Novità COMSOL Multiphysics^® versione 6.1

Aggiornamenti del MEMS Module

Per gli utenti del MEMS Module, la versione 6.1 di COMSOL Multiphysics^® introduce due nuove interfacce multifisiche, miglioramenti nella modellazione dei contatti e diversi nuovi tutorial. Approfondite questi aggiornamenti e altri ancora.

Interfaccia multifisica Piezoelettricità e Piroelettricità

Nel ramo AC/DC del Model Wizard è disponibile una nuova interfaccia multifisica Pyroelectricity che combina le interfacce Electrostatics e Heat Transfer in Solids con il nuovo accoppiamento multifisico Pyroelectricity. Questa interfaccia può essere utilizzata per simulare la polarizzazione elettrica nei dielettrici solidi in seguito a variazioni di temperatura. Analogamente, nel ramo Structural Mechanics del Model Wizard è disponibile una nuova interfaccia multifisica Piezoelectricity and Pyroelectricity che combina le interfacce Solid Mechanics e Heat Transfer in Solids con gli accoppiamenti multifisici Piezoelectric Effect, Thermal Expansion e Pyroelectricity. Questa interfaccia può essere utilizzata per simulare la polarizzazione elettrica in un materiale piezoelettrico in seguito a variazioni di temperatura. Viene utilizzata nel nuovo modello Pyroelectric Detector, che mostra il funzionamento di un rivelatore piroelettrico presente negli strumenti per la misurazione dell'energia laser.

Un disco di niobato di litio (LiNbO₃) in un rivelatore piroelettrico. La superficie sopra il disco rappresenta l'energia laser assorbita e i colori indicano la distribuzione istantanea della temperatura. Le frecce rosse e verdi rappresentano rispettivamente il flusso di calore e la polarizzazione spontanea.

Nuovi tutorial

Modi normali di un risonatore polarizzato - Geometria 3D da un file GDS

Quando si modella un dispositivo MEMS o a semiconduttore con una struttura 3D complessa, la costruzione della geometria può richiedere molto tempo. La costruzione può richiedere l'assemblaggio di numerose forme primitive in una procedura che non corrisponde ai processi di deposito e modellazione dei materiali distinti uno strato alla volta. Questo turorial mostra come costruire una geometria 3D in modo più efficiente utilizzando un metodo layer-by-layer che riproduce la fabbricazione di un dispositivo MEMS. Importando i layout da un file GDS con l'ausilio dell'ECAD Import Module e utilizzando le operazioni disponibili nel Design Module, si riduce notevolmente il numero di parametri e di passaggi per la definizione della geometria.

È possibile scaricare il modello dalla voce in Application Gallery.

La struttura del risonatore polarizzato, costruita strato per strato importando un file GDS e utilizzando le operazioni disponibili nel Design Module.

Vibrazioni di microspecchi precompressi: Accoppiamento termoviscoso e termoelasticità

Questo nuovo tutorial analizza il funzionamento di un micromirror precompresso, comprese le perdite dovute all'effetto termoelastico e all'interazione con l'aria circostante. Dimostra l'uso dell'accoppiamento multifisico Thermoviscous Acoustics-Thermoelasticity Boundary (disponibile nell'Acoustics Module) per modellare in modo molto dettagliato le perdite termoviscose nei problemi di interazione acustico-strutturale. Il modello cattura l'effetto di una condizione termica non ideale all'interfaccia fluido-struttura, importante nelle applicazioni MEMS. Il modello utilizza anche l'interfaccia Thermoelasticity per calcolare le perdite meccaniche dovute al trasferimento irreversibile di calore guidato dall'effetto termoelastico, che può essere particolarmente importante per le strutture su microscala.

È possibile scaricare il modello dalla voce in Application Gallery.

Perturbazioni di temperatura nella struttura del micromirror e nel dominio d'aria circostante per la modalità di vibrazione a 600 Hz.

Trasduttore capacitivo microlavorato a ultrasuoni

Questo modello dimostra il funzionamento di un trasduttore capacitivo microlavorato a ultrasuoni (CMUT), un ricevitore in microscala che converte gli ultrasuoni in segnale elettrico per applicazioni di imaging ad alta risoluzione. Il trasduttore è collegato a un circuito esterno e un carico al contorno di perturbazione armonica rappresenta l'energia ultrasonica. Il modello analizza un progetto di CMUT con caratteristiche di forza-spostamento ottimizzate per aumentare l'efficienza. Un'importante metrica da migliorare è il fattore di uniformità dello spostamento, che può essere calcolato utilizzando uno studio nel dominio delle frequenze, in condizioni di precompressione. Questo particolare progetto fa progredire una tecnologia di imaging medico ben consolidata, dominata da trasduttori piezoelettrici, e promette una miniaturizzazione e una risoluzione più elevata. Il dispositivo può essere fabbricato utilizzando la consolidata tecnologia di processo CMOS-MEMS da 0,35 μm.

