3. Індивідуальне завдання
Побудувати в ANSYS модель термоактюатора та задати властивості матеріалів. Провести моделювання роботи мікроактюатора при температурі нагрівального елемента 30 – 100 оС. Та побудувати графічну залежність максимальних переміщень від прикладеної температури.
4. Результати
Ознайомитись принципом функціонування біметалічного мікроактатора та методами моделювання.
Згідно варіанту індивідуального завдання побудувати модель мікроактюатора та задати властивості матеріалу.
Провести моделювання роботи мікроактюатора при температурі нагрівального елемента 30 – 100 0С з кроком 10 0С.
Побудувати графічну залежність максимальних переміщень від прикладеної температури.
|
Конструкція актюатора на основі бішарової пластини |
1.В середовищі ANSYSвибираємо спеціалізацію моделювання (структурний та тепловий аналіз):
Main Menu -> Preferences for GUI Filtering
Structural -> On
Thermal -> On
2.Будуємо два об’єми з яких буде складатись мікроактюатор за такими розмірами:
а). Об’єм SiO2. Довжина L, м- 732E-07, ширина W, м- 3,8e-5, висота SD, м – 7.6 e-6.
б). Об’єм з діелектрика Au. Довжина L, м- 732E-07, ширина W, м- 3,8e -5, висота SD, м-3,6E-6.
Після побудови двох об’ємів (пластин) необхідно виконуємо операцію склейки (MainMenu ->Preprocessor ->Operate ->Glue) об’єктів для правильної генерації сітки скінчених елементів(ССК).
3. В наступному кроці потрібно задати властивості матеріалу.Як було сказано вище в розглянутому мікроактюаторі використовується два матеріали з різними властивостями. Тому створюємо дві моделі матеріалу, котрі будуть містити в собі як теплові, так і механічні властивості. Значення властивостей матеріалу вибираємо згідно варіанту індивідуального завдання.
Рис. 1 На рисунку показано, що задано всі властивості матеріалу
4. Тепер вибираємо елемент для побудови ССК.Скінченим елементом для даного моделювання вибираємо елемент SOLID98 з групи CoupledField. Цей скінчений елемент дозволяє проводити моделювання різноманітних мультифізичних процесів(поєднання теплового моделювання із структурним).
Рис. 2 На рисунку показано, що вибрано елемент SOLID98
5. Структура даного мікроактюатора складається з двох пластин різних матеріалів. Для кожної з пластин окремо проведемо генерування ССЕ із відповідно вибраним матеріалом Завдяки виконаній процедурі склейки об’єктів, вузли у місцях стику двох пластин будуть співпадати.
Рис. 3 Проведена ССЕ для двох
6. Перед проведення моделювання вибираємо тип аналізу – статичний, динамічний, транзитивний чи інший. Для цього виконуємо команду MainMenu ->Solution ->NewAnalysis та вибираємо Static(для нашого випадку).
7.Встановлюємо початкові та краєві умови моделювання. Припускаємо, що нагрівальний елемент нагріває структуру актюатора миттєво і рівномірно. Площина діелектрикав площині ABGH біметалічної пластини закріплена нерухомо. Тому задаємо переміщення у вузлах площини діелектрика в осях OX,OY,OZрівними 0. Для цього виконуємо команду MainMenu ->Solution ->Apply ->Displacement ->OnAreas тричі для кожної з осей координат.
8.Задаємо початкову температуру структури актюатора. Для цього виконуємо команду MainMenu ->Solution ->Apply -> -Thermal- Temperature - >UniformTempта встановлюємо температуру рівною 30 градуси по Цельсію.
9.Після заданих краєвих та початкових умов виконуємо процес моделювання командою MainMenu ->Solution -> -Solve- CurrentLS. Звернемо увагу, що час розрахунку вихідних характеристик може тривати значний період часу, тому необхідно дочекатись повідомлення про закінчення обчислень.
10. На наступному кроці визначаємо максимальні переміщення та напруження для заданих геометричних характеристик і температури нагрівання мікроактюатора. Для заданого діапазону (30-100 градусів по Цельсію) температур проводимо моделювання та створюємо залежність максимального переміщення мікроактюатора від прикладеної температури при допустимих напруженнях.
Тепер отримуємо максимальне переміщення в моделі мікроактюаторавиконавши команду зчитування результатів моделювання MainMenu ->GeneralPostproc -> -ReadResults- FirstSet. Після чого графічно відображаємо результати моделювання командою MainMenu ->GeneralPostproc ->PlotResults ->NodalSolution.
В діалоговому вікні ContourNodalSolutionData вибираємо наступні опції:
Items to be Contoured – DOF Solution, USUM(UZ)(сумарні переміщення(по осі Z));
Items to be plotted – Def + Undeformed edge (відобразити деформований мікроактюатор та контур не деформованого).
Після вибору опцій натискаємо кнопку ОК і результати відображається у вікні графіки середовища ANSYS.
11.При проведенні моделювання необхідно враховувати максимальні напруження, які виникають в структурі. Для цього відображаємо розподіл напружень та потрібно побачити, що вони не перевищують максимально допустимі MainMenu ->GeneralPostproc ->PlotResults ->NodalSolution.
В діалоговому вікні ContourNodalSolutionData, вибираємо наступні опції: