Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Комп’ютерні науки
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2006
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Автоматизація проектування
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
МОДЕЛЮВАННЯ АКСЕЛЕРОМЕТРА ЄМНІСНОГО ТИПУ
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до лабораторної роботи з курсу
“Автоматизація проектування мікроелектронних систем”
для студентів базового напрямку
6.08.04 “Комп’ютерні науки”
Затверджено
на засіданні кафедри
“Системи автоматизації проектування”
Протокол №
Львів – 2006
Моделювання акселерометра ємнісного типу: Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу “ Автоматизація проектування мікроелектронних систем ” для студентів базового напрямку 6.08.04 “Комп’ютерні науки”.
Укладач Перейма Микола Євгенович
Відповідальний за випуск
Рецензенти
МЕТА РОБОТИ
Мета роботи – Провести моделювання роботи акселерометра ємнісного типу для заданої конструкції.
2. Побудова повної твердотільної моделі акселерометра.
У попередній лабораторній роботі було представлено методику проектування рухомої частини акселерометра. Для побудови повної моделі акселерометра (рухомий електрод, нерухомий електрод, середовище) необхідно побудувати в існуючому проекті нерухомий електрод та середовище, в якому буде функціонувати даний акселерометр. Для цього необхідно:
Побудувати в програмі ANSYS нерухомий електрод акселерометра, котрий розміщений під рухомим електродом акселерометра на відстані 10 мкм, а його розміри такі ж як і у рухомого електрода (Рис. ).
Рис. . Розміщення нерухомого електроду акселерометра
Створити середовище функціонування акселерометра (об’єм). При чому, для забезпечення точності обчислень і адекватності отриманих результатів, лінійні розміри середовища функціонування акселерометра повинні бути принаймні в два рази більші ніж розміри конструкції акселерометра (Рис. ).
Рис. . Модель акселерометра в середовищі функціонування
Створене середовище повинно огинати елементи акселерометра, тому необхідно вирізати елементи акселерометра з об’єму середовища, але так щоб вони не були видалені. Таку операцію можна виконати за допомогою команди меню: Preprocessor->Modeling->Operate->Booleans->Overlap->Volumes->Pick All.
3. Використання послідовно спряженого структурно-електростатичного аналізу для моделювання акселерометра.
Послідовно спряжений фізичний аналіз – це поєднання аналізів з двох різних дисциплін, котрі обмінюються вихідними даними з метою розв’язати глобальну інженерну задачу. Тобто проводиться перший фізичний аналіз, а після нього наступний, причому результати першого аналізу перетворюються в навантаження для наступного. Якщо аналіз є повністю спряжений, то результати другого аналізу змінять певні вхідні дані для наступного аналізу. Уся множина граничних умов та навантажень складається з наступного:
Базові фізичні навантаження, котрі не є функцією іншого фізичного аналізу. Такі навантаження називають номінальними граничними умовами;
Спряжені навантаження, котрі є результатом попередньої фізичної симуляції.
Типові задачі, які можуть бути досліджені з допомогою даного типу аналізу це:
теплові напруження;
індукційне нагрівання;
індукційне керування;
статична рідинно-структурна взаємодія;
магніто-структурна взаємодія;
електро-структурна взаємодія.
Програма ANSYS виконує послідовно спряжені фізичні аналізи використовуючи концепцію фізичного середовища( physics environment). Термін фізичне середовище використовується для позначення створеного файлу з усіма операційними параметрами та характеристиками певного фізичного аналізу і для вмісту цього файлу. Фізичне середовище зберігається у файлі з ASCII кодуванням і створюється за допомогою команд групи:
Main Menu> Preprocessor> Physics> Environment,
Main Menu> Solution> Physics> Environment.
Для довільного проекту може бути визначено до дев’яти фізичних середовищ. Користувач визначає унікальний заголовок для кожного середовища, а програма ANSYS надає кожному фізичному середовищу унікальний номер, як частину його розширення. Рекомендовано використовувати заголовки, що адекватно описуються фізичне середовище, а також відмінний від заголовка проекту.
