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[电磁与结构流体等的耦合] 为什么我的2D与3D的静电结构耦合分析结果差异这么大?

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发表于 2007-2-7 16:30:29 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 台湾
小弟近日依循ANSYS的范例从2D Model入门静电结构耦合分析
发现2D的分析结果与文献所使用能量法求解悬臂梁受静电利影响的结果相当一致
于是继续尝试3D Model的分析
但与2D分析结果相差甚远 (15V, 2D= 0.0281um, 3D= 0.03662um )
以下分别是我分析用的2D与 3D Model 的命令流
我已经想破头也尝试许多方法都找不出问题所在
希望在这里的各位高手能帮我解惑
十分感谢

另外不晓得有没有高手知道这样的耦合分析在对称条件上该怎么设定呢?
尤其是在静电分析的时候,使用da,all,SYMM 就可以了吗?

____________________________________________________________________________________________________________

2D-MODEL PULL-IN TEST

fini
/clear
/batch,list
/prep7, Polysilicon beam deflection from an applied voltage

et,1,plane121               ! Temporary(片刻的) element for beam region
et,2,plane121               ! PLANE121 element for air region
           
emunit,epzro,8.854e-6       ! Free-space permittivity(介電常數), μMKSV units
mp,perx,1,10                ! Relative permittivity for polysilicon
mp,perx,2,11.9              ! Relative permittivity for silicon
mp,perx,3,1                 ! Relative permittivity for air


bl=100                      ! Beam length (μm)
bh=2.0                      ! Beam height
glc=bl/2                    ! Center location of ground
gl=100                      ! Ground conductor length
gh=2.0                      ! Ground conductor thickness
gap=2.0                     ! Air gap thickness

d1=25   !mesh
d2=2
d3=5    !air gap mesh


vltg=15                      ! Applied voltage

!create beam
K,1,0,0,, $K,2,0,-bh,, $K,3,bl,-bh,,  $K,4,bl,0,,
L,1,2  $L,2,3  $L,3,4  $L,4,1
AL,1,2,3,4

TYPE,1,
MAT,1,  

LSEL,S,LINE,,2,4,2
LESIZE,all,,,d1
ALLSEL
LSEL,S,LINE,,1,3,2
LESIZE,all,,,d2
ALLSEL
ASEL,S,AREA,,1              ! Mesh beam
AMESH,ALL
ALLSEL   

!create substrate
K,5,0,-(bh+gap),, $K,6,0,-(bh+gap+gh),, $K,7,gl,-(bh+gap+gh),,  $K,8,gl,-(bh+gap),,
L,5,6  $L,6,7  $L,7,8  $L,8,5
AL,5,6,7,8

TYPE,1,
MAT,2,  

LSEL,S,LINE,,6,8,2
LESIZE,all,,,d1
ALLSEL
LSEL,S,LINE,,5,7,2
LESIZE,all,,,d2
ALLSEL
ASEL,S,AREA,,2              ! Mesh beam
AMESH,ALL
ALLSEL   

!create air gap

L,2,5  $L,8,3
AL,9,8,10,2

TYPE,2,
MAT,3,  

LSEL,S,LINE,,9,10,
LESIZE,all,,,d3
ALLSEL
ASEL,S,AREA,,3              ! Mesh gap
AMESH,ALL
ALLSEL   

!create around air

rectng,0,bl,0,bl/2
rectng,bl,bl+bl/2,0,bl/2
rectng,bl,bl+bl/2,-bh,0
rectng,bl,bl+bl/2,-(bh+gap),-bh
rectng,bl,bl+bl/2,-(bh+gap+gh),-(bh+gap)
rectng,bl,bl+bl/2,-(bh+gap+gh+bl/2),-(bh+gap+gh)
rectng,0,bl,-(bh+gap+gh+bl/2),-(bh+gap+gh)
rectng,-bl/2,0,-(bh+gap+gh+bl/2),-(bh+gap+gh)
rectng,-bl/2,0,-(bh+gap+gh),-(bh+gap)
rectng,-bl/2,0,-(bh+gap),-(bh)
rectng,-bl/2,0,-(bh),0
rectng,-bl/2,0,0,bl/2

NUMMRG,node
NUMMRG,ELEM
NUMMRG,KP

FLST,5,20,4,ORDE,18
FITEM,5,12  
FITEM,5,14  
FITEM,5,-17
FITEM,5,19  
FITEM,5,23  
FITEM,5,27  
FITEM,5,31  
FITEM,5,-32
FITEM,5,34  
FITEM,5,38  
FITEM,5,-39
FITEM,5,41  
FITEM,5,-42
FITEM,5,45  
FITEM,5,49  
FITEM,5,53  
FITEM,5,57  
FITEM,5,-58
LSEL,S, , ,P51X
LESIZE,all,,,20
ALLSEL