È possibile scaricare il modello dalla voce in Application Gallery.

Un CMUT costituito da strati alternati di dielettrico (biossido di silicio) e metallo (alluminio) modellati litograficamente. Ci sono tre strati dielettrici, quattro strati metallici e uno strato passivo di nitruro (nascosto) che può rispondere alla pressione esterna e protegge il dispositivo dall'ambiente esterno. I colori indicano lo spostamento dell'elettrodo incorporato.

Mandrino elettrostatico

Questo modello dimostra il funzionamento di un mandrino elettrostatico utilizzato per fissare un wafer su una piattaforma a temperatura controllata durante la lavorazione dei wafer. Il modello calcola il raffreddamento del wafer in funzione della pressione utilizzando gli accoppiamenti Electromechanical Forces, Fluid-Structure Interaction, Nonisothermal Flow e Thermal Expansion. I mandrini elettrostatici (e-chuck) svolgono un ruolo importante in diverse apparecchiature per la lavorazione dei wafer. Invece di un bloccaggio meccanico, un e-chuck utilizza una forza elettromeccanica per fissare un wafer su una piattaforma a temperatura controllata durante la lavorazione. In questo modello, una forza elettrostatica contrasta la pressione del gas elio che scorre nello spazio tra il wafer e l'e-chuck per fornire una conduzione termica efficiente in un ambiente altrimenti a bassa pressione.

È possibile scaricare il modello dalla voce in Application Gallery.

Modello del mandrino elettrostatico, con sezione trasversale del wafer deformato (in modo esagerato). I colori sulla superficie del mandrino indicano la temperatura del wafer e i colori nel canale del gas indicano la velocità del gas.

Miglioramenti alla modellazione dei contatti

Sono state apportate diverse aggiunte e miglioramenti alla funzionalità di modellazione dei contatti, tra cui:

• È stato implementato un nuovo algoritmo di ricerca dei contatti più veloce. È particolarmente vantaggioso per i modelli 3D di grandi dimensioni.
• È stato aggiunto il metodo di Nitsche, un nuovo metodo per formulare le equazioni del contatto. Si tratta di un metodo robusto che non aggiunge ulteriori gradi di libertà.
• Sono state aggiunte nuove formulazioni più stabili delle equazioni di contatto per tutti i modelli di contatto.
• Sono state migliorate le formulazioni per shell e membrane: viene utilizzata la superficie effettiva su geometrie curve.
• È stato migliorato il supporto per l'autocontatto. La formulazione è ora simmetrica tra i due lati della coppia di contatto.

Animazione di un tubo elastoplastico forzato in un foro conico. L'autocontatto si verifica in diversi punti.

Interfaccia di meccanica solida in 1D

L'interfaccia Solid Mechanics è ora disponibile per i componenti assialsimmetrici 1D e 1D e non richiede alcun prodotto aggiuntivo per la funzionalità di base. Nelle direzioni trasversali è possibile selezionare diverse combinazioni di sollecitazione piana, deformazione piana e deformazione piana generalizzata. Esistono numerose applicazioni multifisiche, ad esempio nella modellazione delle batterie, nell'acustica e nell'interazione termica-struttura, in cui un modello 1D può essere utile per fornire importanti approfondimenti su un fenomeno fisico. Si noti che la funzionalità per le deformazioni da intercalazione nelle batterie è inclusa nel Battery Design Module. Per una modellazione 1D più avanzata, sono disponibili ulteriori funzioni con lo Structural Mechanics Module, il MEMS Module, il Multibody Dynamics Module o l'Acoustics Module.

Problema accoppiato termo-strutturale con contatto in assimetria 1D. Si noti che la rappresentazione sottostante è costituita semplicemente da elementi 1D lungo una linea, mentre i risultati sono estesi a una geometria circolare per una migliore visualizzazione.

Test numerici di modelli di materiali

Per i modelli di materiali complessi, in particolare quelli definiti dall'utente, è importante studiare il comportamento del modello in varie condizioni di carico. La nuova funzione Test Material dell'interfaccia Solid Mechanics può impostare automaticamente un piccolo modello a un elemento con condizioni al contorno appropriate e fasi di studio per diverse condizioni di carico. Il carico può essere quasistatico o dipendente dal tempo, monotono o ciclico. Questa nuova funzione è visibile nei modelli aggiornati Isotropic Compression with Modified Cam-Clay Material Model e Primary Creep Under Nonconstant Load.

