建模压电:使用哪个模块?

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经过金兰黄

2021年10月7日

您可能想知道您应该使用的ComsolMultiphysics®软件的哪个附加模块用于建模压电设备。188金宝搏优惠这取决于系统中包含的材料类型以及您要在分析中使用的特定功能。让我们仔细看看这些不同的产品,看看它们提供的产品。

压电接口

压电界面结合了固体力学静电与模拟压电现象所需的构成关系的接口。可以对直接和反压电效应进行建模。可以使用应变 - 电荷或应力 - 电荷形式制定压电耦合。

其中有三个模块结构力学和声学模块提供此功能用于模拟压电的分支:

  1. 声学模块
  2. MEMS模块
  3. 结构力学模块

下图说明了这些模块提供的与压电建模有关的最常用的功能。

一个气泡图说明了在声学模块,MEMS模块和结构力学模块中建模压电性的主要特征。

用于建模压电性模块的概述

声学模块

声学模块包括用于建模波生成和传播的专用工具:

  • 流体
  • 线性弹性材料
  • 多孔媒体
  • 压电材料

它是唯一提供用于捕获流体和多孔材料中波浪行为的内置功能的产品。声学模块允许您与预定义的多物理学耦合建模声学 - pizoelecleclectric互动问题压力声学,,,,固体力学, 和静电接口。

典型应用程序通常分为两类:

  1. 使用压电传感器作为发射器,使声音辐射到周围的流体
  2. 使用它们作为接收器检测来自周围流体的声音

你可以建模压电设备作为发射器和接收器同时,如这些教程模型所示:

压电传感器用于传输和接收声音。

在不感兴趣的流体溶液的情况下,您可能仍需要在模型中包括流体,以说明热损失的损失,以研究MEMS结构的阻尼振动。您可以在以下教程模型中看到此示例:

添加结构效果

当模型中包含线性弹性材料以外的其他固体时,您需要结构力学模块或者MEMS模块。每个人本身都支持线性粘弹性材料模型,包括广义的麦克斯韦,标准线性固体(SLS)和开尔文– voigt。粘弹性材料可用作复合压电传感器的背层,或在结构的任何部分中以潮湿的振动,如图所示粘弹性结构阻尼器阻尼垫有约束层教程模型。

并排仿真结果,显示了粘弹性结构阻尼器和压电阀的网格和位移。
粘弹性结构阻尼器(左)和压电阀模型(右)的网格和位移结果。

如果材料具有非线性应力应变关系,需要考虑到非线性结构材料模块那也是必要的。它是结构力学和MEMS模块的一个附加组件,并将其扩展为建模非线性材料,例如超弹性,蠕变,可塑性和粘塑性。这在压电阀教程模型

MEMS模块

MEMS模块包括一个终端使您可以将压电设备连接到电路的功能。电路可用于激发传感器以及接收检测到的信号。这终端功能还可以计算压电设备的总参数,例如准入和散射参数(S-Parameters)。通过激活手动终端扫描,您可以在端子上运行参数扫描并获得散射参数矩阵。

一条线图显示了复合层流换能器模型的感应水平,该模型在紫色 - 绿色颜色梯度中显示。
线图绘制了红色,绿色和蓝色的陶瓷执行器不同值的极化磁滞回路。

复合层压板换能器(左)和极化磁滞回路的感应水平,用于由陶瓷材料制成的执行器的不同值(右)。

MEMS模块还提供了薄膜阻尼特征,可用于在两个结构之间相对于彼此移动的两个结构之间的薄薄流体中的阻尼建模。通常,它被称为挤压膜阻尼或幻灯片阻尼,具体取决于结构的运动是垂直的还是与膜平面平行的。此功能可以作为一个薄膜阻尼边界条件固体力学界面或独立薄膜流可以耦合到一个的接口固体力学物理界面,如图所示瞬态弹性流体动力挤压膜相互作用的基准模型

MEMS模块中包含的另一个相关功能是铁电弹性界面。当材料表现出自发极化时,它允许您在铁电相中对压电材料进行建模。铁电材料表现出非线性极化行为,例如大型施加电场的滞后和饱和度。一个例子是压电陶瓷教程模型中的磁滞

结构力学模块

结构力学模块包括用于有效分析薄结构的功能,例如,使用或者接口。您将需要结构力学模块复合材料模块,当您想使用压电,分层外壳特征。此功能结合了一个分层外壳与An的接口分层壳中的电流界面,可以以非常经济的方式以薄而分层的结构建模压电效应,如图所示分层壳教程模型中的压电

中间蓝色显示的具有压电层的分层外壳模型的图像。
一个层次的壳,中间嵌入了压电层。轴向压缩和平面外位移显示在压电层(彩色线框图)和金属层(颜色图)中。

总结思想

总而言之,当您单独建模压电设备,并且设备仅包括压电材料和线性弹性材料时,您可以使用声学模块,MEMS模块或结构力学模块。

对于振动和波浪问题,只要流体或多孔介质是系统的一部分,或者需要捕获热潮阻尼以准确地模拟MEMS设备的振动时,就需要声学模块。当包括线性粘弹性材料时,必须使用MEMS模块或结构力学模块。对于由非线性结构材料组成的设备,您需要非线性结构材料模块,可以将其添加到MEMS模块或结构力学模块中。

MEMS模块可让您访问终端功能并将压电传感器连接到外部电路。薄膜阻尼特征可用于捕获薄层流体中的阻尼,以移动微观结构。它还使您能够模拟压电材料的铁电作用。

结构力学模块提供了有效的建模功能接口。它还提供压电,分层外壳添加复合材料模块时的功能。

如果您已经拥有声音模块或提供压电功能的结构力学模块,那么AC/DC模块也将使您访问终端,电路铁电性功能。

当然,这里解决的问题并不涵盖可以使用压电材料的所有可能场景。例如,建模使用压电器的可调evanescent模式腔过滤器调用RF模块。

下一步

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