OOFELIE软件在MEMS行业中的应用

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●一、OOFELIE软件介绍●

新一代多物理场强耦合仿真软件

1、OOFELIE::Multiphysics 软件介绍：

Open Engineering是一家在多物理领域提供计算机辅助工程(CAE)软件工具和服务的技术公司。基于OOFELIE::Multiphysics平台，为大型工业3D设计工作的进行分析优化。越来越多的高精度应用必须在苛刻的条件下运行，在仿真中可以综合考虑多物理的影响因素，并利用多种算法快速求解，OOFELIE::Multiphysics多物理场仿真提供的数值结果贴近实际，大大节省了研发时间，也有助于提高设计创新，成功的技术创新是基于稳健的设计。

工业仿真问题不同于理论研究，往往要求实物建模、真实多场分析并快速求解。仿真设计通常涉及结构、热传、机械、声学与振动、压电、热阻、电流、流体、光学、微机电、电磁场等问题，这些物理场往往同时存在，相互影响。例如执行器、传感器、微机电系统。

集成了有限元、边界元、快速多级子算法的OOFELIE::Multiphysics仿真平台能够快速收敛和精确计算超大型多物理场耦合问题，减少设计周期，提高创新能力，是一款3D多物理FEA解决方案软件。

2、主要特点

多物理场仿真求解

可以完成复杂电磁、传热、结构、流体、振动、声学、光学耦合仿真问题的高效计算学耦合仿真问题的高效计算。

快速、精确计算

支持多种算法：有限元法（FEM）、边界元（BEM）、有限体有限体积法（FVM）、快速多极子算法（FMM）。

支持FEM、BEM、FVM等算法直接耦合计算。

强耦合仿真计算

提供耦合单元，在单元节点、边、面上都有多重自由度，允许各个物理场的本构方程在单元上耦合并同时求解。

3、OOFELIE::Multiphysics求解器功能：

l 传感器，执行机构和微机电系统

l 光学机械系统和微光机电系统（MOEMS）

l 流固耦合应用

4、多物理场

OOFELIE

振动声学
• 压电设备
• MEMS
• 热压电器件
• 热结构耦合
• 光热机械耦合
• 电热力耦合
• 电磁
• 多物理场

●二、MEMS行业应用案例●

1、MEMS建模与仿真

强耦合仿真计算

•传热+结构力学耦合

–热膨胀、热应力

–热驱动设备

•静电+结构力学

–静电驱动

–压电效应

–压阻效应

•电流-传热-结构力学

–焦耳热、热膨胀

–热电效应

–热-弹性阻尼

•电学-声学-结构力学

–压电换能器

–振动声学、声压分布

•RLC电路耦合接口

2、热结构耦合

• 机械结构+热效应

–热驱动设备

–结构振动器件

–热应力分析

–接触分析

–预应力分析

•求解类型

–静力学分析

• 线性和非线性

–瞬态分析

–超单元分析

3、压电分析（电学+力学）

• 压电设备

– 压电效应&逆压电效应

• 传感器、执行器

• 陀螺仪、加速度计

– 复杂接触

– 预应力分析

– 电极特征（耦合RLC器件）

• 求解类型

– 静力学分析

– 模态分析

– 谐波分析

– 瞬态分析

4、特点介绍

软件主要特点：

边界元法（BEM）

外界无限电介质

FEM/BEM 强耦合

线性单元& 二次单元

对称和反对称平面

外界电势点显示

线性静态预加应力

科里奥利效应

电偶极子

电极上总电荷计算

…

•模拟能力

–3D耦合分析

–机械、介电、压电

•约束

–电(等势面、外加电压… )

–机械 (固定端约束、铰链支座约束、施加位移… )

•载荷

–电(分布电荷… )

–机械(体积力、科里奥利力、压力… )

5、案例：环形激振器

环形激振器：位移场和电场

扩展：振动声学

6、案例：压电驱动引擎

压电设备

左侧激励电压，右侧激励电压与左侧反相

接触分析

–接触罚函数

–支持定义摩擦

7、案例：静电场中平板受力

8、电+热+力耦合

•热结构分析

   –热源:焦耳热
   –电热系统仿真
   –点焊
   –焦耳热与热膨胀

   –耦合Electromagnetism分析
•求解类型
   –静态分析
   –瞬态分析
•阻尼效应
•惯性效应

9、案例：电阻桥变形分析

•电热力三场耦合分析

–电流流动导致焦耳热

–焦耳热引发结构热变形

–必要的时候考虑温度对电学参数的影响

10、案例：双层微激振器

11、案例：热电制冷器

•电热力三场耦合分析

–电流流动导致焦耳热

–焦耳热引发结构热变形

–必要的时候考虑温度对电学参数的影响

位移场和温度场分布

12、与声学的耦合

• 电学+结构力学+声学

–结构振动作为声学激励信号，结构变形可能由其他信号激励（电、磁、热等）

– 声学分析可以采用FEM方式，对于无限空间传输问题，软件提供BEM算法

• 典型应用

–压电声学换能器

–电声

•扬声器、喇叭

•麦克风

13、OFELIE::MEMS

•静电驱动设备

–悬臂梁

–电梳

–静电吸合

•传感器

–加速度计

–陀螺仪

•微机电系统

–微光机电系统

•微流

14、Demo : Stokes 流

•悬臂梁粘性介质中振动

–结构变形驱动流体流动

–边界元算法(BEM)计算流体

15、光热力学

16、Oefelie：Trust

●三、典型案例●

振动惯性加速度计（VIA）——多物理场强耦合仿真分析

振动惯性加速度计的设计是一个多物理场强耦合问题，涉及到电磁场、结构力学、声学和传热多物理场强仿真分析，同时也包含了珀耳帖效应和静电效应。传统的仿真方法是将这些物理场进行顺序耦合仿真，导致仿真结果的误差。OOFELIE::Multiphysics 将这些物理场实现强耦合仿真分析，得到高精度的仿真结果和良好的收敛性。

能量是从100°C的热凝视中提取的，目前的模拟考虑并耦合了以下效应。
1、在流体域中流动
2、流体介质与结构之间的共轭传热
3、结构中的热机效应
4、结构中的热电效应

这个瞬态分析提供了访问：
1、流体的压力、温度和速度分布

2、温度在结构中的分布

3、热机械变形在结构中分布较均匀

4、装置内部的电位分布

通过仿真，我们可以获得：

加速度计的能量损耗；
优化谐振品质；
降低加速度计谐振频率的热应力。

我们可以利用OOFELIE::Multiphysics 将器件接入电路中，实现电路与物理场的耦合， OOFELIE::Multiphysics 软件提供了EDA工具接口，实现数据的交换。

产品模块

MEMS 微机电模块

Vibroacoustic 振动声学模块

Electromagnetic 电磁模块

Thermal Mechanics 热力学模块

Advanced Optics 高级光学模块

来源：武汉宇熠

静力学振动非线性电路光学通信理论电机 MEMS Zemax OOFELIE::Multiphysics MCGrating

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首次发布时间：2023-05-28