Curve sforzo-deformazione per quattro diversi test fondamentali di un modello di materiale.

Materiali sui contorni dei solidi

È ora disponibile un'ampia gamma di modelli di materiali lineari e non lineari da utilizzare su contorni interni o esterni. Possono essere usati, ad esempio, per modellare strati di colla, guarnizioni o rivestimenti. Tali strati possono utilizzare diverse ipotesi, che vanno dalla completa tridimensionalità alle sole deformazioni in piano. Con il Composite Materials Module, i materiali di contorno possono anche essere multistrato. Il modello già esistente Heating Circuit mostra questa nuova integrazione.

Sforzi in una guarnizione tra due flange di tubi.

Interfacce multifisiche per lo smorzamento a film sottile

Sono state aggiunte due nuove interfacce multifisiche per lo smorzamento a film sottile: Solid Thin-Film Damping e Shell Thin-Film Damping. Esse combinano un'interfaccia Thin-Film Flow rispettivamente con Solid Mechanics o Shell. Esistono anche due nuovi accoppiamenti multifisici che facilitano questa operazione: Structure Thin-Film Flow Interaction e Shell Thin-Film Flow Interaction. Questi accoppiamenti non si limitano allo smorzamento del film sottile; è possibile utilizzarli anche per modellare la lubrificazione e la cavitazione, ad esempio.

Smorzamento del gas a film compresso in un accelerometro. Il grafico a colori mostra la pressione del gas su due superfici per il dominio solido.

Analisi di buckling con carichi fissi

Quando si cerca un carico critico di instabilità, ci sono alcune situazioni in cui esistono più sistemi di carichi e uno di essi può essere considerato fisso. Ad esempio, un carico gravitazionale può essere considerato fisso (un dead load), mentre un carico di esercizio può essere considerato non fisso (un live load). Anche se si volesse calcolare solo il livello critico di un carico di servizio, il carico fisso influenzerebbe comunque il rischio di instabilità. Questo tipo di analisi è ora integrato e può essere visualizzato nel nuovo modello Linear Buckling Analysis of a Truss Tower with Dead Loads.

Le impostazioni del solutore per un'analisi di instabilità lineare consentono ora di gestire una combinazione di carichi attivi e fissi. Nell'esempio, la precompressione dei tiranti e il peso proprio della torre sono considerati carichi fissi, mentre una forza in sommità è il carico attivo.

Nuovo metodo per collegare gli assiemi

Il metodo di Nitsche è stato aggiunto per imporre la continuità tra i contorni degli assiemi. Presenta due importanti vantaggi rispetto ai classici vincoli puntuali:

• Causa molti meno disturbi locali nella soluzione quando le mesh dei due lati non sono conformi.
• Poiché non vengono aggiunti vincoli, si evita di dover eliminare i vincoli, operazione numericamente sensibile e talvolta pesante dal punto di vista computazionale.

Confronto del disturbo locale delle sollecitazioni quando si utilizza un vincolo classico o il nuovo metodo Nitsche per collegare mesh non corrispondenti.

Miglioramenti alla Component Mode Synthesis

È ora possibile utilizzare elementi shell nelle analisi di component mode synthesis (CMS). Sono stati inoltre apportati diversi miglioramenti generali che facilitano l'impostazione dei modelli per le analisi CMS.

Studio della dinamica di una lavatrice. Il tempo di analisi si riduce di un fattore 2 quando lo shell che rappresenta l'involucro viene ridotto a un componente CMS.

Eccitazione di base

È comune che il carico dinamico su una struttura consista in una certa accelerazione di tutti i suoi punti di appoggio. Ad esempio, quando un pezzo viene fissato a una tavola vibrante per le prove o quando un edificio viene sottoposto a un'accelerazione del terreno con una lunga lunghezza d'onda. Questo tipo di carico può ora essere descritto in modo più naturale utilizzando la nuova funzione Base Excitation. Questa funzione è adatta per l'analisi delle vibrazioni casuali. È possibile visualizzare questo aggiornamento nei modelli già esistenti Shock Response of a Motherboard e Random Vibration Test of a Motherboard.

Un esempio di utilizzo della funzione Base Excitation, in cui si utilizzano tre densità spettrali di potenza (PSD) in ingresso in un'analisi di vibrazioni casuali. L'eccitazione di base è una proprietà dell'intero modello, pertanto questa funzione non presenta alcuna selezione.

Carichi dati come risultante

Per i carichi al contorno e gli insiemi di carichi puntuali, è ora possibile specificare la forza e il momento totali rispetto a un determinato punto selezionando l'opzione Resultant dall'elenco Load type. In questo modo è più facile applicare le risultanti dei carichi senza imporre vincoli artificiali o fare lunghi calcoli delle distribuzioni effettive dei carichi. È possibile controllare la forma assunta dalla distribuzione del carico.

