使用不连续的Galerkin方法建模压电性

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经过金兰黄

2022年2月9日

从ComsolMultiphysics®软件的6.188金宝搏优惠0版本开始,有一个方便的功能用于建模涉及使用压电设备的应用程序。这压电波,明确的时间界面将现有的不连续的Galerkin(DG或DG-FEM)扩展到流体和线性弹性材料中的声学方法到压电介质。这使其成为建模与波长相对于波长大距离传播的声波的产生和接收的有效替代方法。可以从此功能中受益的应用包括超声成像,无损测试(NDT),流量计和互插的表面声波设备等。让我们仔细研究一下此功能。

关于压电波,时间显式接口

压电波,明确的时间多物理接口可以在声学>弹性波分支,可用于2D,2D轴对称和3D分析。

comsol多物理学的特写视图添加了物理向导188金宝搏优惠,显示了随着压电波的扩展的声学节点,突出显示了时间显式接口。
如何从添加物理学向导。

可以对直接和反压电效应进行建模,并可以使用应变电荷或应力电荷形式制定压电耦合。因此,当将压电设备用作发射机,接收器或同时同时使用压电设备时,它适用于大型瞬态声学问题。这个多物理接口结合了弹性波,时间显式接口和静电与新的接口压电效果,时间显式多物理耦合。弹性波问题是使用高阶DG公式实现的,并通过时间说明求解来解决,而静电问题在每一个时间逐步解决了通过使用该方程的代数系统来解决有限元法(FEM)。这允许使用明确的时间步变方法解决完全耦合的问题,并且仅使用基于矩阵的方法求解静电方程。总体而言,这构成了一种内存有效的方法,该方法也非常适合在群集上分布式计算。

comsol多物理UI的特写视图显示了具有压188金宝搏优惠电波,突出显示的时间显式接口以及带有域选择和耦合接口截面的相应设置窗口的相应设置窗口。
用户界面压电波,明确的时间界面,此处显示了角梁非破坏性测试教程模型。

添加压电波,明确的时间多物理接口,每个物理学中都包含两个材料模型,以说明不同材料中的本构关系。这弹性波,时间显式物理包含一个弹性波,时间显式模型线性弹性材料和A的材料节点压电材料专用于压电域的节点。

瑞利阻尼可以应用于两种材料模型,以包括机械损耗。并行静电物理界面包含一个收费保护常规介电材料和A的材料节点电荷保护,压电压电域的节点。前者支持传导损失,而后者则支持分散模型以捕获介电损失。然后将两个物理中的两个压电材料模型耦合压电效果,时间显式多物理功能。

使用形式组装和身份对

如“网格划分和求解”部分中所述弹性波的简介,时间显式接口博客文章,在与具有不同属性的耦合域耦合域时,使用不合格的网格与装配几何形状很重要,这对于涉及压电设备的应用程序几乎总是如此。简而言之,这是为了避免由于特定材料域中不必要的小网格元素而避免使用小的内部求解器时间步骤;时间步长取决于本地网格的大小和声音速度,也称为细胞波时间尺度

如下所示角束非破坏性测试教程模型,我们使用不同的网格尺寸来离散具有不同材料属性的实体域,并且网格在材料接口处不合格。建议始终将烙印用于组件以提高性能和稳定性。我们关于“弹性浪潮,时间显式界面”的博客文章分享了有关基于DG的物理学的一般指南的详细讨论。

由四个不同的网格尺寸组成的型号。
仔细观察角束非破​​坏性测试教程模型中使用的不合格网格。不同的颜色表示不同的材料。

188金宝搏优惠comsol Multiphysics版本6.0使您更方便使用不合格网格设置模型。当几何零件通过形式组装连接并创建身份对时,连续性节点自动添加到弹性波,时间显式所有人的物理学身份边界对选择(如下所示)。这确保了速度和正常应力的连续性,因此模拟了材料不连续界面处的所有现象。

comsol多物理UI的特写视图显示模型构建188金宝搏优惠器,其中选择了连续性节点和带有配对选择部分的相应设置窗口扩展,从而揭示了六个身份边界对。
一个连续性节点自动添加到弹性波,时间显式组装几何形状的物理接口。

