Использование опции Деформация для визуализации физического перемещения

При моделировании акустических волн, вибрирующих механических устройств или жидкости в канале вам может потребоваться визуализировать перемещение или изменение формы устройства. Постобработка и визуализация могут улучшить понимание результатов моделирования, а использование графиков для иллюстрации физического перемещения позволяет воспринимать процесс в целом. Отличным способом для достижения данной цели являются специальная опция Деформация.

Под Деформацией понимается узел, который может быть добавлен к графику для деформации отображаемых результатов в соответствии с выбранной векторной величиной. При моделировании механики конструкций может потребоваться демонстрация перемещения какого-либо компонента. В рамках акустических моделей (на которых мы сделаем акцент в данной статье) вы можете визуализировать реальную форму волны.

Рассмотрим в качестве примера конденсаторный микрофон, модель которого находится в меню File > Application Libraries > Acoustics Module > Electroacoustic Transducers > condenser microphone (Файл > Библиотеки приложений > Модуль Акустика > Электроакустические датчики > конденсаторный микрофон) или может быть загружена по ссылке. Те из вас, у кого не установлен модуль Акустика, могут открыть учебную модель для изучения параметров и выполнения постобработки.

В рамках учебной модели конденсаторного микрофона изучается деформация мембраны (диафрагмы) микрофона, которая преобразует механические смещения в сигнал переменного тока. Деформация диафрагмы представлена в уже созданном графике просчитанной модели под названием 3D Membrane deformation (Трехмерная деформация мембраны):

Поверхностный график отображает вертикальную (по Z) компоненту смещений при заданной частоте. График ниже соответствует максимальной частоте в расчете с отключенной Деформацией (для отключения узла нажмите на него правой кнопкой мыши и выберите Disable (Отключить)):

Для того чтобы добавить новую деформацию в ручном режиме для произвольного графика, нажмите правой кнопкой мыши на соответствующий узел модели и выберите пункт Deformation (Деформация):

Деформации могут применяться к большинству двух- и трехмерных графиков: стрелочным диаграммам, графикам изоповерхностей, контурным графикам, графикам линий тока, поверхностным графикам, графикам в сечениях и объемным графикам. В настройках можно указать необходимую векторную величину (в данном случае — поле смещений):

Снова включив график деформации, мы сможем увидеть изменения формы мембраны для данной частоты.

Если вы взгляните на настройки еще раз, то заметите, что для коэффициента масштабирования установлено очень большое значение:

Большой коэффициент деформации зачастую используется для того, чтобы сделать видимыми микроскопические изменения и изгибы или, напротив, чтобы уменьшить значительные деформации с тем, чтобы они не закрывали важные элементы модели. В устройствах очень небольшого размера, например аппаратных частях микроэлектромеханических систем (МЭМС) или, как в данном случае, микрофоне, реальные деформации не всегда заметны невооруженным глазом.

Height expressions (Выражения для высоты) — это отдельный вид деформации, который вместо векторной величины использует единственную переменную для построения графика. Деформация такого типа позволяет превратить двухмерный график в трехмерный. В другой акустической модели (ее можно найти в меню File > Application Libraries > Acoustics Module > Piezoelectric Devices > piezoacoustic transducer (Файл > Библиотеки приложений > Модуль Акустика > Пьезоэлектрические устройства > пьезоакустический датчик) или скачать по ссылке) в одном из графиков используется выражение для высоты, для того чтобы проиллюстрировать поле акустического давления, создаваемое пьезоакустическим датчиком.

Первоначально поле давления строится на поверхности в двух измерениях:

Выражение для высоты превращает эту поверхность в трехмерный график, показывающий величину пиков и впадин:

Данное выражение использует параметры родительского узла, но вместо этого в настройках можно также указать пользовательское выражение. Выражения для высоты по умолчанию в этой модели задают зависимость высоты каждой точки поверхности от величины поля звукового давления:

Для того чтобы вручную сместить всю деформированную структуру по оси z, можно использовать показанную выше панель регулировки смещения, расположенную в меню выражений для высоты. На графике ниже представлены результаты со смещением 1,5.

Наконец, рассмотрим двухмерные деформации, которые очень полезны для создания периодических массивов — множеств, в которых объект или шаблон многократно повторяются, но при этом обычно моделируется единственная ячейка или сечение устройства.

Чтобы проиллюстрировать это, обратимся к модели плазмонной дифракционной решетки. Данную учебную модель можно найти в меню File > Application Libraries > RF Module > Demo Tutorials > plasmonic wire grating (Файл > Библиотеки приложений > Модуль Радиочастоты > Учебные демонстрации > плазмонная проволочная решетка) или загрузить по ссылке. В данном примере вычисляются коэффициенты пропускания и отражения плоской электромагнитной волны, падающей на проволочную дифракционную решетку. Вместо того чтобы моделировать устройство целиком, используется элементарная ячейка, представляющая одну из элементарных ячеек решетки. При этом учебная модель содержит периодическое условие, указывающее на то, что в реальной конструкции ячейка граничит с обеих сторон с другими такими же ячейками.

Результаты решения учебной модели плазмонной решетки иллюстрируют распределение нормы электрического поля на решетке при заданном угле падения. Несмотря на то, что рассчитанная учебная модель из Библиотеки приложений содержит набор данных типа Массив (Array), мы построили новый поверхностный график, чтобы проиллюстрировать создание массива с помощью деформаций:

В некоторых случаях использование набора данных для двухмерного массива позволяет выполнить задачу быстрее и проще, чем использование деформаций, однако отдельные деформации позволяют точно контролировать положение различных копий решения. В данном случае мы переместили вторую поверхность на d нанометров (нм), то есть на ширину элементарной ячейки, в положительном направлении по оси x:

Значение коэффициента масштабирования установлено равным 1 для того, чтобы обеспечить перемещение поверхности на надлежащее расстояние. Обратите внимание, что название также продублировалось. Чтобы избежать повторов, отображение названия графика можно отключить в соответствующем узле для каждого графика. Аналогичную процедуру можно выполнить для таблицы цветовых обозначений (легенды).

Мы можем продублировать данную поверхность и просто изменить выражение для компонента х в каждом из графиков, тем самым расположив рядом несколько ячеек:

На рисунке ниже показаны результаты с четырьмя перемещенными копиями поверхности. Исходный график с включенным отображением границ располагается в центре:

Хотя мы не будем подробно описывать прочие случаи использования деформаций, вам, вероятно, окажется полезной возможность отображения перемещений во многих моделях механики конструкций и CFD. Так, представленный ниже график иллюстрирует перемещение работающего поршневого двигателя вместе с контуром его исходного положения.

В данной учебной модели микрозеркала деформация показывает поле смещения (с компонентами u, v, w) для описания отклика зеркала на различные уровни преднапряжения. Контур исходного положения (плоский) показан снизу:

Также деформации могут использоваться для того, чтобы более наглядно и красочно визуализировать движение жидкости. На иллюстрации ниже линейный график деформируется в соответствии со скоростью воздушного потока, проходящего через радиатор:

На этом мы заканчиваем статью, посвященную деформациям. Следующая публикация из серии статей о постобработке будет посвящена различным приемам, которые помогут расширить ваши навыки постобработки.

Я соглашаюсь с тем, что COMSOL будет собирать, хранить и обрабатывать мои персональные данные согласно моим настройкам и Политике конфиденциальности COMSOL . Я соглашаюсь получать электронные письма от COMSOL AB и его аффилированных компаний о блоге COMSOL. Это согласие может быть отозвано.