З допомогою команди Main Menu> Preprocessor> Physics> Environment> Write створюється фізичне середовище (Jobname.PH1, наприклад), в якому записується наступна інформація з бази даних ANSYS:
типи елементів та KEYOPT настройки;
фізичні константи;
властивості матеріалів;
система координат елементів;
настройки аналізу результатів;
опції кроків навантаження;
обмежувальні рівняння;
множина спряжених вузлів;
прикладені граничні умови та навантаження;
настройки графічного інтерфейсу;
заголовок аналізу;
Відтворити фізичне середовище можна за допомогою команди Main Menu> Preprocessor> Physics> Environment> Read. Перед відтворенням середовища програма ANSYS очищає всі граничні умови, навантаження, спряження вузлів, властивості матеріалів, опції аналізу та обмежувальні рівняння, що раніше використовувалися в базі даних.
4.Загальна процедура проведення аналізу
Послідовно-спряжений аналіз може бути проведено як непрямим методом, так і за допомогою фізичних середовищ. У непрямому методі відбувається обробка різних баз даних та файлів результатів. На рис. представлено потік даних типового послідовного аналізу, що виконаний за непрямим методом. Кожна база даних містить відповідну твердотільну модель, елементи, навантаження, тощо. Файл результатів з однієї бази даних передаються в іншу, причому, елемент та кількість вузлів у базі даних та файлі результату повинні бути сумісні.
Рис. . Потік даних у послідовному спряженому аналізі
На рис. . представлено потік даних, що відбувається при використанні фізичних середовищ. В цьому методі використовується єдина база даних для всієї моделі. База даних повинна містити елементи та вузли для всіх фізичних аналізів, а для кожного елемента чи компонента твердотільної моделі множину номерів атрибутів. Вони включають множину номерів типу елемента, номер матеріалу, номер константи та номер системи координат елемента. Усі ці номери будуть залишатися постійними впродовж усього аналізу. Крім того, фактичні властивості асоційовані з даним номером атрибуту можуть змінюватись в різних фізичних середовищах. Певні області моделі можуть бути неактивними для заданих фізичних рішень.
Рис. . Потік даних у послідовному спряженому аналізі при використанні фізичних середовищ
Непрямий метод найкраще підходить для однократного послідовного спряження, наприклад, для типового термопружного аналізу. Використання фізичних середовищ дозволяє швидко перемикатися між фізичними середовищами, що найбільш підходить для повно спряженого сценарію, що вимагає багаторазового проходження фізичних рішень. Типовими задачами є статична структурно-рідинна взаємодія з великими деформаціями або індукційне нагрівання.
5. Виконання послідовного спряженого фізичного аналізу з використанням фізичних середовищ
Етапи виконання аналізу наступні:
Побудова моделі, що забезпечує вимогам кожної з фізичних дисциплін, що використовуються. Необхідно пам’ятати про наступні пункти:
Кожна побудована площина чи об’єм твердотільної моделі повинні відповідати вимогам щодо типу елемента, властивостей матеріалу та констант. Усі елементи трвердотільної моделі повинні мати номери типів елементів, номери множини констант, номери матеріалів та номери координатних систем елементів. (Їхнє значення змінюється відносно фізичного середовища)
Визначені групи площин та об’ємів можуть використовуватися у двох чи більше фізичних середовищах. Тому сітка скінчених елементів повинна задовольняти вимоги цих середовищ.
Створення фізичного середовища. Даний крок виконується для кожної фізичної області, що є частиною послідовно спряженого фізичного аналізу:
Опрацювати документацію по програмі ANSYS для ознайомлення з особливостями проведення певного фізичного аналізу.
Визначення необхідних типів елементів, що будуть використовуватися у фізичному моделюванні (наприклад, ET,1,141 чи ET,2,142, тощо). Встановлення „нульових” типів елементів (Тип = 0, тобто ET,3,0) для використання в областях не призначених (чи не потрібних) для даного фізичного моделювання. Елементи типи яких є „нульовими” ігноруються під час розв’язку.