下面的动画显示了当信号撞击测试样品表面时,换能器发送到折射剪切(横向)波的纵向(压缩)波的转换。纵向波在蓝色和橙色的剪切波中显示。然后,剪切波被测试对象中的缺陷反射,向后传输并被换能器拾取。这是角束NDT的工作原理,因为剪切波的衰减较低,波长较短,这使它们能够检测到较小的缺陷。

角束非破坏性测试教程模型在材料界面处显示波折射和反射。

后期处理

后处理时要记住的最重要的事情是,因变量由四阶元素离散。我们可以通过在“网格元素”中查看每个网格元素中包含的空间细节质量图的部分。

细胞波时间尺度多变的,ELTE.WTC,现在可以直接在后处理中获得最小单元波时间尺度多变的,ELTE.WTCMIN,这给出了全球最低值。细胞波时间尺度与求解器时间步直接相关。因此,对其价值的检查可以帮助确定模型中有问题的网格元素。绘制此变量时,设置解析度字段到没有完善平滑字段到没有任何。两种设置都可以在质量情节部分。

注意:在“弹性波,时间显式接口”博客文章中讨论了时间解释接口的后处理结果的其他提示。

与基于DG的压力声学界面耦合

当声音传播路径包括流体时,您可以添加A:

  1. 压力声学,时间明确流体域中线性波传播的接口,或
  2. 非线性压力声学,时间显式随着波浪通过流体传播时,用于捕获更高谐波的界面。

这些接口中的任何一个都可以耦合到弹性波,时间显式使用内置声学结构耦合功能的接口。耦合有两个版本:声学结构边界,时间显式耦合的几何形状,具有固体和流体零件的结合并与符合网状的离散和离散的耦合配对的声学结构边界,时间显式使用不合格网格耦合用于组装的几何形状。由于固体和流体之间的巨大特性差异,对耦合特征在声学结构相互作用分析中可能更有利。一个例子是超声流量表和压电传感器教程。该模型在换能器 - 水接口处使用对耦合功能,以捕获材料不连续处发生的声音传输和反射。

coms188金宝搏优惠ol Multiphysics UI显示了模型构建器,其中包括配对的声学结构边界,选择的时间显式节点,相应的设置窗口和图形窗口中的超声流量计模型。
配对的声学结构边界,时间显式耦合与压电传感器教程模型一起在超声流量计中使用。

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评论(3)

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丹尼尔·奥利维拉(Daniel Oliveira)
丹尼尔·奥利维拉(Daniel Oliveira)
2022年2月9日

出色的解释Jinlan Huang,Thannk You!
为了区分纵向波与剪切波,您使用“ SQRT(ABS(ELTE.I2S))*符号(ELTE.I2S)”的表达式,我认为它仅用于各向同性材料,您是否对各向异性材料有任何建议?

金兰黄
金兰黄
2022年2月11日 188金宝搏优惠comsol员工

嗨,丹尼尔,我们建议仅将此表达方式用于各向同性材料。通常,我们无法说出各向异性材料的纯压力和剪切波。如各向同性 - 肛门样品所示:弹性波传播教程示例(示例https://www.188金宝搏优惠comsol.com/model/isotropic-anisotropic-sample--弹性 - 弹性 - 释放 - 78231)。我们知道有关P和S波分离的出版物 - 不是针对各向异性的,而是至少用于横向各向同性材料 - 但这些算法尚未在COMSOL中实施和测试。188金宝搏优惠

丹尼尔·奥利维拉(Daniel Oliveira)
丹尼尔·奥利维拉(Daniel Oliveira)
2022年2月16日

感谢Jinlan的帖子和出色的视频教程!

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