COMSOL Multiphysics^® 6.1 Release Highlights

MEMS Module Updates

Für Nutzer des MEMS Module bietet COMSOL Multiphysics^® Version 6.1 zwei neue Multiphysik-Interfaces, Verbesserungen bei der Kontaktmodellierung und mehrere neue Tutorial-Modelle. Hier erfahren Sie alles über diese und weitere Updates.

Piezoelectricity and Pyroelectricity Multiphysik-Interface

Unter dem Zweig AC/DC im Model Wizard ist ein neues Multiphysik-Interface Pyroelectricity verfügbar, das die Interfaces Electrostatics und Heat Transfer in Solids mit der neuen Multiphysik-Kopplung Pyroelectricity kombiniert. Damit können Sie die elektrische Polarisation in festen Dielektrika infolge von Temperaturschwankungen simulieren. In ähnlicher Weise steht unter dem Zweig Structural Mechanics im Model Wizard ein neues Multiphysik-Interface Piezoelectricity and Pyroelectricity zur Verfügung, das die Interfaces Solid Mechanics und Heat Transfer in Solids mit den Multiphysik-Kopplungen Piezoelectric Effect, Thermal Expansion und Pyroelectricity kombiniert. Damit können Sie die elektrische Polarisation in einem piezoelektrischem Material infolge von Temperaturschwankungen simulieren. Dieses Interface wird im neuen Modell Pyroelectric Detector verwendet, das die Funktionsweise eines pyroelektrischen Detektors demonstriert, der in Geräten zur Messung der Laserenergie eingesetzt wird.

Eine Scheibe aus Lithiumniobat (LiNbO₃) in einem pyroelektrischen Detektor. Die Oberfläche oberhalb der Scheibe stellt die absorbierte Laserenergie dar, und die Farben zeigen die momentane Temperaturverteilung an. Die roten und grünen Pfeile stellen den Wärmefluss bzw. die spontane Polarisation dar.

Neue Tutorial-Modelle

Normal Modes of a Biased Resonator — 3D Geometry from a GDS File

Bei der Modellierung eines MEMS- oder Halbleiter-Bauteils mit komplexer 3D-Struktur kann der Aufbau der Geometrie sehr zeitaufwändig sein. Der Aufbau kann das Zusammensetzen zahlreicher primitiver Formen in einem Verfahren erfordern, das nicht den Prozessen entspricht, bei denen die verschiedenen Materialien Schicht für Schicht aufgebracht und strukturiert werden. Dieses Tutorial zeigt Ihnen, wie Sie eine 3D-Geometrie effizienter aufbauen können, indem Sie eine Schicht-für-Schicht-Methode verwenden, die die Herstellung eines MEMS-Bauteils nachbildet. Durch den Import von Layouts aus einer GDS-Datei mit dem ECAD Import Module und die Verwendung von Operationen, die im Design Module verfügbar sind, wird die Anzahl der Parameter und Schritte zur Definition der Geometrie stark reduziert.

Sie können das Modell aus der Application Gallery herunterladen.

Die Struktur des vorgespannten Resonators, die durch den Import einer GDS-Datei und die Verwendung der im Design Module verfügbaren Operationen Schicht für Schicht aufgebaut wird.

Prestressed Micromirror Vibrations: Thermoviscous–Thermoelasticity Coupling

Dieses neue Tutorial analysiert den Betrieb eines vorgespannten Mikrospiegels, einschließlich der Verluste durch den thermoelastischen Effekt und die Wechselwirkung mit der Umgebungsluft. Es demonstriert die Verwendung der Multiphysik-Kopplung Thermoviscous Acoustics-Thermoelasticity Boundary (verfügbar im Acoustics Module) zur detaillierten Modellierung thermoviskoser Verluste in akustisch-strukturellen Interaktionsproblemen. Es erfasst den Effekt einer nicht idealen thermischen Bedingung an der Fluid-Struktur-Schnittstelle, was bei MEMS-Anwendungen wichtig ist. Das Modell verwendet auch das Interface Thermoelasticity, um die mechanischen Verluste durch irreversiblen Wärmetransport zu berechnen, der durch den thermoelastischen Effekt angetrieben wird, was für mikroskalige Strukturen besonders wichtig sein kann.

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Temperaturstörungen in der Mikrospiegelstruktur und im Gebiet der umgebenden Luft für den 600 Hz Schwingungsmodus.

Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer

Dieses Modell demonstriert die Funktionsweise eines kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschallwandlers (CMUT), eines mikroskaligen Empfängers, der Ultraschall in elektrische Signale für hochauflösende Bildgebungsanwendungen umwandelt. Der Wandler ist an eine externe Schaltung angeschlossen, und eine harmonische Randbelastung stellt die Ultraschallenergie dar. Das Modell analysiert ein CMUT-Design mit optimierten Kraft-Verschiebungs-Kennlinien zur Steigerung der Effizienz. Eine wichtige Kennzahl, die es zu verbessern gilt, ist der Gleichförmigkeitsfaktor für die Verschiebung, der mit Hilfe einer Frequency Domain, Prestressed Studie berechnet werden kann. Dieses spezielle Design ist eine Weiterentwicklung einer gut etablierten medizinischen Bildgebungstechnologie, die von piezoelektrischen Wandlern dominiert wird, und verspricht Miniaturisierung und höhere Auflösung. Das Gerät kann mit der etablierten 0,35 μm Complementary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) MEMS-Prozesstechnologie hergestellt werden.

Sie können dieses Modell aus der Application Gallery herunterladen.

Ein CMUT, der aus abwechselnden Schichten aus Dielektrikum (Siliziumdioxid) und Metall (Aluminium) besteht, die lithografisch strukturiert sind. Es gibt drei dielektrische Schichten, vier Metallschichten und eine (versteckte) Nitrid-Passivierungsschicht, die auf äußeren Druck reagieren kann und das Gerät vor der äußeren Umgebung schützt. Die Farben zeigen die Verschiebung der eingebetteten Elektrode an.

Electrostatic Chuck

Dieses Modell demonstriert die Funktionsweise eines elektrostatischen Chucks, der zur Befestigung eines Wafers auf einer temperaturgesteuerten Plattform während der Waferverarbeitung verwendet wird. Das Modell berechnet die druckabhängige Abkühlung des Wafers unter Verwendung der Kopplungen Electromechanical Forces, Fluid-Structure Interaction, Nonisothermal Flow, und Thermal Expansion. Elektrostatische Spannvorrichtungen (E-Chucks) spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Wafer-Bearbeitungsgeräten. Anstelle einer mechanischen Klemmung verwendet ein E-Chuck eine elektromechanische Kraft, um einen Wafer während der Verarbeitung auf einer temperaturgesteuerten Plattform zu fixieren. In diesem Modell wirkt eine elektrostatische Kraft dem Druck des Heliumgases entgegen, das in den Spalt zwischen dem Wafer und dem E-Chuck strömt, und sorgt so für eine effiziente Wärmeleitung in einer Umgebung mit niedrigem Druck.

Sie können dieses Modell aus der Application Gallery herunterladen.

Ein Modell des elektrostatischen Chucks, das den Querschnitt des (übertrieben) verformten Wafers zeigt. Die Farben auf der Chuck-Oberfläche zeigen die Wafer-Temperatur und die Farben im Gaskanal die Gasgeschwindigkeit an.

Verbesserte Kontaktmodellierung

An den Funktionen zur Kontaktmodellierung wurden mehrere Ergänzungen und Verbesserungen vorgenommen.

• Ein neuer, schnellerer Algorithmus für die Kontaktsuche wurde implementiert. Er ist besonders vorteilhaft für große 3D-Modelle.
• Die Nitsche-Methode, eine neue Methode zur Formulierung der Kontaktgleichungen, wurde hinzugefügt. Es handelt sich um eine robuste Methode, die keine zusätzlichen Freiheitsgrade hinzufügt.
• Neue, stabilere Formulierungen der Kontaktgleichungen für alle Kontaktmodelle wurden hinzugefügt.
• Die Formulierungen für Schalen und Membranen wurden verbessert. Bei gekrümmten Geometrien wird jetzt die tatsächliche Oberfläche verwendet.
• Die Unterstützung für Selbstkontakt wurde verbessert. Die Formulierung ist jetzt symmetrisch zwischen den beiden Seiten des Kontaktpaares.

Animation eines elastoplastischen Rohrs, das in ein konisches Loch gedrückt wird. Der Selbstkontakt tritt an mehreren Stellen auf.

