率和曲折率非常重要,它们控制着多孔隔板吸收的电解质及其导电能力;在与过滤操作相关的应用中,通过定期测量与上述相似的特性,可以确定在有流体流动的情况下膜的渗透性;在制药应用中,通常需要测量平均粒度和压实度,粒度分布以及颗粒混合物吸收的水分量。在化学和化学工程应用中,重要的是要了解材料的内部孔隙表面积,这些表面通过输送催化剂来控制化学反应并将有毒物质转化为化学惰性键。在噪声控制应用中,令人感兴趣的则是预估多孔层吸收声音的能力。 6 参数 Johnson–Champoux–Allard–Lafarge 模型 COMSOL Multiphysics 软件包含一系列可以预测多孔介质声学特性的模型。在以往的应用中,声学模块提供的多孔介质声学功能(图1),使用了其中包含的Johnson-Champoux-Allard-Lafarge(JCAL)模型来进行预测,其结果被广泛引用(截至 2020 年 11 月 15 日,已有超过 2000 多个 Scopus 文摘和引文数据库引用)。 JCAL 模型最初于 1991 年被提出(参考文献1)。它需要 6 个非声学参数来预测材料孔隙中流体复杂的、随频率变化的动态密度: (1) \rho(\omega)=\frac{\rhof \alpha\infty}{\epsilonp} \left[ 1+\frac{\sigma \epsilonp}{i \alpha\infty \rhof \omega} \left( 1+\frac{4i \alpha ^{2}\infty \mu \rhof \omega}{\sigma^2 \Lambda^2 \epsilon^{2}{p}}\right)^{1/2} \right] 及其动态可压缩性 (2) C(\omega) = \frac{\epsilonp}{\gamma P0} \left[\gamma – \frac{\gamma-1}{1-\frac{i \sigma’ \epsilonp}{\rhof \alpha\infty N\textrm{Pr} \omega} \left(1+\frac{4i \alpha^{2}{\infty}\mu \rhof N\textrm{Pr}\omega}{(\sigma’ \Lambda’ \epsilon_p)^2}\right)^{1/2}} \right] 图1 多孔介质声学接口的设置窗口的屏幕截图,显示了 JCAL 模型的 6 个原始参数的设置。 在COMSOL文档和由Matelys […]

圣诞老人在派送礼物过程中遇到挑战

2020年 12月 22日

今天的文章作者来自于我们规模最大、历史最悠久的客户。这家客户非常著名,总部位于北极圈内,大多数时候人们可能会忘记他们的存在,但他们一直在留意着我们。他们一直拥有完美的客户满意度,但今年由于特殊原因,他们对圣诞季的产品配送任务有些顾虑……接下来,让我们一起了解 COMSOL 与这个来自北极圈的特殊客户的故事吧! 一个非常特殊的技术支持问题 随着年末的来临,我们的精灵团队正在礼物工厂中努力工作,为所有的小朋友和大朋友们准备各种玩具和礼物。您也许会认为我们是一个非常传统的组织,实际上我们的产品一直在使用最先进的技术,例如,我们的生物发光研究成果可以帮助圣诞老人照亮夜行的道路。 多年以来,我们一直使用 COMSOL Multiphysics® 软件进行产品研发。最近,我们使用 COMSOL Multiphysics 5.6 最新版本中的新功能解决了一个技术难题。 几天前,圣诞老人的太太克劳斯夫人很急切地找到我。她告诉我,由于疫情原因,圣诞老人今年一整年都待家里社交隔离,一不留神就吃了太多的饼干,胖了一大圈。克劳斯夫人担心今年圣诞老人可能会因为太胖而无法钻进所有的烟囱,造成一些礼品无法派送。她很友善地为我们提供了圣诞老人近期的照片,以及其他详细参数。 一个典型的问题描述。 我们意识到,这个问题可能会导致我们的礼品派送工作发生严重的中断,需要立即采取行动。说实话,这对我们来说并不是一项常规任务,所以我们联系了 COMSOL 技术支持部门,并询问他们如何最好地解决这个问题。一向乐于助人的 COMSOL 技术工程师立即向我们提供了一些有用的资源,并助我们一臂之力。 模拟圣诞老人 我们可以使用 COMSOL 5.6 版本中结构力学模块的新功能——动态接触功能来分析这个问题,另外还可以通过这篇文章(如何利用一个附加组件将图像转换为几何模型)介绍的方法直接将圣诞老人的照片导入 COMSOL 软件中。同时,我们还可以通过虚拟实验快速获取材料属性。只要做好了这些准备,我们就可以创建一个模型来模拟在派送礼物过程中,圣诞老人通过烟囱的场景。 我们正在检查网格,来来回回检查了好几遍。 下面,让我们来看看模拟结果…   太好了,圣诞老人可以通过! 圣诞快乐! 看到仿真的结果,克劳斯夫人非常高兴,并感谢所有精灵们的努力工作——无论是在北极为大家精心制作礼物的精灵,还是在 COMSOL 技术支持团队中为用户提供帮助的精灵。 最后,COMSOL 祝大家圣诞快乐,平安健康,并祝 2021 年万事如意! 关于作者 Winter Frost 是圣诞老人工作室的高级精灵工程师,专门负责拐杖糖的产品派送和形状优化。

