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华科微纳系统仿真作业
1、用有限差分法和有线元方法把以下问题变成数值方程,并说明两种方法的异同:边界条件:解:(1)有限差分法:先将拉普拉斯方程的完整形式列出,再使用差分形成代替微分形式,得到有限差分方程,之后代入边界条件进行求解。由导数的定义,二阶导数可表示为对偏导数,则有:代入拉普拉斯方程,则有即:(1.3)(2) 有限元法使用有限元法的计算流程为:求解区域离散化;构造插值函数形成分段光滑的坐标函数系;用Ritz 方法求解微分方程对构造函数首先将整个区域离散为三角形的子区域如下图,三角形微小子区域中的值由三角形节点值的插值结果表示,即其中为三角形的节点插值函数,为函数在节点处的函数值。可知每一个三角形子区域中泛函可由节点插值函数和节点函数值表示,那么对于整个求解区域的泛函表达式为由变分原理可知计算这n 个方程即可得到整个求解区域的值(3) 有限元法与差分法的区别相同的地方:两种方法都使用了离散化的思想,对求解域进行离散。不同的地方:有限元法有更好的边界适应性,有限元法的单元不限于均匀规则单元,单元形状可以有一定的任意性,大小也可以不同,且单元边界可以是曲线或曲面,不同形状单元可进行组合,因此可以处理任意复杂边界的结构;有限元统一对待区域内的节点与边界上的节点,因此每个节点的计算精度总体上协调;而有限差分必须分别处理微分方程与定解条件;有限元法是各种单元可以混合使用,所以写不出方程也可以求解;有限差分法划分的网格是规则的,对方程进行离散化,就是用很多个差分代替微分。2. 请看Microrobot的说明文件(这个文件可以在COMSOL3.5中打开Model Library---- Thermal Structure Interaction---Microrobot 3D),详细看懂说明书该问题的分析,用自己熟悉的3D工具进行建模,用COMSOL更高版本进行仿真。解:微型机器人腿构造如下:原理:热源加热使得局部温度升高,由于所使用有机物的热膨胀系数较高,故加热有有机物体积膨胀大,V型槽上部体积膨胀高于下部,故硅腿会向下弯曲。应用如下边界条件:对于热的部分,一个高导电性的边界条件替代铝的导电层: (2.1)(2)硬弹簧条件描述电阻层: (2.2)(3)结构部分包括热膨胀的壳单元,对两个薄层进行建模,COMSOL软件自动耦合壳与固体力学单元。2.2 COMSOL建模2.2.1几何模型在画图菜单选择工作平面,单击y-z按钮;右键几何选择导入,单击浏览选择文件microrobot_3d.dxf,单击导入;图2.2 微型机械手COMSOL几何模型2.2.2材料微型机械手包含几种不同性质的材料,故对每一种材料定义子区域设定,使用子区域表达式变量更容易进入模型的子区域性质。定义下列材料参数:热导率,k比热容,c密度,rho杨氏模量,E泊松比,nu热膨胀系数,alpha同时,定义一个新变量Temperature,可以在后处理分析时显示所有区域的温度。2.2.3固体力学a.右键固体力学,选择线弹性材料,在线弹性材料设定中,杨氏模量、泊松比、密度均选择用户定义,其值分别输入E、nu、rho;b.右键固体力学,选择固定约束,在固定约束设定中,手动选择边界74,75,149,1502.2.4设置固体传热2.2.5设置壳2.2.6设置固体传热22.2.7设置电流右键电流,选择电势,命名为电势1,边界选择子菜单手动选择28,50,电势子菜单电势V0值为flc1hs(t[1/s]-1e-3,5e-4)-flc1hs(t[1/s]-1e-2,5e-4))*3e-2。2.3计算结果与分析2.3.1温度场分布云图图2.4 t=20ms时微型机械手温度场分布 图2.4显示了微型机械手温度场分布,同时也显示了其变形情况,可以看出,最大温度为305K,正如所期望的那样,微型机械手沿温度升高的方向弯曲,当热源关闭时,机械手会返回到初始位置。2.3.2总位移场云图 图2.5显示了微型机械手总位移场分布,:从位移变形图可以看出,腿向下弯曲,这与实际情况一致;从根部至末端,位移逐渐增大;末端最大为即。图2.5 微型机械手总位移场分布云图2.3.3热量随时间的变化图2.6显示了热源随时间的变化情况,热量由热电阻产生,在仿真计算20ms中的前10ms内,一个大小为30mV的电势施加在每一个热电阻上,结果所产生的热源为2×1013W/m3,相应为100mW。图2.6 热源随时间的变化情况2.3.4总位移随时间的变化图2.7 机械手尖端总位移对时间的变化图2.7显示了机械手尖端总位移对时间的变化情况,位移先增大,在10ms~11ms处增大到最大值约为3.4×10-5m,最后减小。3. 请学习COMSOL4.4的COMSOL R
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