COMSOL Multiphysics^® 5.1 Release Highlights

Wird das Interface Festkörpermechanik mit einem der Transport verdünnter Spezies oder Transport verdünnter Spezies in porösen Medien Interfaces kombiniert, wird die Kopplung Hygroskopische Quellung im Multiphysikknoten verfügbar. Sie hat die gleichen Einstellungen wie der Unterknoten Hygroskopische Quellung der Materialmodell-Gebietsbedingung. Mit dieser neuen Kopplung können Sie die Feuchtigkeitskonzentration, die im Transport verdünnter Spezies oder Transport verdünnter Spezies in porösen Medien Interface berechnet wird, in eine hygroskopische Dehnung zu übertragen.

Feuchtigkeitskonzentration und Deformation in einem MEMS-Drucksensor aufgrund von hygroskopischer Quellung. (Das Beispiel nutzt zusätzlich zur hygroskopischen Quellung ein Schalen-Interface. Dieses ist im Structural Mechanics Module enthalten.)

Feuchtigkeitskonzentration und Deformation in einem MEMS-Drucksensor aufgrund von hygroskopischer Quellung. (Das Beispiel nutzt zusätzlich zur hygroskopischen Quellung ein Schalen-Interface. Dieses ist im Structural Mechanics Module enthalten.)

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Für die Dünnschichtdämpfung steht eine neue Perforationsfunktion zur Verfügung, mit der die Dünnschicht-Strömung in Strukturen mit geätzten Löchern modelliert werden kann.

Mit der Perforationsfunktion wird eine Senke für Gas gebildet, die proportional zum Umgebungsdruck und zur Druckdifferenz ist, und zwar in Bezug auf den Umgebungsdruck auf der anderen Seite der perforierten Oberfläche. Die Proportionalitätskonstante wird als Perforations-Admittanz (Y) bezeichnet und kann selbst definiert oder aus dem Bao-Modell abgeleitet werden (M. Bao und H. Yang „Squeeze film air damping in MEMS“, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 136, no. 1, 3–27, 2014).

Das Fenster für Perforationseinstellungen mit dem Bao-Modell, mit dem die Perforations-Admittanz bestimmt wird.

Das Fenster für Perforationseinstellungen mit dem Bao-Modell, mit dem die Perforations-Admittanz bestimmt wird.

Für die Randbedingung für Grenzflächen-Dünnschichtströmungen steht eine neue Option zur Verfügung. Wenn die Option „Bewegung aus der Ebene heraus (Out-of-plane motion)“ als Grenzflächenströmungstyp ausgewählt wird, wird der Druckgradient an der Grenze mit dem Gallis-und-Torczynski-Modell berechnet (M. A. Gallis and J. R. Torczynski, „An Improved Reynolds-Equation Model for Gas Damping of Microbeam Motion“, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 13, pp. 653 - 659, 2004). Die Ergebnisse dieses Modells weisen eine gute Überstimmung mit den Ergebnissen von umfassenden CFD- und Monte Carlo-Simulationen auf, bei denen der Dünnschicht-Strömungsbereich und das umgebende Gas modelliert werden. Das Modell kann auf dünne und nicht dünne Strömungen bis zu einer Knudsen-Zahl von ca. 1 angewendet werden.

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Mit der neuen Funktion Punktmatrix Auswertung (im Basispaket verfügbar) können Tensorgrößen an einem Punkt dargestellt werden. Diese Funktion ist im Interface Piezoelektrische Bauteile besonders nützlich, in dem Tensor-Materialeigenschaften sowohl im lokalen als auch im globalen Koordinatensystem definiert werden. Somit kann nun zum Beispiel die Elastizitätsmatrix im globalen und im lokalen Koordinatensystem angezeigt werden.

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Mikropumpen sind Schlüsselkomponenten von Mikrofluidik-Systemen. Mikrofluidik-Anwendungen reichen von der Handhabung von biologischen Fluiden bis zur Kühlung von Mikroelektronik-Komponenten. In dieser Übung wird der Mechanismus einer ventillosen Mikropumpe simuliert, die bei geringen Reynolds-Zahlen einen hohen Wirkungsgrad erreichen soll. Die Pumpe muss somit die hydrodynamische Reversibilität überwinden. In Mikrofluidik-Systemen sind oft ventillose Pumpen vorteilhaft, da bei ihnen ein geringes Risiko von Verstopfungen besteht und sie biologisches Material schonen. Die Fluidströmung und die damit verbundene Strukturverformung werden mit dem Interface Fluid-Struktur-Wechselwirkung ermittelt. Die Durchführung einer zeitaufgelösten Integration der Gesamtströmung im gesamten Pumpenzyklus wird mit dem Interface Globale ODEs und DAEs demonstriert.

