Points forts de COMSOL Multiphysics^® 6.1

Mises à jour du module MEMS

Pour les utilisateurs du module MEMS, la version 6.1 de COMSOL Multiphysics^® apporte deux nouvelles interfaces multiphysiques, des améliorations de la modélisation du contact et plusieurs nouveaux tutoriels. Découvrez ces mises à jour ci-dessous.

Interfaces multiphysiques pour la piézoélectricité et la pyroélectricité

Une nouvelle interface multiphysique Pyroélectricité est disponible sous le noeud AC/DC de l'assistant de modélisation. Elle combine les interfaces Electrostatique et Transfert de chaleur dans les solides avec le nouveau couplage multiphysique Pyroélectricité. Elle peut être utilisée pour simuler la polarisation électrique dans les diélectriques solides générée par des variations de température. De même une nouvelle interface multiphysique Piézoélectricité et pyroélectricité est disponible sous le noeud Mécanique des structures de l'assistant de modélisation. Elle combine les interfaces Mécanique du solide et Transfert de chaleur dans les solides avec les couplages multiphysiques Effet piézoélectrique, Dilatation thermique et Pyroélectricité. Ceci peut être utilisé pour simuler la polarisation électrique dans un matériau piézoélectrique générée par des variations de température. Cette interface est utilisée dans le nouveau modèle Détecteur pyroélectrique, qui illustre le fonctionnement d'un détecteur pyroélectrique présent dans les instruments de mesure d'énergie laser.

Un disque de niobate de lithium (LiNbO₃) dans un détecteur pyroélectrique. La surface au-dessus du disque représente l'énergie laser absorbée et les couleurs indiquent la distribution instantanée de la température. Les flèches rouges et vertes représentent respectivement le flux de chaleur et la polarisation spontanée.

Nouveaux tutoriels

Modes normaux d'un résonateur polarisé - Géométrie 3D à partir d'un fichier GDS

Lors de la modélisation d'un dispositif MEMS ou semi-conducteur avec une structure 3D complexe, la construction de la géométrie peut prendre beaucoup de temps. La construction peut nécessiter l'assemblage de nombreuses formes primitives dans une procédure qui ne correspond pas aux processus de dépôt et de fabrication du motif avec des matériaux distincts, couche par couche. Ce tutoriel montre comment construire une géométrie 3D plus efficacement en utilisant une méthode couche par couche qui reproduit la fabrication d'un dispositif MEMS. En important des modèles à partir d'un fichier GDS à l'aide du module d'import ECAD et en utilisant les opérations disponibles dans le module Design, le nombre de paramètres et d'étapes pour définir la géométrie est sensiblement réduit.

Vous pouvez télécharger le modèle à partir de la Bibliothèque d'Applications.

La structure du résonateur polarisé, construite couche par couche en important un fichier GDS et en utilisant les opérations disponibles dans le module Design.

Vibrations d'un micromiroir précontraint: couplage thermoviscosité-thermoélasticité

Ce nouveau tutoriel analyse le fonctionnement d'un micromiroir précontraint, y compris les pertes dues à l'effet thermoélastique et l'interaction avec l'air environnant. Il montre l'utilisation du couplage multiphysique Acoustique thermovisqueuse-frontière thermoélastique (disponible dans le module Acoustics) pour modéliser de façon très détaillée les pertes thermovisqueuses dans les problèmes d'interaction acoustique-structure. Il capture l'effet d'une condition thermique non idéale à l'interface fluide-structure, ce qui est important dans les applications MEMS. Le modèle utilise également l'interface Thermoélastique pour calculer les pertes mécaniques dues au transfert thermique irréversible induit par l'effet thermoélastique, ce qui peut être particulièrement important pour les structures de taille micrométrique.

Vous pouvez télécharger le modèle à partir de la Bibliothèque d'Applications.

Perturbations de la température dans la structure du micromiroir et dans le domaine de l'air environnant pour le mode de vibration de 600 Hz.

Transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné

Ce modèle démontre le fonctionnement d'un transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné (CMUT), un récepteur à l'échelle microscopique qui convertit les ultrasons en signal électrique pour les applications d'imagerie à haute résolution. Le transducteur est connecté à un circuit externe, et un chargement en perturbation harmonique représente l'énergie ultrasonore. Le modèle analyse le design d'un CMUT avec des caractéristiques force-déplacement optimisées pour une efficacité accrue. Une mesure importante à améliorer est le facteur d'uniformité du déplacement, qui peut être calculé à l'aide d'une étude dans le domaine fréquentiel, avec précontrainte. Ce design particulièr fait progresser une technologie d'imagerie médicale bien établie, dominée par les transducteurs piézoélectriques, et promet une miniaturisation et une résolution plus élevée. Le dispositif peut être fabriqué à l'aide de la technologie éprouvée CMOS-MEMS 0.35 μm.