All'estremità di una trave, modellata come un solido 3D, viene applicato un carico di flessione dato come risultante di un momento. La distribuzione effettiva del carico è indicata dalle frecce.

Nuovi input per materiali anisotropi

Per la funzione Linear Elastic Material sono state aggiunte diverse nuove opzioni per l'inserimento delle costanti elastiche:

• I materiali ortotropi possono ora essere descritti da dati cristallini per sette diversi tipi di sistemi cristallini: cubico, esagonale, trigonale con sei costanti, trigonale con sette costanti, tetragonale con sei costanti, tetragonale con sette costanti e ortorombico.
• È supportato l'input per i materiali trasversalmente isotropi, riducendo il numero di input per questa classe di materiali.
• Un materiale anisotropo generale può ora essere rappresentato, oltre che dalla matrice di elasticità, dalla sua matrice di cedevolezza.

L'interfaccia utente per l'inserimento dei dati di elasticità utilizzando un sistema a cristalli.

Miglioramenti per i connettori rigidi

Il Rigid Connector è uno strumento importante per la modellazione astratta, ad esempio per l'applicazione di carichi e il collegamento di oggetti. La sua funzionalità è stata migliorata sotto tre aspetti:

• È ora possibile scollegare gradi di libertà selezionati, ad esempio nelle direzioni date da un sistema di coordinate locali. Con questa opzione, è possibile liberare i vincoli eccessivi e ridurre le concentrazioni di sollecitazioni locali.
• Per i connettori rigidi a due punti in 3D, è possibile sopprimere automaticamente la potenziale singolarità rotazionale.
• Come nuova impostazione predefinita, i gradi di libertà generati dai connettori rigidi sono ora raggruppati nella sequenza di studio. Ciò consente di ridurre drasticamente il numero di nodi nell'albero del modello e facilita l'applicazione di una scala manuale per la tolleranza di convergenza. La stessa modifica si applica anche alla funzione Attachment.

Effetti dei gradi di libertà rilasciati. Il riduttore con pressione interna ha un connettore rigido all'estremità, come mostra la superficie marrone nella figura a sinistra. Con una formulazione standard, l'ipotesi di rigidità manterrà costante il raggio, come mostrato nella figura centrale. Nella figura a destra, lo spostamento radiale viene rilasciato nel connettore rigido. È ancora possibile, ad esempio, applicare carichi in qualsiasi direzione o collegarsi ad altri domini.

Risultati in sistemi di coordinate locali

Ora è più semplice definire un numero arbitrario di sistemi di coordinate locali aggiungendo i nodi Local System Results per la valutazione delle quantità comuni nelle interfacce di Structural Mechanics. Tra le quantità trasformate disponibili, si trovano sollecitazioni, deformazioni, spostamenti e proprietà dei materiali.

Deformazione diretta in direzione globale x e in direzione azimutale per una geometria a simmetria cilindrica.

Condizione al contorno di frattura per onde elastiche

La nuova condizione al contorno Fracture, disponibile nell'interfaccia fisica Elastic Waves, Time Explicit, viene utilizzata per trattare due domini elastici con legame imperfetto. La frattura può essere un sottile strato elastico, uno strato pieno di fluidi o una discontinuità nei materiali elastici (un contorno interno). Esistono diverse opzioni per specificare le proprietà del dominio elastico sottile. Le applicazioni tipiche sono la modellazione di applicazioni di test non distruttivi (NDT), come l'ispezione della risposta di regioni di delaminazione o altri difetti, o la modellazione della propagazione delle onde in mezzi solidi fratturati nell'industria petrolifera e del gas.

Grafici predefiniti

La funzionalità generale per i grafici predefiniti ha portato ampi aggiornamenti alle interfacce di Structural Mechanics. Un grafico predefinito è simile a un grafico di default, ma con l'importante differenza che non viene inserito nel Model Builder finché l'utente non lo sceglie. Si tratta di un vantaggio perché il numero di grafici predefiniti generati per ogni studio risulta notevolmente ridotto.

Inoltre, gli utenti noteranno altri due miglioramenti:

• Oltre ai grafici predefiniti delle versioni precedenti, dal menu Add Predefined Plot sono ora disponibili diversi nuovi grafici utili.
• I grafici dei risultati per le fasi intermedie dello studio, ad esempio la fase di carico in un'analisi dinamica precompressa, sono direttamente disponibili.

La finestra Add Predefined Plot nel modello Tube Connection.