LSEL,s,LINE,,13,35,22
LESIZE,all,,,d1
ALLSEL

LSEL,s,LINE,,20,28,4
LSEL,a,LINE,,46,54,4
LESIZE,all,,,d2
ALLSEL

TYPE,2,
MAT,3,  

ASEL,S,AREA,,4,15              ! Mesh gap
AMESH,ALL
ALLSEL   
         
NUMMRG,node
NUMMRG,ELEM         
                  
asel,s,area,,3,             ! Area for air elements
asel,a,area,,4,15
cm,air,area                 ! Group air area into component 把area4改名為air, 以後打air就是area3
ALLSEL


! set Voltage
asel,s,area,,1
lsla,s                      ! Selects those lines contained in the selected areas
dl,all,,volt,vltg           ! Apply voltage to beam

asel,s,area,,2
lsla,s
dl,all,,volt,0              ! Ground conductor (not meshed)

allsel,all
et,1,0                      ! Set structure to null element type

physics,write,ELECTROS      ! Write electrostatic physics file  
                            !  *WRITE  —  Write all appropriate element types, key options, real constants,
                            !             material properties, solution analysis options, load step options,
                            !             constraint equations, coupled nodes, defined components, and GUI
                            !             preference settings to the file specified with the Fname and Ext arguments.
physics,clear               ! Clear Physics

et,1,plane82,,,2            ! Define beam element y type 2= Plane strain (Z strain = 0.0)
et,2,0                      ! Set air to null element type


mp,ex,1,170e3               ! Set Modulus  μN/(μm)^2
mp,nuxy,1,0.23              ! Minor Poisson's ratios

mp,ex,2,190e3               ! Set Modulus  μN/(μm)^2
mp,nuxy,2,0.23              ! Minor Poisson's ratios

dl,1,,ux,0                  ! Apply beam constraints
dl,1,,uy,0

dl,6,,ux,0                  ! Apply beam constraints
dl,6,,uy,0

allsel,all
finish
physics,write,STRUCTURE     ! Write structural physics file

ESSOLV,'ELECTROS','STRUCTURE',2,0,'air',,,,20
                            ! Solve coupled-field problem
finish

!physics,read,ELECTROS       ! Read electrostatic physics file

!/post1

physics,read,STRUCTURE

/post1

________________________________________________________________________________________________________

3D-MODEL PULL-IN TEST

fini
/clear
/batch,list
/prep7, Silicon beam deflection from an applied voltage

et,1,solid122               ! Temporary(片刻的) element for structure region
et,2,solid122               ! solid122 element for air region
ET,3,PLANE121            
emunit,epzro,8.854e-6       ! Free-space permittivity(介電常數), μMKSV units
mp,perx,1,10                ! Relative permittivity for polysilicon
mp,perx,2,11.9              ! Relative permittivity for silicon
mp,perx,3,1                 ! Relative permittivity for air

L1=100  
L2=20
L3=L1/4

d1=25   !mesh membrane length
d2=10    !mesh membrane width
d3=2    !mesh membrane thickness
d4=2    !mesh air gap
d5=5   !mesh extruded volume

t1=2.0  !silicon substrate thickness
t2=2.0  !air gap thickness
t3=2.0  !polysilicon membrane

V1=15                              ! DEFINE up electrode POTENTIAL
V0=0                               ! DEFINE GROUND POTENTIAL

!*
!############################create 3D Model ############################
K,1,,,, $K,2,L1,,, $K,3,L1,L2,,  $K,4,0,L2,,
L,1,2  $L,2,3  $L,3,4  $L,4,1
AL,1,2,3,4
!divide line of film area
LSEL,S,LINE,,1,3,2
LESIZE,all,,,d1
ALLSEL
LSEL,S,LINE,,2,4,2
LESIZE,all,,,d2
ALLSEL

!mesh film area
TYPE,3,
ASEL,S,AREA,,1
AMESH,ALL
ALLSEL

!extrude silicon substrate volume
TYPE,1,
MAT,2,  

ESIZE,0,d3,                        !ESIZE,0,d3...d3 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,1, , ,0,0,t1,,,,             !A1 沿著 z方向 t1長度 長element  ##記得 A1 最後要消除掉##

ASEL,S,,,1   
ACLEAR,ALL
ALLSEL
EPLOT

!extrude air gap volume
TYPE,2,
MAT,3,  

ESIZE,0,d4,                       !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,2, , ,0,0,t2,,,,             !A2 沿著 z方向 t2長度 長element  

!extrude polysilicon membrane volume
TYPE,1,
MAT,1,  

ESIZE,0,d3,                       !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,7, , ,0,0,t3,,,,             !A7 沿著 z方向 t3長度 長element

!extrude around air volume
TYPE,2,
MAT,3,  

ESIZE,0,d5,                        !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,4, , ,L3,0,0,,,,           !A4 沿著 X方向 t3長度 長element
VEXT,9, , ,L3,0,0,,,,           !A9 沿著 X方向 t3長度 長element
VEXT,14, , ,L3,0,0,,,,          !A14 沿著 X方向 t3長度 長element


ESIZE,0,d5,                        !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,12,30,18 ,0,0,L3,,,,       !A7 沿著 z方向 L1/2長度 長element

