comsol 5.0中的新的压电建模接口

我们引入了一个新界面，用于在Comsol Multiphysics Simulation软件的5.0版中模拟压电设备。该界面旨在实现几件事。在这篇博客文章中，我将解释这些内容是什么以及如何使用它们。

简而言之新的压电界面

压电建模界面试图：

• 使建模工作流程更多
  • 透明的
  • 灵活的
• 使您可以更轻松地调试模型

这将使您能够成功模拟压电设备，并通过将其与任何其他物理耦合来轻松扩展模拟。

在comsol多物理学中建模压电性

您可能已经熟悉可用于模拟压电材料的三个不同模块：

• 结构力学模块
• MEMS模块
• 声学模块

这些模块中的每一个都为您提供了预定义的压电设备您可以将其用于建模系统的接口，包括压电和其他结构材料。声学模块提供两个预定义的接口，即声学互动，频域接口和声学上的互动，瞬态界面。这两个使您能够建模压电声传感器如何与周围的流体介质相互作用。

这压电设备界面可在结构力学物理界面的列表中找到。

这声学互动，频域和声学上的互动，瞬态接口可在声学物理界面列表中找到。

这些预定义的多物理接口通过本构法律或边界条件将相关的物理处理方程式结合在一起。因此，它们为设置涉及压电材料的更复杂的多物理问题提供了一个良好的起点。Comsol Multiphysics 5.0中的新的Piezoelectric接口提供了一个透明的工作流程，以可视化组成物理接口。还有一个单独的多物理节点，该节点列出了构成物理接口如何相互连接。

让我们找出这些多物理接口的结构如何。

压电设备

选择压电设备多物理接口，您会看到组成物理：固体力学和静电。你还看到压电效应在多物理节点下列出的分支，该节点控制固体力学和静电。

模型树的一部分，显示了选择在选择该物理接口和多物理耦合压电设备界面。

默认情况下，所有建模域都假定由压电材料制成。如果不是这种情况，您可以从分支中取消选择非Piezo结构域固体力学>压电材料。然后，这些域将自动分配给固体力学>线性弹性材料分支。该过程确保了几何部分的所有部分被标记为压电或非Piezo结构材料，并且没有意外的是未定义的。

固体力学节点

如果您正在使用其他可用的材料模型非线性结构材料模块，例如超弹性，您可以将其添加为固体力学并将建模几何学的相关部分分配给该分支。固体力学节点使我们完全灵活地建立了一个模型，该模型不仅涉及压电材料，还涉及线性和非线性结构材料。最好的部分是，如果这些材料几何互动，则Comsol软件将自动照顾它们之间的位移兼容性。

如果模型的某些部分根本不是固体，例如气隙，则可以将其取消选择在实心力学节点中。

从固体力学节点中，您还将为模型分配任何类型的机械载荷和约束。

静电节点

静电节点使您可以将与模型的电输入相关的所有信息组合在一起。这将包括例如，电压和电荷源等任何电边界条件。默认情况下，已分配给的任何几何域固体力学>压电材料分支也分配给静电>电荷保护，压电分支。如果您在模型中还有其他不是压电的介电材料，则可以将它们分配给静电>电荷保护分支。

压电效应节点

这多物理学>压电效应分支确保结构和静电方程在分配给该域内以耦合方式求解固体力学>压电材料（还有静电>电荷保护，压电） 分支。

多物理耦合是使用对压电材料的众所周知的构型定律实施的。请注意静电>电荷保护，压电分支主要用作分配属于压电材料模型的几何域的占位符。这有帮助多物理学>压电效应分支了解是否分配给静电接口是否压电。

注意：有关与压电设备接口，查看有关建模的教程压电剪切驱动的光束。

在动态分析中添加阻尼

在动态模拟中，也可以增加阻尼或其他物质损失的影响。您可以通过在下面添加一个或多个子节点来做到这一点固体力学>压电材料分支：

可以添加到压电材料中的阻尼和损失。

子节点名称	何时使用子节点
机械阻尼	允许您添加纯粹的结构阻尼。在使用损失因子（在频域中）或瑞利阻尼（对于频率域和时间域）模型之间进行选择。
耦合损失	允许您添加机电耦合损失。在使用损失因子（用于频域）或瑞利阻尼（对于频率域和时间域）模型之间进行选择。
介电损失	允许您添加介电或极化损失。在使用损失因子（用于频域）和分散（对于频率域和时间域）模型之间进行选择。
传导损失（时间谐波）	由于在谐波振动的压电材料中（仅适用于频域）中的电阻，因此您可以增加电能耗散。

注意：有关将阻尼添加到压电模型的示例，请查看有关建模的教程薄膜BAW复合谐振器。

由于压电设备及其周围环境之间的相互作用，还会发生其他阻尼。这可以使用声学 - pizoeleclectric交互接口以更大的细节进行建模。

声学 - 派Zoelectric相互作用

在选择一个声学 - 斑点相互作用界面之一后，您会看到组成物理：压力声学，，，，固体力学和静电。你还看到声学结构边界和压电效应在多物理节点下列出的分支。

模型树的一部分，显示了选择时出现的物理接口和多物理耦合声学互动，频域和声学上的互动，瞬态接口。

默认情况下，所有建模域均分配给压力声学接口以及固体力学>压电材料和静电>电荷保护，压电分支。请注意压力声学界面旨在模拟流体介质传播的声波。

由于comsol多物理不知道先验建模几何形状的哪个部分属于流体域，哪些是固体域，您应该通过取消选择固体域的选择来提供该信息压力声学，频域（或者压力声学，瞬态）分支并取消选择流体结构域固体力学和静电分支。

一旦执行此操作，检测到实心域和流体域之间的界面的边界并将其分配给多物理>声学结构边界分支。该分支控制了压力声学和固体力学物理界面。这样做是通过考虑流体的声压充当固体表面上的机械载荷，而加速度矢量的成分正常（垂直）到相同的表面，可作为声源，在声源中产生压力波，在流体。

注意：有关声学互动互动的示例，请查看有关建模的教程tonpilz传感器。

易于添加更多物理学

如上所述的工作流程中的透明度还为添加更多物理学和创建自己的多物理耦合铺平了道路。

例如，假设您的压电设备中有一些热源，可以在设备内部产生不均匀的温度分布。为了建模，您可以添加另一个称为的物理接口固体中的传热在模型树中，并开出​​适当的热源和下沉以找出温度曲线。然后您可以添加一个热膨胀由于温度变化，在多物理节点下分支以计算设备不同部位的其他菌株。

这多物理>热膨胀分支伴侣固体中的传热和固体力学接口。压电材料特性也可能具有温度依赖性。您可以将这些特性表示为温度的功能，让多物理>温度耦合分支传递了与建模几何形状中温度分布有关的信息固体力学甚至是静电分支，从而产生其他多物理耦合。

模型树的一部分，显示了物理界面和多物理耦合，您可以用来将压电建模与热膨胀和温度依赖性材料特性相结合。

启用或禁用多物理耦合

类似于添加更多的物理和多物理耦合，也可以禁用一个或多个多物理耦合，甚至可以禁用模型树中显示的任何物理接口。这对于调试大型和复杂的模型可能非常有帮助。

左侧的模型树显示了一个压电效应多物理耦合的场景。右侧的模型树显示了一个场景静电物理接口被禁用。

例如，您可以禁用多物理学>压电效应分支并解决固体力学和静电物理学以无耦合的意义接口。您也可以通过禁用固体力学或者静电界面。

进行此类案例研究可能有助于评估如果没有压电材料，设备将如何响应某些投入。这种方法也可以用于评估压电材料的等效结构刚度或等效电容。

您也可以从仅添加一个组成物理学开始，说固体力学，在进行一些初始结构分析之后，继续添加静电一旦您准备添加压电材料的效果，就可以与模型树的物理接口接口。

在这种情况下，当您添加静电物理在现有固体力学模型树中的物理学，Comsol软件将自动添加多物理节点。从那里，您可以手动添加压电效应分支。请注意，如果您采用这种方法来手动添加组成物理接口和多物理效果，则还必须手动将压电建模域添加到固体力学>压电材料， 这静电>电荷保护，压电，和多物理学>压电效应分支。

以类似的方式，您可以根据您的需求继续在模型中添加更多物理接口和多物理耦合。

其他资源

要了解有关在comsol软件环境中建模压电设备建模的更多信息，我们鼓励您参考这些资源：

• 压电特征概述
• 声学模块用户指南
• MEMS模块用户指南
• 结构力学模块用户指南