WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
621.382.8(075) № 4045-2 М 744 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» Учебно-методическое пособие МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ В ПРОГРАММЕ ANSYS ЧАСТЬ II 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 2009 КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ УДК 621.382.82(07.07) + 681.325.5 – 181.48(07.07) Составители: И.Е. Лысенко, М.А. Денисенко, Е.В. Шерова, Н.К. Приступчик Учебно-методическое пособие "Моделирование элементов микросистемной техники в программе ANSYS. Часть II".– Таганрог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2009.– 28 с.

В данной работе излагаются сведения, необходимые для проведения электростатического анализа компонентов микросистемной техники с помощью программы ANSYS. Описан маршрут создания электрической и механической моделей электромеханического микропреобразователя. Показаны способы создания конечно-элементных моделей, наложения граничных условий и просмотра результатов расчетов при решении связанной задачи. Рассмотрены особенности выполнения трехмерного электростатического анализа микропреобразователей.

Ил. 23. Библиогр.: 6 назв.

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

ВВЕДЕНИЕ C середины 80-х годов прошлого века одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений является микросистемная техника (МСТ), возникшая на стыке электроники, механики и оптики, включающаяся в себя сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее недостижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологий.

Микроэлектромеханическими системами (МЭМС), называют устройства с интегрированными в объеме или на поверхности твердого тела электронными и микромеханическими структурами. Статическая или динамическая совокупность этих структур обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и механического движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, передачи и хранения информации. Интеграция МЭМС с оптическими компонентами позволило выделить отдельный класс компонентов микросистем, названный микрооптикоэлектромеханическими системами (МОЭМС).

Для расчета данных микросистем используются дифференциальные уравнения 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 рассмотрен маршрут решения связанной задачи на примере электростатического анализа электромеханического микропреобразователя.

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) [1-3].

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. hметод 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].

Программа допускает два режима работы: пакетный (Batch) и интерактивный (Interactive) [1-5].

Пакетный режим – работа программы ANSYS задается программой пользователя. Первая строка в файле должна быть /batch, обозначающая пакетный режим работы. Этот режим особенно эффективен при решении задач, не требующих постоянной связи с компьютером.

Интерактивный режим предполагает постоянное взаимодействие с компьютером: запуск команды пользователем, выполнение ее программой;

задание другой команды пользователем и выполнение ее программой и т.д.

Если вы ошибетесь, можно исправить ошибку, повторно правильно набрав команду. Данный режим позволяет использовать наиболее подходящие свойства графического режима, построчной подсказки, системного меню и графического набора.

Типы основных файлов, создаваемых и используемых программой ANSYS [1-3]:

*.db – файл базы данных программы;

*.dbb – резервный файл базы данных программы;

*.elem – файл данных сетки;

*.emat – файл матрицы элементов;

*.err – файл ошибок, содержит все ошибки и предупреждения, выданные программой в процессе решения;

*.esav – файл, содержащий данные об элементах, применяемых при выполнении нелинейных расчетов;

*.full – файл, содержащий глобальные матрицы жесткости и масс;

*.grph – файл графики;

*.iges – файл с данными геометрической модели;





*.inp или *.dаt – файл ввода программы при пакетном (batch) режиме работы;

*.log – протокольный (журнальный) файл, хранящий историю работы в виде ANSYS команд, т. е. полная запись программы (текстовый файл) на всех этапах решения зад (препроцессор, решение, постпроцессор);

*.mac – файл с макрокомандами;

*.mp – файл с данными материалов;

*.node – файл с координатами узлов сетки;

*.out – выходной текстовый файл с макрокомандами ANSYS;

*.rst – файл, содержащий результаты расчета задач МДТТ;

*.rth – файл, содержащий результаты теплового анализа;

*.rmg – файл, содержащий результаты электромагнитного анализа;

*.rf1 – файл, содержащий результаты гидродинамического анализа;

*.snn – файл шага нагрузок, применяется при последовательном приложении к модели нескольких, отличающихся между собой, наборов нагрузок;

*.tri – файл, содержащий матрицу жесткости, приведенную к треугольному виду.

2. ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС Графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface, GUI) служит для удобства работы пользователя в среде комплекса ANSYS.

Графический интерфейс пользователя включает в себя следующие объекты [1-3]:

1. Меню утилит (Utility Menu).

2. Главное меню (Main Menu);

3. Окно ввода (ANSYS Input);

4. Панели инструментов (ANSYS Toolbar);

5. Графическое окно (ANSYS Graphics);

6. Текстовое окно (Output Window);

Вид Графического интерфейса пользователя показан на рис. 1.

Каждый из объектов Графического интерфейса пользователя (меню, панели инструментов, графическое и текстовое окно и так далее) имеет свои функции. В отдельных случаях, часть этих функций может дублироваться, а соответствующие функциям операции (вызываемые различными командами комплекса) могут вызываться различными способами, из различных составных частей интерфейса (например, из главного меню, меню утилит и панели инструментов) [1-3].

Меню утилит (Utility Menu) содержит команды операций с файлами, активным набором, изображением объектов геометрической и сеточной моделей и результатами расчета, системами координат, параметрами, вызов справки и некоторые другие команды. Это меню, как правило, может использоваться на любых этапах работы с комплексом (при создании геометрической и сеточной модели, при выполнении вычислений и при анализе результатов) [1-3].

Главное меню (Main Menu), является основным средством работы с комплексом ANSYS. Каждая строка главного меню соответствует одному из модулей комплекса ANSYS: препроцессору, модулю проведения расчета, двум постпроцессорам, модулям проведения оптимизации и т.д.

Рис. 2.1. Графический интерфейс пользователя Описание работы с комплексом ANSYS является описанием последовательного выполнения команд, вызываемых преимущественно из главного меню.

Панели инструментов (ANSYS Toolbar) располагаются ниже меню утилит. Эти панели инструментов вызывают часто применяемые команды, в том числе команды работы с файлами [1-3].

Графическое окно (Graphics Window) позволяет проводить визуализацию созданной геометрической и сеточной моделей, в нем курсором мыши указываются объекты, предназначенные для проведения различных операций, отображаются расчетные объекты [1-3].

Текстовое окно (Output Window) содержит информацию о проведении различных операций, вызове команд и является важным средством обратной связи с комплексом. Обычно текстовое окно расположено позади остальных объектов Графического интерфейса пользователя [1-3].

3. ДВУМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Целью электростатического анализа является определение перемещений упругих элементов электромеханических микропреобразователей под действием электростатических сил и расчет величины и направления вектора напряженности электрического поля. Электростатический анализ относится к виду связанных задач, т.к. в нем последовательно решаются задачи деформации твердых тел и электрических и электромагнитных полей.

Для проведения двумерного электростатического анализа электромеханического микропреобразователя необходимо создать две модели: электрическую и механическую.

3.1. Создание электрической модели проекта Для создания электрической модели электромеханического преобразования необходимо выполнить следующие этапы:

10. Задать типы конечных элементов. 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 конечные элементы в следующей последовательности (рис. 2):

1. Structural – Solid – Quad 4node 42;

2. Electrostatic – 2D Quad 121.

Закрыть все открывшиеся окна.

20. Задать свойства материалов. Для задания свойств структурного материала электромеханического микропреобразователя необходимо в главном меню выполнить следующие последовательности действий:

1. Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropiс;

2. Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Structural Density.

В появившихся диалоговых окнах ввести соответствующие значения постоянных материала и щелкнуть левой клавишей «мыши» на кнопке ОК.

Для проведения данного анализа необходимо задать модуль Юнга (EX), коэффициент Пуассона (PRXY) и плотность материала (DENS).

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.