Fluidströmung und von-Mises-Spannung in einem passiven mikrofluidischen Strömungsgleichrichtungssystem. Ein Pumpmechanismus saugt Fluid aus dem horizontalen Kanal in den vertikalen Kanal. Der Kanal weist zwei geneigte Klappen auf, die durch Abwinkelung auf die Fluidströmung reagieren. Wenn Fluid in den vertikalen Kanal gesaugt wird, führt die asymmetrische Abwinkelung der Klappen zu einer wesentlich stärkeren Strömung aus dem linken Kanal als aus dem rechten Kanal.

Fluidströmung und von-Mises-Spannung in einem passiven mikrofluidischen Strömungsgleichrichtungssystem. Ein Pumpmechanismus saugt Fluid aus dem horizontalen Kanal in den vertikalen Kanal. Der Kanal weist zwei geneigte Klappen auf, die durch Abwinkelung auf die Fluidströmung reagieren. Wenn Fluid in den vertikalen Kanal gesaugt wird, führt die asymmetrische Abwinkelung der Klappen zu einer wesentlich stärkeren Strömung aus dem linken Kanal als aus dem rechten Kanal.

In dieser Übung wird ein piezoelektrisches Kreiselinstrument auf Basis einer Stimmgabel mit dem Interface Piezoelektrische Bauteile analysiert. Der direkte piezoelektrische Effekt steuert einen In-plane-Stimmgabelmodus an, der durch die Coriolis-Kraft mit einem Out-of-plane-Modus gekoppelt wird. Die resultierende Out-of-plane-Bewegung wird vom umgekehrten piezoelektrischen Effekt abgetastet. Die Geometrie von Stimmgabeln wird so ausgelegt, dass die Eigenfrequenzen der nahegelegenen Modi im Frequenzraum separiert werden. Der Frequenzgang des Systems wird berechnet und die Rotationsratenempfindlichkeit wird evaluiert.

Antriebsmodus (links) und Sensormodus (rechts) für ein piezoelektrisches Kreiselinstrument. Die beiden Modi werden mit der Coriolis-Kraft gekoppelt.

Antriebsmodus (links) und Sensormodus (rechts) für ein piezoelektrisches Kreiselinstrument. Die beiden Modi werden mit der Coriolis-Kraft gekoppelt.

In dieser Übung wird gezeigt, wie ein einfacher piezoelektrischer Energieerzeuger mit dem Interface Piezoelektrische Bauteile analysiert wird. Auf den Energieerzeuger wird eine Sinus-Beschleunigung angewendet, und die Ausgangsleistung wird als Funktion von Frequenz, Lastimpedanz und Beschleunigungsbetrag evaluiert.

Mechanische Eingangsleistung, elektrische Ausgangsleistung und Spannung als Funktion der Lastimpedanz.

Mechanische Eingangsleistung, elektrische Ausgangsleistung und Spannung als Funktion der Lastimpedanz.

Piezoelektrische Ventile werden aufgrund der kurzen Antwortzeiten und des leisen Betriebs oft in Medizin- und Laborgeräten eingesetzt. Weiterhin ist die Wärmeabgabe aufgrund des energieeffizienten Betriebs gering.

In dieser Übung wird ein piezoelektrisches Ventil von einem piezoelektrischen Stellglied gesteuert. Zur Modellierung wird das Interface Piezoelektrische Bauteile zusammen mit der Funktion Kontakt verwendet. Eine hyperelastische Dichtung wird gegen das Ventil gedrückt, das vom Stellglied geöffnet wird. Der Kontaktdruck wird berechnet.

Die von-Mises-Spannung auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Ventils.

Die von-Mises-Spannung auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Ventils.

In dieser Übung wird gezeigt, wie der durch den Ankerverlust verringerte Gütefaktor eines Diamant-Scheibenresonators mit dem Interface Festkörpermechanik berechnet wird. Der Resonator wird durch eine Polysiliziumstange mit einem Substrat verankert, und die Leistung wird über die Stange an das Substrat übertragen. Das im Prinzip unendliche Substrat wird durch einen Perfectly Matched Layer repräsentiert. Diese Übung basiert auf einer Veröffentlichung, das auf der COMSOL-Konferenz 2007 in Grenoble präsentiert wurde (P. Steeneken „Parameter Extraction and Support-Loss in MEMS Resonators“, COMSOL Users Conference 2007, Grenoble).

Durch eine Farbskala dargestellte Gesamtverschiebung der Struktur; die Ankerverluste sind deutlich sichtbar.

Durch eine Farbskala dargestellte Gesamtverschiebung der Struktur; die Ankerverluste sind deutlich sichtbar.