Solid Mechanics Interface in 1D

Das Solid Mechanics Interface ist jetzt für 1D- und 1D-achsensymmetrische Komponenten verfügbar und erfordert kein zusätzliches Produkt, um die Grundfunktionen zu nutzen. In den transversalen Richtungen können verschiedene Kombinationen von ebener Spannung, ebener Dehnung und verallgemeinerter ebener Dehnung ausgewählt werden. Es gibt mehrere Multiphysik-Anwendungen, zum Beispiel in der Akku-Modellierung, der Akustik und der Wechselwirkung zwischen Wärme und Struktur, bei denen ein 1D-Modell wichtige Einblicke in ein physikalisches Phänomen liefern kann. Beachten Sie, dass das Battery Design Module auch Funktionen für Interkalationsspannungen in Akkus enthält. Für die fortgeschrittene 1D-Modellierung stehen zusätzliche Funktionen zur Verfügung, wenn das Solid Mechanics Interface in Verbindung mit dem MEMS Module, dem Multibody Dynamics Module oder dem Acoustics Module verwendet wird.

Ein gekoppeltes thermisch-strukturelles Problem mit Kontakt in 1D-Achsensymmetrie. Beachten Sie, dass die zugrunde liegende Darstellung hier einfach 1D-Elemente entlang einer Linie sind, während die Ergebnisse zur besseren Visualisierung auf eine kreisförmige Geometrie erweitert wurden.

Numerische Prüfung von Materialmodellen

Bei komplexen Materialmodellen, insbesondere solchen, die vom Nutzer definiert werden, ist es wichtig, zu untersuchen, wie sich ein Modell unter verschiedenen Belastungsbedingungen verhält. Mit der neuen Funktion Test Material im Interface Solid Mechanics können Sie automatisch ein kleines Ein-Element-Modell mit geeigneten Randbedingungen und Studienschritten für mehrere verschiedene Lastbedingungen einrichten. Die Belastung kann quasistatisch oder zeitabhängig, monoton oder zyklisch sein. Sie können sich diese neue Funktion in den aktualisierten Modellen Isotropic Compression with Modified Cam-Clay Material Model und Primary Creep Under Nonconstant Load ansehen.

Spannungs-Dehnungs-Kurven für vier verschiedene grundlegende Tests eines Materialmodells.

Materialien auf den Rändern von Festkörpern

Eine breite Palette von linearen und nichtlinearen Materialmodellen ist jetzt für die Verwendung an inneren oder äußeren Rändern verfügbar. Damit können Sie zum Beispiel Klebeschichten, Dichtungen oder Verkleidungen modellieren. Für solche Schichten können unterschiedliche Annahmen getroffen werden, die von vollständiger 3D-Darstellung bis hin zu nur in der Ebene liegenden Dehnungen reichen. Wenn Sie das Composite Materials Module in Verbindung mit dem Structural Mechanics Module verwenden, um diese Modelle zu implementieren, können die Randmaterialien sogar mehrschichtig sein. Das bestehende Modell Heating Circuit ist ein Beispiel für diese neue Ergänzung.

Spannungen in einer Dichtung zwischen zwei Rohrflanschen.

Multiphysik-Interfaces für die Dünnfilmdämpfung

Es wurden zwei neue Multiphysik-Interfaces für Dünnfilmdämpfung hinzugefügt: Solid Thin-Film Damping und Shell Thin-Film Damping. Sie kombinieren ein Thin-Film Flow Interface mit Solid Mechanics bzw. Shell. Außerdem gibt es zwei neue Multiphysik-Kopplungen, die die Dünnschichtdämpfung erleichtern: Structure Thin-Film Flow Interaction und Shell Thin-Film Flow Interaction. Diese Kopplungen sind nicht auf die Dünnschichtdämpfung beschränkt. Sie können sie auch verwenden, um beispielsweise Schmierung und Kavitation zu modellieren.

Squeezed-Film-Gasdämpfung in einem Beschleunigungsmesser. Die farbige Darstellung zeigt den Gasdruck auf zwei Oberflächen für das Festkörpergebiet.

Knick-Analyse mit Eigenlasten

Bei der Suche nach einer kritischen Knicklast gibt es einige Situationen, in denen es mehr als ein System von Lasten gibt und eine von ihnen als feststehend betrachtet werden kann. Zum Beispiel kann eine Schwerkraftlast als feststehend betrachtet werden, während eine Nutzlast als nicht feststehend betrachtet werden kann. Selbst wenn Sie nur den kritischen Wert einer Nutzlast berechnen möchten, hat die Eigenlast immer noch einen Einfluss auf das Risiko des Knickens. Diese Art der Analyse ist jetzt integriert und wird in dem neuen Modell Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads veranschaulicht.