Vous pouvez télécharger le modèle à partir de la Bibliothèque d'Applications.

Un CMUT composé de couches alternées de diélectrique (dioxyde de silicium) et de métal (aluminium) qui sont structurées par lithographie. Il y a trois couches diélectriques, quatre couches métalliques et une couche de passivation en nitrure (cachée) qui peut répondre à la pression externe et protège le dispositif de l'environnement extérieur. Les couleurs indiquent le déplacement de l'électrode incorporée.

Mandrin électrostatique

Ce modèle montre le fonctionnement d'un mandrin électrostatique utilisé pour fixer un wafer sur une surface à température contrôlée pendant le traitement des wafers. Le modèle calcule le refroidissement du wafer en fonction de la pression en utilisant les couplages Forces électromécaniques, _Interaction fluide-structure, Ecoulement non isotherme et Dilatation thermique. Les mandrins électrostatiques (e-chucks) jouent un rôle important dans divers équipements de traitement des wafers. Au lieu d'un serrage mécanique, un e-chuck utilise une force électromécanique pour fixer un wafer sur une surface à température contrôlée pendant le procédé. Dans ce modèle, une force électrostatique s'oppose à la pression de l'hélium qui circule dans l'espace entre le wafer et le mandrin électrostatique pour assurer une conduction thermique efficace dans un environnement à faible pression.

Vous pouvez télécharger le modèle à partir de la Bibliothèque d'Applications.

Un modèle de mandrin électrostatique, montrant la section transversale du wafer déformé (visuellement exagéré). Les couleurs sur la surface du mandrin indiquent la température de la tranche et les couleurs dans le canal de gaz indiquent la vitesse du gaz.

Améliorations de la modélisation en contact

Plusieurs ajouts et améliorations ont été apportés à la fonctionnalité de modélisation des contacts, incluant:

Un nouvel algorithme de recherche de contact, plus rapide, a été mis en oeuvre. Il est particulièrement avantageux pour les modèles 3D de grande taille. La méthode de Nitsche, une nouvelle méthode pour formuler les équations de contact, a été ajoutée. Il s'agit d'une méthode robuste qui n'ajoute pas de degrés de liberté supplémentaires. De nouvelles formulations plus stables des équations de contact ont été ajoutées pour tous les modèles de contact. Les formulations ont été améliorées pour les coques et les membranes, où la surface réelle des géométries courbes est utilisée. La prise en charge de l'autocontact a été améliorée. La formulation est désormais symétrique entre les deux côtés de la paire de contacts.

Animation d'une conduite élastoplastique forcée dans un trou conique. L'auto-contact se produit à plusieurs endroits.

Interface de mécanique du solide en 1D

L'interface Mécanique du solide est désormais disponible pour les composants 1D et 1D axisymétriques et ne nécessite aucun produit supplémentaire pour utiliser les fonctionnalités de base. Dans les directions transversales, différentes combinaisons de contraintes planes, de déformations planes et de déformations planes généralisées peuvent être sélectionnées. Il existe plusieurs applications multiphysiques, par exemple dans le domaine de la modélisation des batteries, l'acoustique et l'interaction thermique-structure, où un modèle 1D peut être utile pour fournir des informations importantes sur un phénomène physique. Notez que la fonctionnalité pour les contraintes d'insertion dans les batteries est incluse dans le module Battery Design. Pour une modélisation plus avancée, des fonctionnalités supplémentaires sont disponibles avec le module Structural Mechanics, le module MEMS, le module Multibody Dynamics ou le module Acoustics.

Un problème couplé thermique–structure avec contact en 1D-axisymétrique. Notez que la représentation sous-jacente ici consiste simplement en des éléments 1D le long d'une ligne, alors que les résultats sont étendus à une géométrie circulaire pour une meilleure visualisation.

Essais mécaniques des lois de comportement matériau

Pour les lois de comportement matériau complexes, en particulier celles qui sont définies par l'utilisateur, il est important d'étudier le comportement d'un modèle dans diverses conditions de chargement. La nouvelle fonctionnalité Essai mécanique de l'interface Mécanique du solide permet de configurer automatiquement un modèle à un unique élément avec des conditions aux limites appropriées et des étapes d'étude pour plusieurs conditions de chargement différentes. Le chargement peut être quasi-statique ou dépendant du temps, monotone ou cyclique. Vous pouvez voir cette nouvelle fonctionnalité dans les modèles mis à jour Compression isotrope avec modèle de matériau Cam-Clay modifié et Fluage primaire sous chargement non constant.

Courbes de contrainte-déformation pour quatre essais fondamentaux différents d'un modèle de matériau.