Зв’язування властивостей матеріалу, множини констант та координатної системи елемента у відповідності попередньо визначених в моделі номерів атрибутів.
Призначення номерів атрибутів для типу елемента, матеріалу, констант та координатної системи елемента з площинами та об’ємами твердотільної моделі.
Прикладення номінальних навантажень та краєвид умов. Такі умови є однаковими для кожного виконання фізичного аналізу впродовж усієї ітераційної процедури.
Настройка опцій розв’язку.
Необхідно вибрати заголовок для фізичного середовища та використати команду Main Menu> Preprocessor> Physics> Environment> Write, щоб записати фізичне середовище.
Очистити базу даних від поточного фізичного середовища, у зв’язку із створенням наступних фізичних середовищ. Дана операція виконується за допомогою команди Main Menu> Preprocessor> Physics> Environment> Clear
Приготувати наступне фізичне середовище за зазначеним вище алгоритмом.
Зберегти базу даних із зазначеними вказівниками на файли фізичного середовища.
Виконання послідовно спряженого аналізу з моделюванням кожного фізичного середовища.
/SOLU ! вхід у меню розв’язку
PHYSICS,READ,Magnetics ! зчитування магнітного середовища
SOLVE
FINISH
/SOLU
PHYSICS,READ,Fluids
LDREAD,FORCE,,,,2,,rmg ! встановлення магнітних сил Лоренца
SOLVE
6. Проведення послідовно спряженого фізичного аналізу на прикладі структурно-електростатичного аналізу мікроакселерометра.
На даному етапі побудована повна твердотільна модель ємнісного акселерометра, котра складається з рухомого, нерухомого електрода та середовища функціонування.
1. Для проведення моделювання роботи акселерометра необхідно задати типи скінчених елементів для структурного та електростатичного середовища. Дана операція виконується командою Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete->Add. У відкритому діалоговому вікні необхідно вибрати та додати наступні типи елементів: Structural(Solid)->Brick(20 node 95)(для структурного аналізу) та Electrostatic->3D Brick 122(для електростатичного аналізу), котрі є сумісні (сумісність необхідно перевіряти у документації по спряженому аналізі).
Рис. . Діалогові вікна для додавання скінчених елементів
Для кожного типу елемента програма ANSYS присвоює відповідний порядковий номер, тому номери доданих типів елементів необхідно запам’ятати для подальшого використання.
2. Після задавання типів скінчених елементів необхідно створити модель матеріалу акселерометра. Приймаємо, що даний акселерометр виготовлений з полікремнію і його фізичні властивості наступні: густина - 2330 кг/м3, модуль Юнга – 1,51х1011 Па, коефіцієнт Пуассона – 0,22. Для цього необхідно виконати команду Preprocessor->Material Models, після чого у групі Structural у властивості Linear->Elastic->Isotropic задати модуль Юнга() та коефіцієнт Пуассона та у тій же ж групі задати густину – Density.
Рис. . Встановлення властивостей матеріалу
Після створення моделі матеріалу необхідно побудувати сітку скінчених елементів для електродів та середовища акселерометра. Побудова сітки буде проводитися на основі об’ємів електродів, а оскільки дані об’єми знаходяться в середовищі необхідно застосувати наступну стратегію виділення. Для цього необхідно командою Utility Menu- >Select->Entities вибрати об’єм середовища, а потім зробити інвертування вибраних об’єктів та перемалювати графічне вікно рис. .
Рис. . Порядок виконання вибору об’ємів що відображають електроди акселерометра
В результаті виконання даних команд у графічному вікні буде відображено електроди акселерометра. Для побудови сітки скінчених елементів необхідно виконати команду Preprocessor->Meshing->MeshTool. У діалоговому вікні Meshtool необхідно спочатку встановити глобальні атрибути сітки скінчених елементів, встановивши тип скінченого елемента Structural(Solid)->Brick(20 node 95) та номер матеріалу 1. Після цього увімкнути опцію Smart Size та встановити її значення на позначці 10 (сітка скінчених елементів буде складатися з мінімальної кількості елементів та отримані результати моделювання будуть найгіршої точності, проте час виконання симуляцій буде мінімальний). Оскільки ми генеруємо сітку скінчених елементів для об’ємів, то необхідно перевірити значення по замовчуванню і встановити його в позицію Volumes та натиснути кнопку Mesh. Після цього у відкритому діалозі Mesh Volumes необхідно натиснути кнопку Pick All, котра залучить до виконання даної операції всі виділені об’єкти (в даному випадку об’єми). Результатом даної послідовності команд є побудова сітки скінчених елементів.