Die Lösereinstellungen für eine lineare Knickanalyse ermöglichen jetzt die Behandlung einer Kombination aus Nutz- und Eigenlasten. In diesem Beispiel werden die Vorspannung in den Abspannungen und das Eigengewicht des Turms als Eigenlasten betrachtet, während eine Kraft an der Spitze die Nutzlast darstellt.

Neue Methode für das Verbinden von Baugruppen

Die Nitsche-Methode wurde hinzugefügt, um die Kontinuität zwischen Rändern in Baugruppen zu erzwingen. Sie hat zwei wichtige Vorteile im Vergleich zu den klassischen punktweisen Beschränkungen:

• Sie verursacht deutlich weniger lokale Störungen in der Lösung, wenn die Netze auf den beiden Seiten nicht konform sind.
• Da keine Beschränkungen hinzugefügt werden, wird der numerisch empfindliche und manchmal rechenintensive Schritt zur Eliminierung von Beschränkungen vermieden.

Vergleich der lokalen Spannungsstörungen bei Verwendung einer klassischen Zwangsbedingung oder der neuen Nitsche-Methode zum Verbinden nicht übereinstimmender Netze.

Verbesserungen der Component Mode Synthesis

Es ist jetzt möglich, Schalenelemente in Component Mode Synthesis (CMS) Analysen zu verwenden. Außerdem gibt es mehrere allgemeine Verbesserungen, die das Einrichten von Modellen für CMS-Analysen erleichtern.

Eine Studie über die Dynamik einer Waschmaschine. Die Analysezeit wird um den Faktor 2 reduziert, wenn die Schale, die das Gehäuse darstellt, auf eine CMS-Komponente reduziert wird.

Base Excitation

Es ist üblich, dass die dynamische Belastung einer Struktur aus einer bestimmten Beschleunigung aller Stützpunkte besteht. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Teil zu Testzwecken auf einem Rütteltisch befestigt wird oder wenn ein Gebäude einer Bodenbeschleunigung mit langer Wellenlänge ausgesetzt ist. Diese Art der Belastung kann jetzt mit der neuen Funktion Base Excitation natürlicher beschrieben werden. Sie eignet sich gut für die Analyse von Zufallsschwingungen. Sie können diese Aktualisierung in den bestehenden Modellen Shock Response of a Motherboard und Random Vibration Test of a Motherboard sehen.

Ein Beispiel für die Verwendung der Funktion Base Excitation, bei der drei spektrale Leistungsdichten (PSDs) in einer zufälligen Schwingungsanalyse verwendet werden. Die Basiserregung ist eine Eigenschaft des gesamten Modells, daher gibt es für diese Funktion keine Auswahlmöglichkeiten.

Als Resultanten gegebene Lasten

Für Rand- und Punktlasten können Sie jetzt die Gesamtkraft und das Gesamtmoment in Bezug auf einen bestimmten Punkt angeben, indem Sie die Option Resultant aus der Liste Load type auswählen. Dies erleichtert die Anwendung von Lastresultanten, ohne dass Sie künstliche Beschränkungen auferlegen oder lange Berechnungen der tatsächlichen Lastverteilungen durchführen müssen. Es ist möglich, die angenommene Form der Lastverteilung zu steuern.

Eine Biegebelastung in Form einer Moment-Resultanten wird auf das Ende eines Balkens aufgebracht, der als 3D-Volumen modelliert ist. Die tatsächliche Lastverteilung wird durch Pfeile dargestellt.

Neue Inputs für anisotrope Materialien

Für das Feature Linear Elastic Material wurden mehrere neue Optionen für die Eingabe von elastischen Konstanten hinzugefügt:

• Orthotrope Materialien können jetzt durch Kristalldaten für sieben verschiedene Arten von Kristallsystemen beschrieben werden: kubisch, hexagonal, trigonal mit sechs Konstanten, trigonal mit sieben Konstanten, tetragonal mit sechs Konstanten, tetragonal mit sieben Konstanten und orthorhombisch.
• Die Eingabe von transversal isotropen Materialien wird unterstützt, wodurch sich die Anzahl der Inputs für diese Klasse von Materialien verringert.
• Ein allgemeines anisotropes Material kann jetzt zusätzlich zur Elastizitätsmatrix auch durch seine Compliance-Matrix dargestellt werden.

