WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
621.382.8(075) № 4045 М 545 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ “ОБРАЗОВАНИЕ” (2006 – 2007 гг.) Учебно-методическое пособие МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ В ПРОГРАММЕ ANSYS Для студентов специальностей 210108 Микросистемная техника, 210202 Проектирование и технология электронно-вычислительных средств, 210601 Нанотехнология в электронике и направлений 210100 Электроника и микроэлектроника, 210200 Проектирование и технология электронных средств, 210600 Нанотехнологии Таганрог 2007 КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ УДК 621.382.82(07.07) + 681.325.5 – 181.48(07.07) Составители: И.Е. Лысенко, И.В. Куликова, Е.В. Полищук, В.А. Хайрулина Учебно-методическое пособие "Моделирование элементов микросистемной техники в программе ANSYS".– Таганрог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007.– 42 с.

В данной работе излагаются сведения, необходимые для проведения статического, модального, гармонического и теплового анализов микромеханических элементов микросистемной техники, моделирования течения жидкости в капиллярах микролабораторий-на-кристалле с помощью программы ANSYS/ED ver.5.6. Описаны маршруты создания геометрических моделей элементов микросистем методом «снизу-вверх» и «сверху-вниз». Показаны способы создания конечно-элементных моделей, наложения граничных условий, параметров решения и просмотра результатов расчетов с помощью постпроцессоров General Postpro и TimeHist Postpro.

Ил. 57. Библиогр.: 5 назв.

Рецензент В.В.Поляков, канд. техн. наук, доцент кафедры ТМиНА ТТИ ЮФУ.

ВВЕДЕНИЕ Микросистемная техника (МСТ) является в настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений микроэлектроники и предполагает изготовление в едином технологическом цикле не только интегральных схем обработки данных, но также интегральных устройств сбора информации (микросенсоров) и исполнительных механизмов (микроактюаторов).

Разработка и исследование компонентов современных микрооптикоэлектромеханических систем связаны с решением задач математической физики, к которым относят задачи теплопроводности, диффузии, электростатики и электродинамики, задачи о течении жидкости, о распределении плотности электрического тока в проводящей среде, задачи о деформациях твердых тел и многие другие.

Подобные задачи описываются дифференциальными уравнениями в частных производных с дополнительными уравнениями, выражающими граничные и начальные условия. Нахождение точного аналитического решения, к сожалению, возможно лишь для весьма ограниченного круга одномерных задач при использовании целого ряда допущений. Для решения уравнений математической физики в случае нескольких измерений используют численные методы, позволяющие преобразовать дифференциальные уравнения или их системы в системы алгебраических уравнений. Точность решения определяется шагом координатной сетки, количеством итераций и разрядной сеткой компьютера.

В учебном пособии рассмотрены возможности программного комплекса ANSYS\ED ver.5.6 применительно к статическому, модальному и гармоническому анализу микромеханических элементов МСТ, проведению моделирования тепловых процессов, моделированию течения жидкости в капиллярах микрожидкостных систем МСТ.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ ANSYS Программный комплекс ANSYS представляет собой многоцелевой пакет для решения сложных проблем физики и механики, предназначенный для расчета задач механики деформируемого твердого тела (МДТТ), температурных задач, задач механики жидкости и газа, а также расчета электромагнитных полей. Кроме того, комплекс обладает возможностью расчета связанных задач, в которых результаты расчета для одной среды (например, поля температур) могут быть использованы в качестве исходных нагрузок для расчета других сред (например, для вычисления распределения напряжений в нагретой детали). Многоцелевая направленность программы позволяет использовать одну и ту же модель для решения связанных задач [1-5].

Программа располагает широким перечнем расчетных средств, которые могут учесть разнообразные конструктивные нелинейности; дают возможность решить самый общий случай контактной задачи для поверхностей; допускают наличие больших (конечных) деформаций и углов поворота; позволяют выполнить интерактивную оптимизацию и анализ влияния электромагнитных полей, получить решение задач гидроаэродинамики и многое другое – вместе с параметрическим моделированием, адаптивным перестроением сетки и обширными возможностями создания макрокоманд с помощью языка параметрического программирования (APDL) [1-5].

Средства твердотельного моделирования включают в себя представление геометрии конструкции, основанное на использовании сплайновой технологии, геометрических примитивов и операций булевой алгебры [1-5].

Многоцелевые функции комплекса ANSYS обеспечиваются наличием в нем многочисленного семейства отдельных специализированных программ, имеющих много общих функций, однако математическое обеспечение которых рассчитано на решение отдельных классов задач [1-5].

В состав программного комплекса ANSYS входят [1,3]:

– ANSYS/Multiphysics – программа для широкого круга инженерных дисциплин, которая позволяет проводить расчеты в области прочности, распространения тепла, механики жидкостей и газов, электромагнетизма, а также решать связанные задачи;



– ANSYS/Mechanical – программа для выполнения проектных разработок, анализа и оптимизации: решение сложных задач прочности конструкций, теплопередачи и акустики. Эта программа позволяет определять перемещения, напряжения, усилия, температуры, давления и другие параметры, важные для оценки механического поведения материалов и прочности конструкции.

