رابط مدلسازی پیزوالکتریک جدید در COMSOL 5.0

ما یک رابط جدید برای شبیه سازی دستگاه های پیزوالکتریک در نسخه 5.0 نرم افزار شبیه سازی COMSOL Multiphysics معرفی کرده ایم. هدف این رابط دستیابی به چندین چیز است. در این پست وبلاگ توضیح خواهم داد که این موارد چیست و چگونه می توانید از آنها استفاده کنید.

رابط پیزوالکتریک جدید، به طور خلاصه

رابط مدل سازی پیزوالکتریک به دنبال موارد زیر است:

• گردش کار مدلسازی را بیشتر کنید
  • شفاف
  • قابل انعطاف
• شما را قادر می سازد تا مدل ها را راحت تر اشکال زدایی کنید

این به شما این امکان را می‌دهد که دستگاه‌های پیزوالکتریک را با موفقیت شبیه‌سازی کنید و همچنین به راحتی شبیه‌سازی را با جفت کردن آن با هر فیزیک دیگر گسترش دهید.

مدل سازی پیزوالکتریک در COMSOL Multiphysics

ممکن است قبلاً با سه ماژول مختلف که می‌توانند برای شبیه‌سازی مواد پیزوالکتریک استفاده شوند آشنا باشید:

• ماژول مکانیک سازه
• ماژول MEMS
• ماژول آکوستیک

هر یک از این ماژول ها یک رابط از پیش تعریف شده Piezoelectric Devices را در اختیار شما قرار می دهد که می توانید از آن برای مدل سازی سیستم هایی که هم شامل پیزوالکتریک و هم مواد ساختاری دیگر هستند استفاده کنید. ماژول آکوستیک دو رابط از پیش تعریف شده را ارائه می دهد، یعنی تعامل آکوستیک-پیزوالکتریک، رابط دامنه فرکانس و تعامل آکوستیک-پیزوالکتریک، رابط گذرا . این دو به شما اجازه می‌دهند تا نحوه تعامل مبدل‌های صوتی پیزوالکتریک با محیط سیال اطراف خود را مدل کنید.

رابط Piezoelectric Devices در لیست رابط های فیزیک مکانیک سازه موجود است.

تعامل آکوستیک -پیزوالکتریک، دامنه فرکانس و تعامل آکوستیک-پیزوالکتریک، رابط های گذرا در لیست رابط های فیزیک آکوستیک موجود است.

این رابط‌های چندفیزیکی از پیش تعریف‌شده معادلات حاکم بر فیزیک مربوطه را از طریق قوانین سازنده یا شرایط مرزی پیوند می‌دهند. بنابراین، آنها نقطه شروع خوبی برای راه‌اندازی مسائل پیچیده‌تر چندفیزیکی شامل مواد پیزوالکتریک ارائه می‌دهند. رابط های پیزوالکتریک جدید در COMSOL Multiphysics نسخه 5.0 یک گردش کار شفاف برای تجسم رابط های فیزیک تشکیل دهنده فراهم می کند. همچنین یک گره Multiphysics جداگانه وجود دارد که نحوه اتصال رابط های فیزیک تشکیل دهنده به یکدیگر را فهرست می کند.

بیایید دریابیم که چگونه این رابط های چندفیزیکی ساختار یافته اند.

دستگاه های پیزوالکتریک

با انتخاب رابط چندفیزیکی دستگاه های پیزوالکتریک ، فیزیک تشکیل دهنده را مشاهده می کنید: مکانیک جامدات و الکترواستاتیک . همچنین شاخه اثر پیزوالکتریک در زیر گره Multiphysics فهرست شده است که ارتباط بین مکانیک جامدات و الکترواستاتیک را کنترل می کند .

بخشی از درخت مدل که رابط‌های فیزیک و جفت‌های چندفیزیکی را نشان می‌دهد که با انتخاب رابط دستگاه‌های پیزوالکتریک ظاهر می‌شوند .