Das Interface für die Eingabe von Elastizitätsdaten mit Hilfe eines Kristallsystems.

Verbesserungen für Rigid Connector

Der Rigid Connector ist ein wichtiges Werkzeug für die abstrakte Modellierung, zum Beispiel bei der Anwendung von Lasten und dem Verbinden von Objekten. Seine Funktionalität wurde in dreierlei Hinsicht erweitert:

• Es ist jetzt möglich, ausgewählte Freiheitsgrade zu entkoppeln, zum Beispiel in Richtungen, die durch ein lokales Koordinatensystem vorgegeben sind. Mit dieser Option ist es möglich, übermäßige Beschränkungen aufzuheben und lokale Spannungskonzentrationen zu reduzieren.
• Bei starren Zweipunkt-Verbindungen in 3D ist es möglich, die potentielle Rotationssingularität automatisch zu unterdrücken.
• Als neue Voreinstellung werden die Freiheitsgrade, die durch starre Verbindungen erzeugt werden, jetzt in der Studiensequenz gruppiert. Dies kann die Anzahl der Knoten im Modellbaum drastisch reduzieren und erleichtert die manuelle Skalierung für die Konvergenztoleranz. Die gleiche Änderung gilt auch für die Funktion Attachment.

Auswirkungen der freigegebenen Freiheitsgrade. Das Reduzierstück mit Innendruck hat am Ende ein starres Verbindungsstück, wie die braune Fläche in der Abbildung ganz links zeigt. Bei einer Standardformulierung wird der Radius durch die Annahme der Starrheit konstant gehalten, wie in der mittleren Abbildung dargestellt. In der Abbildung ganz rechts wird die radiale Verschiebung in dem starren Verbindungsstück freigegeben. Es ist immer noch möglich, Lasten in jede Richtung aufzubringen oder Verbindungen zu anderen Gebieten herzustellen.

Ergebnisse in lokalen Koordinatensystemen

Es ist jetzt ganz einfach, eine beliebige Anzahl von lokalen Koordinatensystemen zu definieren, indem Sie Local System Results Knoten für die Auswertung gängiger Größen in den Structural Mechanics Interfaces hinzufügen. Unter den verfügbaren transformierten Größen finden Sie Spannungen, Dehnungen, Verschiebungen und Materialeigenschaften.

Direkte Dehnung in der globalen x-Richtung und der azimutalen Richtung für eine Geometrie mit zylindrischer Symmetrie.

Fracture Randbedingung für elastische Wellen

Die neue Randbedingung Fracture, die im Physik Interface Elastic Waves, Time Explicit verfügbar ist, wird verwendet, um zwei elastische Gebiete mit unvollkommener Bindung zu behandeln. Der Bruch kann eine dünne elastische Schicht, eine mit Fluid gefüllte Schicht oder eine Diskontinuität in elastischen Materialien (ein innerer Rand) sein. Es gibt mehrere Optionen, um die Eigenschaften des dünnen elastischen Gebiets zu definieren. Typische Anwendungen sind die Modellierung von Anwendungen der zerstörungsfreien Prüfung, wie zum Beispiel die Untersuchung der Reaktion von Delaminationsbereichen oder anderen Defekten, oder die Modellierung der Wellenausbreitung in gebrochenen festen Medien in der Öl- und Gasindustrie.

Vordefinierte Plots

Die allgemeine Funktionalität für vordefinierte Plots hat zu umfangreichen Aktualisierungen der Structural Mechanics Interfaces geführt. Ein vordefinierter Plot ähnelt einem Standardplot, jedoch mit dem wichtigen Unterschied, dass er dem Model Builder erst dann hinzugefügt wird, wenn der Nutzer ihn auswählt. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Standardplots, die für jede Studie generiert werden, deutlich verringert wurde.

Darüber hinaus erwarten den Nutzer die folgenden zwei Verbesserungen:

• Zusätzlich zu den Standardplots der Vorgängerversionen sind jetzt mehrere neue nützliche Plots über das Menü Add Predefined Plot verfügbar.
• Ergebnisplots für Zwischenschritte der Studie – zum Beispiel der Belastungsschritt in einer dynamischen Analyse mit Vorspannung – sind direkt verfügbar.

Das Fenster Add Predefined Plot im Modell Tube Connection.