Данная программа является подмножеством ANSYS/Multiphysics;

– ANSYS/Structural – выполняет сложный прочностный анализ конструкций с учетом разнообразных нелинейностей, среди которых геометрическая и физическая нелинейности, нелинейное поведение конечных элементов и потеря устойчивости. Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных моделей. Данная программа является подмножеством ANSYS/Mechanical;

– ANSYS/Thermal – это отдельная программа, выделенная из пакета ANSYS/Mechanical, для решения тепловых стационарных и нестационарных задач;

– ANSYS/LS-DYNA – программа, предназначенная для решения прочностных задач динамики при больших нелинейностях. Эта программа может использоваться для численного моделирования процессов формообразования материалов, анализа аварийных столкновений и ударов при конечных деформациях, включая пробивание, нелинейное поведение материала и контактное взаимодействие элементов конструкции;

– ANSYS/ED – представляет собой программу, обладающую возможностями ANSYS/Multiphysics, но имеющую ограничения по размерам расчетной модели. Эта программа предназначена для учебных целей.

Решение задач с помощью программы ANSYS состоит из трех этапов:

препроцессорная подготовка (Preprocessing), получение решения (Solving the equation) и постпроцессорная обработка результатов (Postprocessing) [1-5].

На стадии препроцессорной подготовки выполняется выбор типа расчета, построение модели и приложение нагрузок (включая граничные условия). На данном этапе задаются необходимые для решения исходные данные. Пользователь выбирает координатные системы и типы конечных элементов, указывает упругие постоянные и физико-механические свойства материала, строит твердотельную модель и сетку конечных элементов, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки, задает уравнения связи и ограничения.

Можно также использовать модуль статического учета для оценки ожидаемых размеров файлов и затрат ресурсов памяти [1-5].

Комплекс ANSYS позволяет создавать непосредственно сетку конечных элементов (то есть узлы и элементы), а также геометрическую модель, на основе которой далее создается сетка конечных элементов [1-5].

Этап приложения нагрузок и получение решения включает в себя задание вида анализа и его опций, нагрузок, шага решения и заканчивается запуском на счет конечно-элементной задачи [1-5].

Программа ANSYS предусматривает два метода решения задач, связанных с расчетом конструкций (Structural problems): h-метод и p-метод. h-метод может применяться при любом типе расчетов (статический, динамический, тепловой и т.п.), а p-метод – только в линейном статическом анализе. Кроме того, h-метод требует более частой сетки, чем p-метод [1,3].

На этапе постпроцессорной обработки результатов пользователь может обратиться к результатам решения и интерпретировать их нужным образом [2].

Результаты решения включают значения перемещений, температур, напряжений, деформаций, скоростей и тепловых потоков.

Итогом работы программы на постпроцессорной стадии является графическое и (или) табличное представление результатов [1-5].

Комплекс ANSYS также включает в себя модуль импорта геометрической информации, предназначенный для импорта файлов, содержащих информацию о геометрических моделях, созданных иными комплексами (например, редактором топологии L-Edit системы автоматизированного проектирования Tanner Pro) [1-5].

2. СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Целью статического анализа является определение перемещений микромеханических компонентов под действием внешних воздействий, например, ускорений.

Для проведения статического анализа отклонения консольной балки (с размерами 100 мкм х 10 мкм х 10 мкм) под действием внешнего ускорения необходимо выполнить следующие этапы:

10. Задать тип конечного элемента. В главном меню выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete. В диалоговой панели Element Type щелкнуть левой клавишей манипулятора «мышь» на кнопке Add. На экране появится диалоговая панель Library of Element Type. Выбрать следующий элемент: Structural – Solid – Brick 8 node 45 (рис. 1). Закрыть все открывшиеся окна.

Рис. 1. Диалоговая панель Library of Element Type 20. Задать свойства материала. В главном меню выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Material Props Constant – Isotropic…. В появившемся диалоговом окне Isotropic Material Properties задать номер материала и щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке ОК. В появившемся окне задать свойства материала. Для проведения модального анализа механических компонентов необходимо задать модуль Юнга (Young’s modulus), коэффициент Пуассона (Poisson’s ratio) и плотность материала (Density) (рис. 2). Закрыть все открывшиеся окна.

30. Создание геометрической модели методов «снизу-вверх». При создании геометрических моделей методом «снизу-вверх» вначале создаются точки, затем поверхности и объемы. В главном меню необходимо выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Modeling – Create Keypoints In Active CS. В диалоговой панели Create Keypoints in Active Coordinate System в поле NPT Keypoint number необходимо указать номер точки, в поле X,Y,Z, Location in active CS – координаты точки по осям X,Y,Z (рис. 3). Аналогичным образом создаются остальные семь точек. На рис. 4 представлено графическое окно с созданными восьмью точками консольной балки.





