24.05.11

Sprawozdanie ćw

Caban Piotr A-61

Faliński Marcin A-61

Gogol Szymon A-61

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie oraz zrozumienie zasady działania metod projektowania (modelowanie oraz analiza) elementów MEMS przy pomocy oprogramowania komputerowego wykorzystującego metodę elementów skończonych (MES) oraz zwrócenie uwagi na zmianę proporcji oddziaływań zjawisk fizycznych w skali mikro i makro.

1. Stanowisko

Laboratorium wyposażone w komputer klasy IBM PC wraz z zainstalowanym programem graficzno-obliczeniowym Comsol.

1. Przebieg ćwiczenia

• Wykonanie modelu akcelerometru według instrukcji doręczonej przez Prowadzącego.

• Ustalenie warunków brzegowych zamodelowanej figury.

• Wygenerowanie siatki elementów, zainicjowanie procesu obliczeniowego MES.

• Analiza otrzymanych wyników.

1. Wyniki

- Zamodelowany akcelerometr

a) Widok w rzucie z boku

Modelowanie domyślnymi narzędziami programu Comsol jest stosunkowo proste i intuicyjne dla osób mających już do czynienia z programami do graficznego modelowania takich jak AutoCad, SolidWorks, Catia- jednak nie posiada wszystkich udogodnień oferowanych przez nie. Dlatego program Comsol pozwala na importowanie modeli z innych, bardziej zaawansowanych środowisk modelowania, np. szkice w formacie *.dwg.

- Siatka elementów skończonych:

a) Widok w rzucie z boku

Siatka została wygenerowana automatycznie- służy ona do obrazowania zależności miedzy poszczególnymi punktami modelu.

Parametry siatki:

Number of degrees of freedom 1562

Number of mesh points 209

Number of elements 335

Triangular 335

Quadrilateral 0

Number of boundary elements 83

Number of vertex elements 8

Minimum element quality 0.738

Element area ratio 0.009

- Rozkład sił oporu poduszki powietrznej na powierzchni oraz wychylenie masy sejsmicznej:

a) Widok w rzucie z boku

Wykresy obrazujące zmianę tłumienia drgań masy sejsmicznej wraz z modyfikacją warunków otoczenia:

Przyspieszenie 9,81[m/s^2], P=3[Pa]

Przyspieszenie 9,81 [m/s^2], P=300[Pa]

Przyspieszenie 9,81x2 [m/s^2], P=300[Pa]

Przyspieszenie 9,81x3 [m/s^2], P=100[Pa]

Przyspieszenie 9,81x3 [m/s^2], P=300[Pa]

1. Wnioski i przykłady wykorzystania

Opisaną metodę analizy modeli wykorzystuje się przy projektowaniu układów, które później są wykonywane w rzeczywistości. Numeryczne i MES’owskie obliczenia bardzo ułatwiają projektowanie MEMS, gdyż z wysoką dokładnością pozwalają „ominąć” rozwiązywanie równań analitycznych (w rzeczywistości komputer rozwiązuje je za Nas), które często wymagają znajomość bardzo trudnej i zaawansowanej matematyki. Kolejną zaletą jest możliwość pominięcia budowy bardzo drogich w produkcji prototypów.

Słabą stroną programu Comsol jest uproszczony i ograniczony moduł projektowania graficznego wymagający importu plików wykonanych w bardziej zaawansowanych aplikacjach. Podczas importu mogą pojawiać się problemy z „niedomkniętymi” figurami- jest to błąd związany z niedoskonałością postprocesora tłumaczącego różne języki zapisu budowy wirtualnych modeli. Aby uniknąć tego błędu figury/bryły należy tworzyć na zasadzie dodawania i odejmowania figur/brył prostych (program dobrze sobie radzi z algebrą Boole'a).

Pomimo bardzo dobrych narzędzi MES nie można odrzucić metod analitycznych, gdyż to one pozwalają na dobre zrozumienie zagadnienia. W prostych przypadkach stają się niezastąpione- często niektóre wielkości można policzyć „w pamięci”, albo przynajmniej przewidzieć zachowanie układu po zmianie jego stanu.

Dzięki symulacji widzimy znaczącą zmianę proporcji oddziaływań zjawisk fizycznych w skali mikro i makro. Opory ruchu powietrza, które najczęściej są pomijane w skali makro, należy uwzględnić w obliczeniach MEMS- poduszka powietrzna wytwarzana podczas ruchu elementów zmienia w znaczący sposób wyniki doświadczenia, co jest dobrze widoczne na załączonych wykresach. Wzrost ciśnienia atmosfery układu powoduje większe tłumienie. Najlepszym sposobem rozwiązania tego problemu jest budowanie układów w próżni (technicznej).

Akcelerometry dostępne na rynku: