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”
МОДАЛЬНИЙ АНАЛІЗ 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
Модальний аналіз 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 – отримати навики проведення модального аналізу в середовищі Ansys на прикладі акселерометра ємнісного типу.
КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Модальний аналіз – це експериментальний метод дослідження вимушених коливань складних структур. він застосовується для реєстрації, аналізу та оцінки власних частот та кривих коливання, а також оптимізації структури об’єкту, що досліджується. Наприклад, при симуляції частот, що діють на елементи динамометричних платформ, можна визначити власні частоти системи, що досліджується, відносно маси, жорсткості та демпфуючих властивостей. Мета модального аналізу – це створення такої системи вимірювання, щоб під час реєстрації даних в заданому частотному діапазоні не виникало резонансних коливань, котрі можуть негативно вплинути на сигнал, що вимірюється.
Інформація про власні частоти і форми коливань потрібні не тільки при вивченні вільних коливань, але і для аналізу резонансних станів, а також стійкості замкнутої системи.
В програмному комплексі ANSYS модальний аналіз – це розв’язок задачі вільних, затухаючих чи не затухаючих коливань дискретної системи, що описується рівнянням руху(1):
(1)
ВИКОРИСТАННЯ СЕРЕДОВИЩА ANSYS ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ МОДАЛЬНОГО АНАЛІЗУ
В розділі представлено методику проведення модального аналізу на основі побудованої на попередній лабораторній роботі твердотільної моделі акселерометра ємнісного типу.
3.1 Налаштування процесу моделювання
На даному етапі побудована геометрія моделі. Тепер необхідно задати властивості матеріалу та створити сітку скінченних елементів (ССЕ). Перед визначенням властивостей матеріалу, необхідно задати тип аналізу, щоб обмежити набір доступних параметрів матеріалу до необхідних для структурного аналізу. Для цього необхідно виконати послідовність команд: Main menu -> Preferences -> Structural -> ON (Рис. 1). Потім натисніть кнопку OK, щоб прийняти зміни.
Рис. 1. Налаштування для GUI Filtering вікна
3.1.1 Визначення властивостей матеріалу
В моделі використовується лише один тип матеріалу – полікремній, тому необхідно задати його механічні властивості послідовністю команд: Main Menu -> Preprocessor -> Material Props -> Material Models.
Відкриється нове вікно, в котрому в секції Material Models Available необхідно ввійти в опцію Structural -> Linear -> Elastic -> Isotropic та двічі клацнути на опції Isotropic (Рис. 2). Відкриється вікно Linear Isotropic Properties for Material number 1, в якому необхідно вказати модуль Юнга EX = 1.5E11 та коефіцієнт Пуассона PRXY = 0.21 (Рис. 3). Для підтвердження введення натисніть кнопку OK. Аналогічним методом задайте густину матеріалу. Виберіть опцію Density (див. на стрілку Рис. 3) і введіть значення 2330. Після введення всіх властивостей вікно необхідно закрити.
3.1.2 Визначення типу елемента ССЕ
Тепер необхідно задати відповідний тип елемента ССЕ проекту за допомогою послідовності команд: Main Menu -> Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete. У відкритому вікні Element Types натисніть кнопку Add. З’явиться діалогове вікно з набором доступних елементів (Рис. 4). Ввійдіть в групу Structural, підгрупу - Solid і виберіть елемент 10 node element номер 92, як найбільш прийнятний до заданого типу проекту елемент. Вибір належного елементу ССЕ завжди виконується у відповідності до типу інженерної задачі (одно -, мульти-доменна), необхідної точності і допустимого часу обрахунків. Підтвердіть вибір елементу натиском кнопки OK і закрийте вікно типу елементів натиснувши кнопку Close.
Увага: Якщо використовується одночасно різні елементи ССЕ, то їм присвоюється послідовні порядкові номери. Якщо використовується лише один скінчений елемент (як у нашому випадку),номер типу елементу є 1 (Рис. 5).
Рис. 4. Вікно Library of the Elements Types
Fig. 5. Вікно Element Types
3.1.3 Створення ССЕ
Програма Ansys дозволяє проводити автоматичне створення ССЕ моделі, проте без контролю над розмірами елементів сітки. Програма автоматично обчислює необхідні дані на підставі геометрії моделі. Інколи це спричиняє помітне згущення сітки. Для запобігання цьому ефекту задайте глобальний розмір елемента сітки, щоб контролювати його густину: Main Menu -> Preprocessor -> Mesh Tool… У вікні Mesh Tool виберіть: Element Attributes -> Global і натисніть кнопку Set цього вікна (Рис. 6). У вікні Meshing Attributes (Рис. 7) встановіть Element Type Number = 1 та Material number = 1. Натисніть кнопку Set для Global опцій в полі Size Controls вікна Mesh Tool (Рис. 6) і введіть довжину грані елемента Element edge length = 10e-6 та підтвердіть натиском кнопки OK (Рис. 8).
Для закінчення натисніть кнопку Mesh в нижній частині вікна Mesh Tool (Рис. 6) та натисніть кнопку Pick All в додатковому вікні (вибираємо всі елементи геометрії для побудови сітки з однаковими параметрами). Після створення ССЕ збережіть проект під назвою Acc_sensor_meshed.db. (File _ SaveAs…)
3.1.4 Накладання обмежень
Модальний аналіз ігнорує всі обмеження (навіть явно визначені), крім одного – обмеження нульового переміщення. Принаймні одне обмеження повинно бути застосоване для правильного виконання моделювання. Вкажіть анкери як площини нульового переміщення.
Main Menu -> Solution (-Loads-)Apply -> (-Structural-)Displacement -> On Areas+
Далі виберіть 4 анкери в графічному вікні і натисніть кнопку OK для підтвердження у вікні Apply U, ROT on Areas. У вікні, що відкрилося (Рис. 9) встановіть наступні настройки:
Рис. 9. Вікно Apply U,ROT on Areas
DOF to be constrained -> All DOF
Apply as -> Constraint Value
Displacement Value -> 0
Після чого натисніть кнопку OK, щоб підтвердити вибір.
3.1.5 Вибір типу аналізу
На даній стадії необхідно вибрати відповідний тип аналізу. Main Menu -> Solution -> (-Analysis Type-)New Analysis… У вікні New Analysis виберіть Modal (Рис. 10) та задайте опції аналізу.
Main Menu -> Solution -> Analysis Options… У вікні Modal Analysis виберіть метод для модального аналізу (Рис. 11).
Вмикання Expand Mode Shapes та Calculate Elem. Results спричиняє введення додаткових змінних моделювання під час виконання модального аналізу. Виділені пункти наступні: тензори деформації, вектори переміщення, оцінка похибки і.т.д. Дана операція забезпечує подальшу можливість їх використання при візуалізації результатів модального аналізу.
Mode extraction method -> Block Lanczos
No. of modes to extract -> 5
Expand Mode Shapes -> Yes
No. of modes to expand -> 5
Calculate Elem. Results? -> Yes
Натисніть кнопку OK у вікні Modal Analysis для підтвердження вибору. Відкриється вікно Block Lanczos Method (Рис. 12). В цьому вікні задайте діапазон частот для якого програма повинна знайти форми коливань структури. Введіть діапазон 10Hz – 20000Hz і метод нормалізації: To mass matrix(по замовчуванню). Для підтвердження вибору натисніть кнопку OK.
Рис. 12. Вікно Block Lanczos Method
3.1.6 Ініціалізація обчислень
Main Menu -> Solution -> (-Solve-) Current LS
Потім, натисніть кнопку OK у вікні Solve Current Load Step для початку обчислень (Рис. 13). Моделювання може тривати певний час – будьте терплячі. Ansys використовує вікно Ansys 6.0 Output для формування звіту про хід виконання моделювання.
Рис. 13. Вікно Solve Current Load Step
3.2 Візуалізація результатів
3.2.1 Статичні рисунки
Після закінчення проведення обчислень необхідно візуалізувати їх результати. Результати модального аналізу - це наближений набір форм коливання структури, котрі організовані в певні групи Sets. Кожна група відповідає за певний набір коливань структури. Завантажте перший набір: Main Menu -> General Postproc -> (-Read Results-)First Set . Зчитайте частоти, котрі відповідають заданим наборам коливань (Рис. 14): Main Menu -> General Postproc -> List Results -> Results Summary. Закрийте вікно натиском кнопки Close. Так, як дані моделювання першої групи завантажені, можна починати візуалізацію деформованого об’єкта Deformed Shape (механічні деформації структури) разом з даними коефіцієнта VonMises. Main Menu -> General PostProc -> Plot Results -> (-Contour Plot-)Element Solu… У вікні як показано на Рис. 45 виберіть змінну, яка буде відображена – Item to be contoured, та групу геометрії – Items to be plotted. Виберіть всі параметри саме так, як показано на Рис. 15 і натисніть кнопку OK.
Тепер використайте засіб Pan, Zoom, Rotatе: PlotCtrls -> Pan, Zoom, Rotate. В нижній частині відкритого вікна виберіть опцію Dynamic Mode (Рис. 46). Оперуючи в динамічному режимі користуйтесь інструкціями:
Ліва кнопка миші пересуває модель в площині перегляду.
Права кнопка миші обертає (з рухом миші) або збільшує (з рухом миші) модель.
Використаємо засіб Pan, Zoom, Rotate для обертання моделі, для відображення деформацій в структурі (Рис. 47).
Рис. 19. Вікно Animate Modal Solution Data
3.2.2 Анімування результатів моделювання
Ansys дозволяє створити спеціальні демонстраційні анімації за результатами обчислень для груп коливань структури. Звичайно, такий спосіб моделювання не пов’язаний з транзитивним аналізом (в площині часу). У верхньому меню Utility Menu виберіть (Рис. 18): PlotCtrls -> Animate -> Deformed Results. У відкритому вікні Animate Nodal Solution Data потрібно зробити налаштування саме так, як на Рис. 19 і натиснути кнопку OK для підтвердження. Ansys генерує набір фреймів, з котрих потім створює анімацію. Опції швидкості та циклу відтворення анімації можна змінити у вікні Animation Controller (Рис. 20). Аналогічні операції можуть бути виконані для інших груп коливань структури, що виконується за допомогою послідовності команд:
Main Menu -> General Postproc -> (-Read Results-)Next set .
Main Menu -> General Postproc -> (-Read Results-)Previous set
4. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
Що таке модальний аналіз?
Які параметри конструкції дозволяє визначити модальний аналіз?
Принцип дії ємнісного акселерометра?
Які типи аналізу дозволяє проводити середовище Ansys?
На які етапи поділяється процес створення моделі?.
5. ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ
Ознайомитись з методикою проведення модального аналізу.
Провести модальний аналіз акселерометра ємнісного типу на основі твердотільної моделі побудованої на попередньому занятті.
Визначити 5 перших форм коливань конструкції.
6. ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ
Короткий теоретичні відомості.
Короткий опис етапів проведення модального аналізу.
Графіки власних частот та форм коливань акселерометра та зафіксувати максимальні напруження, які виникають в структурі.
Висновки.
7. 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.
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
МОДАЛЬНИЙ АНАЛІЗ АКСЕЛЕРОМЕТРА ЄМНІСНОГО ТИПУ
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