ASEL,S,LOC,Y,L2
ESIZE,0,d5,                        !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,all,, ,0,L3,0,,,,          ! 沿著 Y方向 L3/2-L2長度

ASEL,S,LOC,X,0
ESIZE,0,d5,                        !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,all,, ,-L3,0,0,,,,         !沿著 -x方向 L3-L1長度 長element
ALLSEL

ASEL,S,LOC,Z,0
ESIZE,0,d5,                        !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,all,, ,0,0,-L3,,,,         !沿著 -Z方向 L3-L1長度 長element
ALLSEL

ASEL,S,LOC,Y,0
ESIZE,0,d5,                        !ESIZE,0,4...4 is the division number of silicon film in z direction
VEXT,all,, ,0,-L3,0,,,,         !沿著 -y方向 L3-L1長度 長element
ALLSEL

!NUMMRG,node
!NUMMRG,elem
!NUMMRG,KP   
           
vsel,s,VOLU,,2                    ! Volumes for air elements
vsel,a,VOLU,,4,45,  
cm,air,VOLU                       ! Group air Volumes into component 把air的VOLU改名為air
allsel,all



!*
!######################## voltage condition #############################
!*

vsel,s,VOLU,,3              ! volume for polysilicon
ASLV,s                      ! Selects those areas contained in the selected volumes.
da,all,volt,v1              ! Apply voltage to polysilicon
allsel,all


vsel,s,VOLU,,1              ! volume for silicon
ASLV,s                      ! Selects those areas contained in the selected volumes.
da,all,volt,v0              ! Ground conductor
allsel,all

!!APPLY voltage v0 on aroubd air boundary
!ASEL,S,LOC,Z,t1+t2+t3+L1/2
!ASEL,A,LOC,Z,-L1/2
!ASEL,A,LOC,X,L1+L1/2
!ASEL,A,LOC,X,-L1/2
!ASEL,A,LOC,Y,L2+L1/2
!ASEL,A,LOC,Y,-L1/2
!da,all,volt,0                       ! APPLY GROUND POTENTIAL
!allsel

et,1,0                      ! Set structure to null element type

physics,write,ELECTROS      ! Write electrostatic physics file  
                            !  *WRITE  —  Write all appropriate element types, key options, real constants,
                            !             material properties, solution analysis options, load step options,
                            !             constraint equations, coupled nodes, defined components, and GUI
                            !             preference settings to the file specified with the Fname and Ext arguments.
physics,clear               ! Clear Physics

!STRUCTURE

et,1,solid95                ! Define structure element
et,2,0                      ! Set air to null element type

!*Polysilicon*  
MP,EX,1,170e3,        !楊氏係數 Set Modulus  μN/(μm)^2
MP,nuxy,1,0.23,        !poisson ratio

!*Silicon*  
MP,EX,2,190e3,        !楊氏係數
MP,nuxy,2,0.23,        !poisson ratio

!*
!######################## boundary condition #############################
!*

DA,16,ux,0
DA,16,uy,0
DA,16,uz,0

DA,1,ux,0
DA,1,uy,0
DA,1,uz,0

allsel,all
finish
physics,write,STRUCTURE     ! Write structural physics file

ESSOLV,'ELECTROS','STRUCTURE',3,0,'air',,,,
                            ! Solve coupled-field problem
finish

!physics,read,ELECTROS       ! Read electrostatic physics file

!/post1


physics,read,STRUCTURE
/post1

评分

1

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 楼主| 发表于 2007-2-11 17:42:46 | 显示全部楼层 来自 台湾

沒人回覆自己來一下好了

Simdroid开发平台
我发现因为在2D分析时我使用的是PLANE STRAIN
这表示假设版的宽度为无限宽板
所以当我在3D分析时把板的宽度一直增大
两着因静电力所产生的位移会越接近
虽然这样的现象是合理的
不过有看到其它期刊发表的结果 使用的各项参数也与我的分析相同
一开始两着的差异性不像我的分析结果差异这么大
年关将近
希望能有高手帮忙解惑
让我安心过个好年

先预祝各位新年快乐 诸事顺心如意
发表于 2007-2-12 01:36:06 | 显示全部楼层 来自 美国
网格数目需要增加?
 楼主| 发表于 2007-2-13 09:35:15 | 显示全部楼层 来自 台湾
感谢普洱茶的建议

我已在2D与3D分析都将网格数目增加

2D的结果没有什么改变
不过3D的位移量与静电力却越来越大
怎么会发生这种事??

有没有高手能帮忙我检查一下我的命令流有没有问题?
发表于 2009-8-9 01:13:35 | 显示全部楼层 来自 江苏扬州
确实有此种问题,但是我的3D比2D,位移多6%,没有你那么厉害。

建议你用3D算一下方膜的,好像和理论值差不少。
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发表于 2010-3-8 13:33:08 | 显示全部楼层 来自 陕西西安
你用的什么范例的书?谢谢
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