借助仿真实现声呐系统的快速原型设计

2020年 12月 15日

借助多物理场仿真技术,诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman Corporation,NGC)快速完成了声呐系统的创新设计和实现。Lauren Lagua 是 NGC 水下系统部门声呐集成团队成员之一,她在 2020 年北美 COMSOL 用户年会的主题演讲中,讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件在声呐系统开发中进行快速原型设计。文中摘录了她的一些演讲内容,并附加了完整的视频演讲,欢迎浏览。 视频演讲:NGC 如何使用 COMSOL Multiphysics® 进行快速原型设计   NGC 的快速原型设计流程 在 NGC 公司,工程师遵循着快速原型设计的流程,该流程包括四个部分,其中前三个部分经常重复多次: 原型设计 原型制造 测试与设计验证 最终设计的制造 Lauren Lagua表示,在该流程的每一个环节都使用了多物理场仿真技术。 原型设计 在为声呐系统设计换能器(Tonpilz 型压电换能器案例模型)时,工程师会通过测试不同的参数设置,来了解如何最好地实现项目的总体目标。他们可能会尝试测试材料(例如新的压电材料)、几何形状和频率等参数。Lauren 团队使用 COMSOL Multiphysics 的 压力声学、固体力学、静电 和电路 接口,确定了不同的参数变化如何影响其设计。 在测试新材料时,团队经常缺少供应商提供有关材料属性的所有必要信息。因此,他们使用 COMSOL Multiphysics 评估已有信息测试材料属性,并将评估结果与 COMSOL 模型进行比较来估计材料性质。 主题演讲的屏幕截图,显示了换能器设计中使用的材料。 原型制造 NGC 团队在建立好模型并运行之后,会在整个原型制造过程中执行一系列测试,并将其与模拟结果进行比较。有时结果会不匹配,例如模型中可能缺少物理场。有时,Lagua能够在原型中发现制造问题。例如,当将压电材料黏合到背衬基板时,可能会出现气泡或黏合不良等问题。 Lagua 对导致问题的原因进行了假设,并在 COMSOL Multiphysics 中模拟了其假设。通过将模型结果与原始原型的假设进行比较,Lagua 能够快速对制造问题进行故障排除并纠正。 测试和验证 准备好原型后,NGC 团队将对其电气和声学特性进行系统级测试。 电气测试包括阻抗测试和电容测量。 在声学方面,NGC 公司使用了最先进的声学测试设备。该设备是私营企业最大的测试池,直径为 15 米,可容纳约 1500 立方米水,并用红木衬砌,以建造一个理想的宽带声学测试环境(模仿开放水域环境)。声学测试池用于测量声呐换能器中的发射电压响应,远场电压灵敏度和辐射方向图。该设备的测试结果将被反馈回模型中,并进行验证模型,或者在必要时进行调整。 声学测试池。图片由 Northrop Grumman Corporation 提供。 一旦设计通过了快速原型设计流程的前三个阶段,就可以一次又一次地快速迭代它们,直到准备好制造出最终设计版本为止。 微型无人水下飞行器的声呐 在 Lagua 的主题演讲中,她以 NGC 公司的一个项目为例说明了如何借助仿真快速实现声呐系统的原型制造。该项目成功使用 COMSOL […]

混凝土墙的声传输损耗仿真

2020年 10月 7日

隔音是建筑物质量的一个重要评判标准。公寓和住宅区的居民经常会抱怨由于墙壁太薄而能听到邻居的活动;居住在高速公路或机场附近的居民不希望听到汽车或飞机日常飞行的噪音。

使用 COMSOL® 探索硬度数的不明确性

2020年 9月 22日

今天的客座博主来自 Plastometrex 公司和 Double Precision 咨询公司(COMSOL 的认证顾问之一)的 James Dean。他讨论了如何使用有限元建模(FEM)方法了解硬度值,并介绍了 Plastometrex 公司如何利用仿真 App 和 COMSOL Compiler™ 开发出一种可以从压痕测试数据中获得应力-应变曲线的全新产品…… 测试硬度的方法有各种各样,并已经被使用了数十年,它们执行快速、简便。由于被测材料的体积很小,因此可以在材料表面上表征硬度值、探索局部变化,并获得薄表面层和涂层的数值。然而,硬度不是一个明确定义的属性。从给定样品中获得的硬度数随测试类型的不同而变化,并且对于同一测试在不同条件下也是如此。经常进行此类测试的人应该都清楚,从具有不同屈服应力和加工硬化特性的材料中可以获得相似的硬度值。今天,我们借助 COMSOL Multiphysics® 多物理场软件对这种现象进行演示和说明。 硬度数的概念(通过压痕获得) 硬度是材料抵抗塑性变形的度量。通过硬度不仅可以了解屈服应力,还可以了解之后的加工硬化特性,这是很有意思的。硬度数提供了一个将两者结合起来的标准,尽管不是以明确的方式。由于硬度代表的含义具有一定的复杂性,因此它不是一个简单的、定义明确的参数,并且不同的硬度测量方案测出的数值都不同,这并不奇怪。但是,所有这些方案的原理都是相同的,即将指定的载荷施加到硬度计压头上,压头会压入样品中,从而导致塑性变形并留下永久凹陷。硬度值可以通过几种方法获得,但在大多数情况下,是通过测量侧面凹痕的横向尺寸(直径)或穿透深度来实现的。 硬度通常被定义为力(载荷)除以压头与试样之间的接触面积。该比率具有应力维度,尽管通常将其简单地引用为一个数字(单位为 kgf mm-2)。无论如何,该应力水平与材料的应力-应变曲线,甚至与样品中产生的应力场都没有简单的关系。样品的不同区域将经受不同的塑性应变水平,范围从零(在塑性区域的边缘)到百分之几十(接近压头)不等。即使最大应变水平也不能很好地定义,因为它取决于压头的形状、施加的载荷和塑性特性。尽管材料的应力-应变关系确实可以确定压痕尺寸(对于给定的压头形状和负载),但从后者推断出前者并非易事,并且在常规硬度测试中也从没有尝试过这样做。 布氏和维氏测试 布氏测试于 1900 年被开发,通过使用 3000kg(〜30 kN)的载荷将直径为 10mm 的硬球压入样品。布氏硬度值由下式给出 (1) HB=\frac{2F}{\pi D[D-\sqrt{(D^2-d^2)]}} 其中,F 是施加的载荷(以 kgf 为单位),D(毫米)是压头的直径,而 d(毫米)是压痕的直径(在投影图中)。该公式是以载荷除以接触面积得到硬度值。这类公式基于简单的几何方法,样品的弹性恢复被忽略。此外,在实践中,凹痕周围可能会出现“堆积”或“沉入”现象,从而使真实的接触面积与从理想几何形状获得的实际接触面积不同(并且也难以精确测量直径)。 维氏硬度测试是由Smith和Sandland(Vickers Ltd.)于 1924 年开发的,其主要目标是降低早期试验的负荷要求。将压头从相对较大的球体更改为较小的尖锐形状,可以使用较低的载荷(可以用自重产生)。机器内部通常会提供多个砝码,根据型号的不同,其重量从 1 公斤以下到 50 公斤左右不等。(金刚石)压头是一个直角金字塔形,底部为正方形,相对面之间的夹角为 136°。(锋利的)边缘会促进穿透,并且它们在凹痕中产生的线条有助于测量其大小。 压痕直径 d 通过投影测量(与布氏测试一样)。HV 的值(载荷除以接触面积)由下式给出 (2) Hv=\frac{2Fsin(\frac{136} {2})}{d^2} \approx 1.854\frac{F}{d^2} 因此,类似于布氏测试的简单计算,可以通过测量d的值来获得硬度值。与布氏测试一样,样品的弹性回复以及压痕周围的“堆积”或“沉入”现象也被忽略了。 维氏测试使用广泛。实际上,HV是最常用的硬度值,部分原因是它可以改变载荷。它可以应用于各种金属、薄截面、表面层等。图1显示了一组典型硬度数值(参考资料1),包括各种合金。这些数值是通过对特定样品的压痕尺寸进行仔细测量而获得的。这些数据有助于说明不同金属硬度的典型值,尽管确切的数值应该更加谨慎对待。 图1 一系列合金的维氏硬度数(参考文献1)。 通过将硬度数乘以 g(9.81),可以得出作用在接触面积上的应力(单位 MPa)。该应力与应力-应变曲线没有简单的对应关系。但是,如果忽略加工硬化,则硬度应与屈服应力成比例。对于维氏测试,该关系通常写为 (3) \sigmaY \approx \frac{HV}{3} 这些表达式通常用于从硬度测量中获得屈服应力。 使用有限元法获得2种合金的硬度值 通过使用有限元建模模拟压痕过程,可以预测硬度数的值。通过对特定合金(具有定义的应力-应变曲线)进行特定类型的测试来获得硬度数。2 种测试金属为 Ti-6Al-4V(318)和 Hadfield 锰(Mangalloy)钢。这 2 种合金塑性变形的真应力-应变曲线如图2所示。可以看出,两者明显不同,318具有高屈服应力,但加工硬化有限;而 Mangalloy […]

利用 Dzhanibekov 效应解释网球拍为什么会翻转?

2020年 9月 1日

译者注:本篇博文介绍了什么是“网球拍效应”,它是如何命名的以及为什么会发生这种现象。使用 COMSOL Multiphysics 的多体动力学模块,我们可以模拟该效应,并通过仿真 App 深入理解该效应背后的数学原理。


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