Matériaux sur les frontières des solides

Une large gamme de modèles de matériaux linéaires et non-linéaires est maintenant disponible pour être utilisée sur des frontières internes ou externes. Cela peut être utilisé par exemple pour modéliser des couches de colle, des joints ou des revêtements. Ces couches peuvent utiliser différentes hypothèses, allant de la 3D complète à des déformations uniquement dans le plan. Avec le module Composite Materials, les matériaux sur frontières peuvent être multicouches. Le modèle existant Echauffement d'un circuit illustre ce nouvel ajout.

Contraintes dans un joint entre deux brides de tubes.

Interfaces multiphysiques pour l'amortissement en couches minces

Deux nouvelles interfaces multiphysiques pour l'amortissement en couches minces ont été ajoutées: Amortissement par film mince, solide et Amortissement par film mince, coque. Elles combinent une interface Ecoulement en film mince avec Mécanique du solide ou Coque, respectivement. Il existe également deux nouveaux couplages multiphysiques qui facilitent cette opération: Interaction structure - écoulement en film mince et Interaction coque - écoulement en film mince. Ces couplages ne sont pas limités à l'amortissement en couche mince; vous pouvez également les utiliser pour modéliser, entre autres, la lubrification et la cavitation.

Amortissement du gaz par un film comprimé dans un accéléromètre. Le graphique en couleur montre la pression du gaz sur deux surfaces pour le domaine solide.

Analyse de flambage avec chargements exclus

Lors de la recherche d'un chargement critique de flambage, il existe certaines situations où il y a plus d'un système de chargements et où l'un d'entre eux peut être considéré comme fixe. Par exemple, une force de gravité peut être considérée comme fixe (un chargement exclu), alors qu'une chargement de service peut être considéré comme non fixe (un chargement inclus). Même si l'on souhaite seulement calculer le niveau critique d'un chargement de service, le chargement exclu influencera toujours le risque de flambage. Ce type d'analyse est maintenant intégré et est illustré par le nouveau modèle Etude de flambage linéaire d'une tour en treillis avec des chargements exclus de l'analyse.

Les réglages du solveur pour une analyse de flambage linéaire permettent désormais de traiter une combinaison de chargements inclus et exclus. Dans l'exemple, la précontrainte dans les haubans et le poids propre de la tour sont considérés comme des chargements exclus, tandis qu'une force au sommet constitue le chargement inclus.

Nouvelle méthode de connexion des assemblages

La méthode de Nitsche a été ajoutée pour imposer la continuité entre les frontières dans les assemblages. Elle présente deux avantages importants par rapport aux contraintes classiques:

• Elle provoque beaucoup moins de perturbations locales dans la solution lorsque les maillages des deux côtés ne sont pas conformes.
• Comme aucune contrainte n'est ajoutée, l'élimination des contraintes est évitée, ce qui est numériquement sensible et parfois intense en ressources de calcul.

Comparaison entre la perturbation locale des contraintes lors de l'utilisation d'une contrainte classique et la nouvelle méthode de Nitsche pour connecter des maillages non connexes.

Améliorations en sous-structuration dynamique

Il est désormais possible d'utiliser des éléments coque dans les analyses de sous-structuration dynamique (CMS). Il y a également plusieurs améliorations générales qui facilitent la mise en place de modèles d'analyses CMS.

Une étude de la dynamique d'une machine à laver. Le temps d'analyse est réduit d'un facteur 2 lorsque l'enceinte représentée en coque est réduite à un composant CMS.

Excitation de la base

Il est courant que le chargement dynamique d'une structure consiste en une certaine accélération de tous ses points d'appui. C'est le cas, par exemple, lorsqu'une pièce est fixée à une table vibrante pour être testée ou lorsqu'un bâtiment est soumis à une accélération au niveau du sol de longueur d'onde élevée. Ce type de chargement peut désormais être décrit plus naturellement à l'aide de la nouvelle fonctionnalité Excitation de la base. Elle est bien adaptée à l'analyse de vibrations aléatoires. Cette nouveauté est utilisée dans les modèles existants Réponse aux chocs d'une carte mère et Test de vibration aléatoire d'une carte mère.

Un exemple d'utilisation de la fonctionnalité Excitation de la base, où trois densités spectrales de puissance (DSP) d'entrée sont utilisées dans une analyse de vibration aléatoire. L'excitation de la base est une propriété de l'ensemble du modèle, cette fonctionnalité ne comporte donc pas de sélection.

Chargement sous forme de résultante

Pour les chargements sur frontière et les ensembles de chargements ponctuels, vous pouvez désormais spécifier la force et le moment totaux par rapport à un point donné en sélectionnant l'option Résultante dans la liste Type de charge. Cela facilite l'application des résultantes de chargement sans avoir à imposer des contraintes artificielles ou à effectuer de longs calculs des distributions de chargement réels. Il est possible de contrôler la forme supposée de la distribution de la charge.

Un chargement en flexion exprimé comme une résultante de moment est appliqué à l'extrémité d'une poutre modélisée comme un solide 3D. La distribution réelle du chargement est représentée par des flèches.

Nouvelles options pour les matériaux anisotropes

Pour la fonctionnalité Matériau élastique linéaire, plusieurs nouvelles options de saisie des constantes élastiques ont été ajoutées:

• Les matériaux orthotropes peuvent maintenant être décrits par des données cristallines pour sept types de systèmes cristallins différents: cubique, hexagonal, trigonal à six constantes, trigonal à sept constantes, tétragonal à six constantes, tétragonal à sept constantes et orthorhombique.
• Il existe une option pour les matériaux transversalement isotropes, ce qui réduit le nombre de paramètres d'entrée pour cette classe de matériaux.
• Un matériau anisotrope peut maintenant, en plus de la matrice d'élasticité, être représenté par sa matrice de compliance.

L'interface utilisateur pour la saisie des données d'élasticité à l'aide d'un système cristallin.

Améliorations pour les connecteurs rigides

Le Connecteur rigide est un outil important pour la modélisation abstraite, par exemple pour appliquer des chargements et connecter des objets. Ses fonctionnalités ont été améliorées à trois égards :

• Il est désormais possible de déconnecter certains degrés de liberté, par exemple dans des directions données par un système de coordonnées local. Grâce à cette option, il est possible de libérer des contraintes excessives et de réduire les concentrations de contraintes locales.
• Pour les connecteurs rigides à deux points en 3D, il est possible de supprimer automatiquement la singularité potentielle de rotation.
• Comme nouveau réglage par défaut, les degrés de liberté qui sont générés par les connecteurs rigides sont maintenant regroupés dans la séquence d'étude. Cela réduit de façon importante le nombre de noeuds dans l'arborescence du modèle et facilite également l'application d'une mise à l'échelle manuelle pour la tolérance de convergence. Le même changement s'applique également à la fonction de Connexion.

Effets des degrés de liberté relaxés. Le réducteur à pression interne possède un connecteur rigide à son extrémité, comme le montre la surface marron de la figure la plus à gauche. Avec une formulation standard, l'hypothèse de rigidité maintient le rayon constant, comme le montre la figure du milieu. Dans la figure la plus à droite, le déplacement radial est relaxé dans le connecteur rigide. Il est toujours possible, par exemple, d'appliquer des chargements dans n'importe quelle direction ou de se connecter à d'autres domaines.

Résultats dans les systèmes de coordonnées locales

Il est maintenant facile de définir un nombre arbitraire de systèmes de coordonnées locales en ajoutant des nœuds Résultats en systèmes locaux pour l'évaluation des quantités communes dans les interfaces Mécanique du solide. Parmi les quantités transformées disponibles, vous trouverez les contraintes, les déformations, les déplacements et les propriétés des matériaux.

Déformation directe dans la direction globale x et dans la direction azimutale pour une géométrie à symétrie cylindrique.

Condition limite de Fracture pour les ondes élastiques

La nouvelle condition limite de Fracture, disponible dans l'interface physique Ondes élastiques, explicite en temps, est utilisée pour traiter deux domaines élastiques avec une liaison imparfaite. La fracture peut être une couche élastique mince, une couche remplie de fluide ou une discontinuité dans les matériaux élastiques (une frontière interne). Plusieurs options existent pour spécifier les propriétés du domaine élastique mince. Les applications typiques sont la modélisation des applications de contrôle non destructif (CND), comme l'inspection de la réponse des régions de délamination ou d'autres défauts, ou la modélisation de la propagation des ondes dans les milieux solides fracturés dans l'industrie pétrolière et gazière.

Graphiques prédéfinis

La fonctionnalité générale de graphiques prédéfinis a apporté des nouveautés importantes aux interfaces de Mécanique des structures. Un graphique prédéfini est similaire à un graphique par défaut, mais avec la différence importante qu'il n'est pas ajouté au Constructeur de Modèles avant que l'utilisateur ne le choisisse. Le nombre de graphiques par défaut générés pour chaque étude a donc été notablement réduit.

Les utilisateurs constateront également les deux améliorations suivantes:

• Plusieurs nouveaux graphiques utiles sont maintenant disponibles à partir du menu Ajouter des graphiques prédéfinis, en plus des graphiques par défaut des versions précédentes.
• Les graphiques de résultats pour les étapes intermédiaires de l'étude, par exemple l'étape de chargement dans une analyse dynamique précontrainte, sont directement disponibles.

La fenêtre Ajout de graphique prédéfini dans le modèle Connexion de tube.