Рис. . Послідовність створення сітки скінчених елементів електродів акселерометра
Рис. . Сітка скінчених елементів акселерометра
Оскільки певні елементи конструкції акселерометра є нерухомими, то необхідно задати краєві умови моделювання. Для цього потрібно вибрати поверхні акселерометра котрі є нерухомими, а саме: площину рамки навколо рухомого електрода та площину нижнього електрода рис. . Виконується за допомогою послідовності команд:
Utility Menu->Plot->Plot Volumes (в графічному вікні відображаються лише всі виділені об’єми),
Utility Menu->Select->Entities …
Рис. . Послідовність операцій для виділення об’ємів, що є нерухомими
Рис. . Послідовність операцій для виділення нерухомих поверхонь виділених об’ємів
В результаті виконаних операцій виділення отримано поверхню рамки рухомого електрода та поверхню нерухомого електрода. Щоб задати краєві умови для цих об’єктів необхідно виконати команду, що встановлює величину переміщення об’єктів протягом моделювання. А оскільки об’єкти нерухомі, то переміщення рівне нулю: Ansys Main Menu-> Solution->Define Loads->Apply->Structural->Displacement->On Areas->Pick All (рис. ), і його необхідно задати для кожної з осей . Щоб зняти виділення заданих об’єктів необхідно виконати команду Utility Menu->Select->Everything.
Рис. . Послідовність задавання краєвих умов для нерухомих об’єктів та вигляд об’єктів із заданими краєвими умовами
Оскільки дане фізичне середовище призначене для структурного аналізу, то необхідно обнулити елементи не призначені для структурного аналізу. Для цього потрібно перейти в меню Utility Menu->Preprocessor та виконати команду в командній стрічці ET,2,0, котра означає що всі об’єкти асоційовані з другим типом елемента використовуватися не буде.
На даному етапі можна утворити фізичне середовище для структурного аналізу: Utility Menu->Preprocessor->Physics->Environment->Write (рис. ). Після виконання даної команди у робочому каталозі проекту буде створено файл фізичного середовища для структурного аналізу.
Рис. Діалог запису фізичного середовища для структурного аналізу
Перед початком створення фізичного середовища для електростатичного аналізу необхідно очистити поточні настройки: Utility Menu->Preprocessor->Physics->Environment->Clear. Описаною вище методикою необхідно виділити об’єм середовища функціонування акселерометра. Щоб створити сітку скінчених елементів середовища, потрібно відтворити обнулений тип елемента командою: ET,2,122, а тип елемента для структурного аналізу обнулити ET,1,0. Створити фізичну модель матеріалу середовища Preprocessor->Material Models та в групі Electromagnetics діелектричну проникність середовища Relative Permittivity->Constant->PERX рівною 1(рис. ).
Рис. Встановлення властивостей матеріалу середовища
Встановивши властивості матеріалу, необхідно побудувати сітку скінчених елементів середовища: Preprocessor->Meshing->Mesh Tool (рис. ).
Рис. . Атрибути сітки скінчених елементів та вигляд створеної сітки
Для визначення ємності в середовищі Ansys використовується макрос CMATRIX. Цей макрос використовує наступну послідовність параметрів
SYMFAC
Геометричний фактор симетрії. Значення ємностей масштабується згідно цього фактору, котрий відображає яка частина пристрою моделюється. По замовчуванню рівний одиниці (немає симетрії)
Condname
Символьно-цифровий префікс ідентифікаторів використаних для назв компонентів системи (‘cond’)
NUMCOND
Загальна кількість компонентів. При моделюванні системи з заземленням необхідно враховувати заземлення як компонент системи
GRNDKEY
Опція заземлення:
0 -- Заземлення є одним із компонентів, що не є безмежністю.