Рис. 2. Диалоговая панель Isotropic Material Properties Рис. 3. Диалоговая панель Create Keypoints in Active Coordinate System Y Z X Рис. 4. Консольная балка (точки) На основе точек могут быть созданы грани, поверхности и объемы.

Причем поверхности могут быть созданы на основе граней или точек, а объемы – на основе поверхностей и точек. Для построения граней на основе точек необходимо выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Modeling – Create Lines Straight Line. С помощью панели указания необходимо выбрать в графическом окне две точки и левой клавишей «мыши» щелкнуть по кнопке ОК. На рис. 5 представлены грани, созданные на основе точек 1-2, 2-3, 3-4, 1-4, 5-6, 6-8, 7-8, 5-7.

LLY LZ X LLLLLРис. 5. Грани балки, созданные на основе точек Для создания поверхностей на основе точек необходимо выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Modeling – Create Areas Arbitrary Through KPs. С помощью панели указания необходимо выбрать в графическом окне программы ANSYS четыре точки и щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке ОК. На рис. 6 представлена поверхность, созданная на основе точек 3-4-7-8.

Y LZ X LALLРис. 6. Поверхность балки, созданная на основе точек Для создания поверхностей на основе граней необходимо выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Modeling – Create Areas Arbitrary by Lines. С помощью панели указания необходимо выбрать в графическом окне четыре грани и щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке ОК. На рис. 7 представлена поверхность, созданная на основе линий.

Y LZ X LALL8 LALL5 LРис. 7. Поверхность балки, созданная на основе линий Для создания объема на основе точек необходимо выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Modeling – Create Volumes Arbitrary Through KPs. С помощью панели указания необходимо выбрать в графическом окне четыре точки и щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке ОК. На рис. 8 представлен объем, созданный на основе точек.

Y Z X Рис. 8. Объем, созданный на основе точек 40. Создание конечно-элементной модели балки. В главном меню выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Preprocessor Meshing – Mesh Volumes – Mapped 4 to 6 sides. Выбрать геометрическую модель балки и в окне Mesh Volumes щелкнуть левой кнопкой «мыши» на кнопке ОК. В графическом окне программы ANSYS появится конечно-элементная модель балки (рис. 9). Закрыть все открывшиеся окна.

Y Z X Рис. 9. Сеточная модель консольной балки 50. Наложить граничные условия. В главном меню выполнить следующую последовательность действий: Main Menu Solution Loads – Apply Structural – Displacement On Areas. В графическом окне выбрать одну из сторон балки и в панели указания Apply U,ROT on Areas щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке ОК. В появившейся диалоговой панели в графе DOFs to be constrained выбрать All DOFs (все степени свободы), в графе Apply as – Constant value (постоянная величина), и в графе Displacement value ввести 0 (рис. 10). Нажать кнопку ОК. В графическом окне появится сеточная модель балки с граничными условиями (рис. 11). Закрыть все открывшиеся окна.

60. Задание типа анализа действий: Main Menu Solution Analysis Type – New Analysis…. В появившемся окне выбрать Static и нажать на кнопке ОК (рис. 12).

Рис. 10. Диалоговая модель Apply U,ROT on Areas Рис. 11. Сеточная модель консольной балки с граничными условиями 70. Задание величины и направления вектора внешнего ускорения. В главном меню необходимо выполнить следующие действия: Main Menu Solution Loads – Apply Gravity. В появившейся диалоговой панели в графах ACELX Global Cartesian X-comp и ACELY Global Cartesian Y-comp и ACELZ Global Cartesian Z-comp ввести величину ускорения по осям X, Y, Z (рис. 13).

Направление вектора ускорения определяется знаками (+) или (–) в соответствующих полях.

80. Решение. В главном меню необходимо выполнить следующие действия: Main Menu Solution Solve – Current LS. После выполнения решения на экране появится информационное окно (рис. 14). Для продолжения работы необходимо щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке Close.

Рис. 12. Диалоговая панель New Analysis Рис. 13. Диалоговая панель Apply (Gravitational) Acceleration 90. Просмотр напряженно-деформированного состояния. В главном меню необходимо выполнить следующие действия: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot – Nodal Solu…В появившейся диалоговой панели Contour Nodal Solution Data в графе Item to be contoured выбрать DOF solution – Translation USUM и щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке ОК (рис. 15). В графическом окне программы ANSYS отобразится напряженнодеформированное состояние балки (рис. 16). Для сохранения результатов расчета в графическом виде необходимо выполнить следующую последовательность действий: Utility Menu PlotCtrls Write Metafile Invert White/Black. В появившемся на экране меню необходимо выбрать папку, в которой необходимо сохранить файл и ввести имя файла. Закрыть все открывшиеся окна.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.