به‌طور پیش‌فرض، فرض می‌شود که تمام حوزه‌های مدل‌سازی از مواد پیزوالکتریک ساخته شده‌اند. اگر اینطور نیست، می توانید دامنه های ساختاری غیر پیزو را از شاخه Solid Mechanics > Piezoelectric Material لغو انتخاب کنید . سپس این دامنه ها به طور خودکار به شاخه Solid Mechanics > Linear Elastic Material اختصاص داده می شوند . این فرآیند تضمین می‌کند که تمام قسمت‌های هندسه به‌عنوان مواد ساختاری پیزوالکتریک یا غیرپیزو علامت‌گذاری می‌شوند و هیچ چیز به طور تصادفی تعریف نشده باقی نمی‌ماند.

گره مکانیک جامدات

اگر با مدل‌های مواد دیگری کار می‌کنید که با ماژول مواد سازه‌ای غیر خطی در دسترس هستند ، مانند هیپرالاستیسیته، می‌توانید آن را به‌عنوان یک شاخه تحت Solid Mechanics اضافه کنید و بخش‌های مربوط به هندسه مدل‌سازی خود را به این شاخه اختصاص دهید. گره مکانیک جامد به ما انعطاف‌پذیری کامل را برای راه‌اندازی مدلی می‌دهد که نه تنها شامل مواد پیزوالکتریک، بلکه مواد ساختاری خطی و غیرخطی است. بهترین بخش این است که اگر این مواد از نظر هندسی با یکدیگر تماس داشته باشند، نرم افزار COMSOL به طور خودکار از سازگاری جابجایی بین آنها مراقبت می کند.

اگر برخی از قسمت های مدل اصلاً جامد نیستند، مانند شکاف هوا، می توانید آنها را در گره Solid Mechanics از حالت انتخاب خارج کنید.

از گره Solid Mechanics، شما همچنین هر نوع بار و محدودیت مکانیکی را به مدل اختصاص خواهید داد.

گره الکترواستاتیک

گره Electrostatics به شما امکان می دهد تمام اطلاعات مربوط به ورودی های الکتریکی مدل را با هم گروه بندی کنید. این شامل، برای مثال، هر شرایط مرزی الکتریکی مانند ولتاژ و منابع شارژ است. به طور پیش‌فرض، هر حوزه هندسی که به شاخه مکانیک جامد > مواد پیزوالکتریک اختصاص داده شده است، به شاخه Electrostatics > Charge Conservation، Piezoelectric نیز اختصاص داده می‌شود. اگر مواد دی الکتریک دیگری در مدل دارید که پیزوالکتریک نیستند، می توانید آنها را به شاخه Electrostatics > Charge Conservation اختصاص دهید .

گره اثر پیزوالکتریک

شاخه Multiphysics > Piezoelectric Effect تضمین می کند که معادلات ساختاری و الکترواستاتیک به صورت جفت شده در حوزه هایی که به شاخه مکانیک جامد > مواد پیزوالکتریک (و همچنین Electrostatics > Charge Conservation، Piezoelectric ) اختصاص داده شده اند، حل می شوند.

جفت چند فیزیک با استفاده از قانون تشکیل دهنده جفت شناخته شده برای مواد پیزوالکتریک اجرا می شود. توجه داشته باشید که شاخه Electrostatics > Charge Conservation، Piezoelectric عمدتاً به عنوان یک مکان نگهدار برای اختصاص دامنه های هندسی که به مدل مواد پیزوالکتریک تعلق دارند استفاده می شود. این به شاخه Multiphysics > Piezoelectric Effect کمک می کند تا بفهمد آیا دامنه اختصاص داده شده به واسط Electrostatics پیزوالکتریک است یا خیر.

توجه: برای مثالی از کار با رابط Piezoelectric Devices ، آموزش مدل‌سازی یک پرتو برشی پیزوالکتریک را بررسی کنید .

افزودن میرایی در تحلیل دینامیکی

همچنین می توان اثرات میرایی یا سایر تلفات مواد را در شبیه سازی های دینامیکی اضافه کرد. می توانید این کار را با اضافه کردن یک یا چند زیرگره زیر در شاخه مکانیک جامد > مواد پیزوالکتریک انجام دهید :

میرایی و تلفاتی که می توان به مواد پیزوالکتریک اضافه کرد.