1 -- Заземлення є безмежністю.
Capname
Назва масиву для визначених ємностей системи
Отже, щоб використати даний макрос потрібно створити компоненти, що будуть відігравати роль електродів конденсатора. Цими компонентами будуть вузли скінчених елементів, що розміщені на електродах акселерометра. Для, цього спершу треба вибрати об’єм електрода, потім площини приєднані до об’єму електрода та вузли приєднані до вибраних площин. З вибраних вузлів скінчених елементів потрібно створити компонент із назвою “cond1”.
Рис. . Послідовність операцій для вибору вузлів електрода
Після вибору вузлів електрода потрібно створити компонент Utility Menu->Select->Comp/Asemby->Create Component (рис. ).
Рис. . Діалог створення компонента
Дану послідовність операцій необхідно повторити для створення компонента з вузлів другого електрода – “cond2”.
Створене середовище для електростатичного аналізу необхідно зберегти, використовуючи визначену вище послідовність операцій (рис. ).
Рис. Діалог запису фізичного середовища для електростатичного аналізу
Потім необхідно перейти у фізичне середовище структурного моделювання, та задати прискорення для всієї системи Solution->Define Loads->Apply->Structural->Inertia->Gravity.
Рис. Діалог для встановлення прискорення
Потім необхідно, розв’язати систему систему рівнянь Solution->Solve->Current LS та перейти до електростатичного аналізу. Зчитати результати General Postproc->Read Results-> First Set та запустити на виконання макрос „CMATRIX,1,'cond',2,0,”.
7. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
Які існують методи проведення послідовно спряженого аналізу?
Які особливості методів проведення послідовно спряженого аналізу?
Які основні етапи проведення послідовно спряженого аналізу?
8. ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ
Побудувати повну структурну модель акселерометра, враховуючи варіанти індивідуального завдання.
За допомогою послідовно спряженого аналізу визначити прискорення порогу чутливості.
Визначити максимальне допустиме прискорення для даної конструкції акселерометра (до зіткнення двох пластин).
7. ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ
Короткий опис процесу моделювання акселерометра.
Результати визначення порогу чутливості та робочого діапазону акселерометра.
Висновки.
8. ЛІТЕРАТУРА
www.ansys.com.
Антонетти П., Антониадиса Д., Даттона Р., Оулдхеми У. МОП - СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов. Пер с англ. М., 1988.
О. Зенкевич. Метод конечных элементов в механике. М., «Мир», 1975 — 524с.
Д. Норри, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. Пер. с англ. — М.: Мир, 1981. — 304с.
R.P. van Kampen, R. F. Wolffenbuttel. Modeling of the mechanical behavior of bulk-microfubricated silicon acceleromrter. Sensors and Actuators. 64 (1998) 137-150.
ВАРІАНТИ ІНДИВІДУАЛЬНИХ ЗАВДАНЬ
Чутливість ел. схеми (%)
Відстань між електродами, мкм
1
1
2
2
2
4
3
3
6
4
4
8
5
5
10
6
6
12
7
7
14
8
8
16
9
9
18
10
10
20
11
11
22
12
12
24
13
13
26
14
14
28
15
15
30
16
16
1
17
17
3
18
18
5
19
19
7
20
20
9
21
21
11
22
22
13
23
23
15
24
24
17
25
25
19
26
26
21
27
27
23
28
28
25
29
29
27
30
30
29
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
МОДЕЛЮВАННЯ АКСЕЛЕРОМЕТРА ЄМНІСНОГО ТИПУ
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до лабораторної роботи з курсу
“Автоматизація проектування мікроелектронних систем”
для студентів базового напрямку
6.08.04 “Комп’ютерні науки”
Укладач Перейма Микола Євгенович
17.07.2020 15:07-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора