Статья

Название статьи МЕТОД СОЗДАНИЯ МАКРОМОДЕЛЕЙ МЭМС В ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ ANSYS
Автор О.Ю. Воронков, С.А. Синютин
Рубрика РАЗДЕЛ III. ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЭМС-ДАТЧИКОВ
Месяц, год 03, 2015
Индекс УДК 004.942
DOI
Аннотация Описывается роль макромоделей (моделей пониженного порядка) в проектировании и испытаниях МЭМС, поясняются их преимущества по сравнению с полными моделями метода конечных элементов (МКЭ) для поведенческого моделирования динамических характеристик МЭМС в реальном времени и гибких исследований свойств полученных объектов. Приводится математическая интерпретация процедуры понижения порядка системы уравнений динамики путём перехода от полной модели, представленной в форме уравнений в переменных состояния, к уравнениям в переменных состояния макромодели. В обобщённой форме излагается компьютерный метод формирования макромоделей в программе ANSYS на базе исходных полных моделей МКЭ со снижением требований к мощности ЭВМ и сохранением точности оригинальной модели для последующего экспорта матриц массы, жёсткости, демпфирования и пр. в программу MatLab в целях моделирования динамики МЭМС. Описываются и графически иллюстрируются четыре основных этапа работы над макромоделью в системе ANSYS: подготовка модели, этап создания, этап использования и этап расширения. Указываются взаимосвязь этих этапов, результирующие файлы, получаемые в конце каждого этапа и требуемые для дальнейшей работы, раскрывается понятие связанного анализа, обозначается возможность дальнейшей отправки результатов расчёта в систему MatLab. Актуальность работы заключается в необходимости поведенческого моделирования динамики МЭМС в реальном времени для тщательной проверки работоспособности объектов, что трудноосуществимо с применением полных моделей МКЭ по причине их громоздкости, а значит, затрат большого объёма компьютерных ресурсов. Научная новизна результатов состоит в пошаговом описании алгоритма построения макромодели МЭМС на основе полной модели МКЭ для возможного последующего преобразования данных в формат MatLab Simulink.

Скачать в PDF

Ключевые слова Микроэлектромеханическая система; метод конечных элементов; макромодель; ANSYS; MatLab; база данных.
Библиографический список 1. Wachutka G. The art of modelling coupled-field effects in microdevices and Microsystems // Int. Conf. on Modeling and Simulation of Microsystems. – 1999. – P. 697-703.
2. Ziegler F. Mechanics of Solids and Fluids. Springer, 1998.
3. Лысенко И.Е. Проектирование сенсорных и актюаторных элементов микросистемной техники. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 103 с.
4. Chollet F., HB. Liu. A (not so) short Introduction to Micro Electromechanical Systems // URL: http://memscyclopedia.org/Document/ introMEMS.pdf.
5. Petrenko A.I. Macromodels of micro-electro-mechanical systems (МЕМS) // Institute of the Applied System analysis of NTUU “КPІ” URL: http://grid.kpi.ua/files/2011-2.pdf.
6. Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White. MEMS Mechanical Sensors. London: In-Print-Forever, 2003. – 282 р.
7. Korvink Jan G. and Paul Oliver. MEMS: a practical guide to design, analysis, and applications. Norwich: William Andrew, Inc., 2006. – 965 p.
8. Senturia S.D. Microsystem Design. Kluwer Academic Publishers, 2001.
9. Gerlach G.and Dцtzel W. Introduction to Microsystem Technology, A Guide for Students, Wiley, Microsystem and Nanotechnology Series, 2008.
10. Senturia S.D., Aluru N. and White J. Simulating the behavior of MEMS devices: Computational methods and needs // IEEE Computational Science and Engineering. – 1997. – № 4. – P. 30-43.
11. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Солдусова Е.А. и др. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: учебное пособие. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 271 с.
12. Рилей Джордж А. Мир микро- и наноэлектроники: учебное пособие по современным технологиям в производстве микросистем: Пер. с англ. Курск: «Экспромт», 2009.
13. Eloe J.C. MEMS and Nano Divergence: Status of MEMS industry. YoleDevelopment, Sept. 2009.
14. Hung E.S. and Senturia S.D. Generating efficient dynamical models for microelectromechanical systems from a few finite-element simulation runs // IEEE Journal of Microelectromechanical Systems. – 1999. – № 8. – P. 280-289.
15. Zhao X., Abdel-Rahman E.M., and Nayfeh A.H. A reduced-order model for electrically actuated microplates // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2004. – № 14. – Р. 900-906.
16. Voigt P., Schrag G., Kцnig E.-R. and Wachutka G. Modeling Strategies for Microsystems // Tech. Dig. of MSM’98. – 1998. – P. 517-521.
17. Lienemann J. Complexity Reduction Techniques for Advanced MEMS Actuators Simulation // PhD Thesis, University of Freiburg, 2006.
18. Bai Z., Dewilde P.M., and Freund R.W. Reduced order modeling. In W.H.A. Schilders and E.J.W. ter Maten, editors, Numerical Methods in Electromagnetics, Handbook of Numerical Analysis. – Elsevier, Amsterdam, 2005. – Vol. XIII. – P. 825-895.
19. Bui-Thanh T., Willcox K., and Ghattas O. Model reduction for large-scale systems with high-dimensional parametric input space // SIAM J. Sci. Comput. – 2008. – № 30 (6). – P. 3270-3288.
20. Segalman D.J. Model reduction of systems with localized nonlinearities // ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics. – 2007. – № 2. – P. 249-266,
21. Лысенко И.Е., Куликова И.В., Полищук Е.В. и др. Моделирование элементов микросистемной техники в программе ANSYS: Учебно-методическое пособие. – Таганрог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007. – 42 с.
22. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. – М.: ДКМ Пресс, 2005. – 640 с.
23. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования: Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Информационные системы в математике и механике». – Нижний Нов-
город, 2006. – 115 с.
24. Леонтьев Н.В. Применение системы ANSYS к решению задач модального и гармонического анализа: учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Информационные системы в математике и механике». – Нижний Новгород, 2006. – 101 с.
25. Coupled-Field Analysis Guide. Release 12.1 // ANSYS, Inc., 2009. URL: http://orange.engr.ucdavis.edu/Documentation12.1/121/ans_cou.pdf.
26. Tamara Bechtold, Gabriele Schrag, and Lihong Feng. System-level Modeling of MEMS. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013. – 562 p.
27. Alain Batailly. Exporting Ansys FEM models into Matlab mass and stiffness matrices // McGill University, Structural Dynamics and Vibration Laboratory, 2008. URL: http://structdynviblab.mcgill.ca/pdf/AnsysMatlab.pdf.

Comments are closed.