توجه: برای مثالی از افزودن میرایی به مدل‌های پیزوالکتریک، آموزش مدل‌سازی تشدیدگر کامپوزیت BAW فیلم نازک را بررسی کنید .

میرایی اضافی نیز به دلیل تعامل بین یک دستگاه پیزوالکتریک و محیط اطراف آن صورت می گیرد. این می تواند با جزئیات بیشتر با استفاده از رابط های تعامل آکوستیک-پیزوالکتریک مدل شود.

اندرکنش آکوستیک-پیزوالکتریک

با انتخاب یکی از رابط های تعامل آکوستیک-پیزوالکتریک، فیزیک تشکیل دهنده را مشاهده می کنید: آکوستیک فشار ، مکانیک جامدات و الکترواستاتیک . همچنین شاخه های مرزی ساختار آکوستیک و اثر پیزوالکتریک را می بینید که در زیر گره Multiphysics فهرست شده اند.

بخشی از درخت مدل که رابط‌های فیزیک و جفت‌های چندفیزیکی را نشان می‌دهد که هنگام انتخاب تعامل آکوستیک-پیزوالکتریک، دامنه فرکانس و تعامل آکوستیک-پیزوالکتریک، رابط‌های گذرا ظاهر می‌شوند.

به‌طور پیش‌فرض، همه حوزه‌های مدل‌سازی به رابط فشار آکوستیک و همچنین مکانیک جامد > مواد پیزوالکتریک و الکترواستاتیک > حفظ بار، شاخه‌های پیزوالکتریک اختصاص داده می‌شوند. توجه داشته باشید که رابط آکوستیک فشار برای شبیه سازی امواج صوتی منتشر شده در محیط سیال طراحی شده است.

از آنجایی که COMSOL Multiphysics نمی‌تواند به طور پیشینی بداند که کدام بخش‌های هندسه مدل‌سازی متعلق به حوزه سیال و کدام یک جامد هستند، انتظار می‌رود این اطلاعات را با لغو انتخاب حوزه‌های جامد از آکوستیک فشار، دامنه فرکانس (یا آکوستیک فشار، گذرا ) ارائه دهید. انشعاب و عدم انتخاب حوزه های سیال از شاخه های مکانیک جامدات و الکترواستاتیک .

هنگامی که این کار را انجام دادید، مرزهای رابط بین حوزه جامد و سیال شناسایی شده و به شاخه Multiphysics > Acoustic-Structure Boundary اختصاص داده می شود . این شاخه اتصال بین واسط های فیزیک آکوستیک فشار و مکانیک جامد را کنترل می کند . این کار را با در نظر گرفتن فشار صوتی سیال به عنوان یک بار مکانیکی بر روی سطوح جامد انجام می دهد، در حالی که جزء بردار شتاب که بر همان سطوح نرمال (عمود) است به عنوان منبع صوتی عمل می کند که امواج فشاری را در آن ایجاد می کند. مایع

توجه: برای نمونه ای از تعامل صوتی-پیزوالکتریک، آموزش مدل سازی مبدل Tonpilz را بررسی کنید .

آسان برای اضافه کردن فیزیک بیشتر

شفافیت در گردش کار همانطور که در بالا مورد بحث قرار گرفت همچنین راه را برای افزودن فیزیک بیشتر و ایجاد کوپلینگ های چندفیزیکی خود هموار می کند.

برای مثال، فرض کنید مقداری منبع گرما در دستگاه پیزوالکتریک شما وجود دارد که توزیع دمای غیریکنواختی را در داخل دستگاه ایجاد می کند. به منظور مدل سازی این، می توانید رابط فیزیک دیگری به نام انتقال حرارت در جامدات را در درخت مدل اضافه کنید و منابع گرمایی و سینک های مناسب را برای یافتن مشخصات دما تجویز کنید. سپس می‌توانید یک شاخه انبساط حرارتی را در زیر گره Multiphysics اضافه کنید تا کرنش‌های اضافی را در قسمت‌های مختلف دستگاه در نتیجه تغییرات دما محاسبه کنید.

شاخه Multiphysics > Thermal Expansion، انتقال حرارت در جامدات و رابط های مکانیک جامدات را جفت می کند . همچنین ممکن است خواص مواد پیزوالکتریک به دما وابسته باشند. می‌توانید این ویژگی‌ها را به‌عنوان توابع دما نشان دهید و اجازه دهید شاخه Multiphysics > Temperature Coupling اطلاعات مربوط به توزیع دما در هندسه مدل‌سازی را به شاخه‌های Solid Mechanics یا حتی Electrostatics منتقل کند و در نتیجه کوپلینگ‌های چندفیزیکی اضافی تولید شود.

بخشی از درخت مدل که رابط های فیزیک و کوپلینگ های چندفیزیکی را نشان می دهد که می توانید از آنها برای ترکیب مدل سازی پیزوالکتریک با انبساط حرارتی و خواص مواد وابسته به دما استفاده کنید.

فعال یا غیرفعال کردن کوپلینگ های Multiphysics

مشابه با افزودن کوپلینگ‌های فیزیک و چندفیزیک بیشتر، می‌توان یک یا چند کوپلینگ چندفیزیکی را غیرفعال کرد – یا حتی هر یک از رابط‌های فیزیکی نشان‌داده‌شده در درخت مدل. این می تواند برای اشکال زدایی مدل های بزرگ و پیچیده بسیار مفید باشد.

درخت مدل در سمت چپ سناریویی را نشان می‌دهد که در آن جفت‌کننده چندفیزیکی اثر پیزوالکتریک غیرفعال است. درخت مدل در سمت راست سناریویی را نشان می‌دهد که در آن رابط فیزیک الکترواستاتیک غیرفعال است.

به عنوان مثال، می‌توانید شاخه Multiphysics > Piezoelectric Effect را غیرفعال کنید و رابط‌های مکانیک جامدات و فیزیک الکترواستاتیک را به معنای غیر جفت‌شده حل کنید. همچنین می توانید یک مدل را با غیرفعال کردن رابط مکانیک جامد یا رابط الکترواستاتیک حل کنید .

اجرای چنین مطالعات موردی می تواند به ارزیابی نحوه پاسخ دستگاه به ورودی های خاص در صورت عدم وجود مواد پیزوالکتریک کمک کند. این رویکرد همچنین می تواند برای ارزیابی سختی ساختاری یا ظرفیت معادل مواد پیزوالکتریک استفاده شود.

همچنین می‌توانید با افزودن تنها یکی از فیزیک‌های تشکیل‌دهنده، مثلاً Solid Mechanics ، شروع کنید و پس از انجام برخی تحلیل‌های ساختاری اولیه، پس از آماده شدن برای افزودن اثر یک ماده پیزوالکتریک، رابط فیزیک Electrostatics را به درخت مدل اضافه کنید.

در آن صورت، هنگامی که فیزیک الکترواستاتیک را در بالای فیزیک مکانیک جامد موجود در درخت مدل اضافه می‌کنید ، نرم‌افزار COMSOL به‌طور خودکار گره Multiphysics را اضافه می‌کند. از آنجا، می توانید به صورت دستی شاخه Piezoelectric Effect را اضافه کنید . توجه داشته باشید که اگر این رویکرد اضافه کردن رابط‌های فیزیک سازنده و اثر چندفیزیکی را به صورت دستی در نظر بگیرید، باید دامنه‌های مدل‌سازی پیزوالکتریک را نیز به صورت دستی به مکانیک جامد > مواد پیزوالکتریک، الکترواستاتیک > بقای بار، پیزوالکتریک و Multiphysics > Piezoelectric اضافه کنید. شاخه های اثر .

به روشی مشابه، می‌توانید به افزودن رابط‌های فیزیکی و کوپلینگ‌های چندفیزیکی بیشتری بر اساس نیاز خود به مدل خود ادامه دهید.

منابع اضافی

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد مدل سازی دستگاه های پیزوالکتریک در محیط نرم افزار COMSOL، توصیه می شود به این منابع مراجعه کنید:

• بررسی اجمالی ویژگی های پیزوالکتریک
• راهنمای کاربر ماژول آکوستیک
• راهنمای کاربر ماژول MEMS
• راهنمای کاربر ماژول مکانیک سازه