COMSOL Multiphysics??軟件 6.0 版本新增了一項功能，可以方便地對涉及使用壓電器件的應用進行建模。軟件內置的壓電波，時域顯式?接口將現有的間斷伽遼金方法（dG 或 dG-FEM）從應用于流體和線彈性材料中的聲學擴展到壓電介質。對于模擬傳播距離相對于波長較遠的聲波的產生和接收，這是一種高效的可選方案。像對超聲成像、無損檢測 (NDT)、流量計和叉指型聲表面波器件等應用進行仿真，均可以使用這項功能COMSOL模擬。接下來，我們來詳細了解這項功能。

壓電波，時域顯式接口

壓電波，時域顯式?多物理場接口位于聲學?> 彈性波?分支下，可用于二維、二維軸對稱和三維分析。

如何從添加物理場向導訪問新接口。

使用此接口可以對正、逆壓電效應進行建模，并使用應變-電荷或應力-電荷形式來表示壓電耦合。因此，當壓電設備用作發射器、接收器或同時用作兩者時，此接口適用于大型瞬態聲學問題。該多物理場接口將彈性波，時域顯式接口和靜電接口使用新的壓電效應，時域顯式?多物理場耦合結合了起來。彈性波部分使用高階間斷伽遼金公式實現，并使用時域顯式求解器求解；靜電問題通過使用有限元法（FEM）實現的代數方程系統在每個時間步長求解。這使得我們可以用顯式時間步長方法來求解完全耦合問題，并且只有靜電方程是用使用基于矩陣的方法來求解的。總的來說，這構成了一種高效內存的方法，也很適合在集群上進行分布式計算。

壓電波，時域顯式接口?的用戶界面，此處顯示的是?角鋼梁無損檢測教程模型。

添加壓電波，時域顯式多物理場接口時，每個物理場都包含兩個材料模型，用于解釋不同材料中的本構關系。彈性波，時域顯式物理場包含一個用于線彈性材料的?彈性波，時域顯式模型材料節點和一個專用于壓電域的?壓電材料?節點。

在兩種材料模型中都可以添加瑞利阻尼，以包括機械損失。同時，靜電物理場接口包含用于常規介電材料的?電荷守恒?材料節點和用于壓電域的電荷守恒，壓電節點。前者支持傳導損耗，而后者支持彌散模型用于捕獲介電損耗。然后，使用壓電效應，時域顯式多物理場特征將兩個物理場中的壓電材料模型耦合起來。

使用形成裝配和一致對

正如“彈性波，時域顯式接口簡介”這篇文章中的“網格和求解”部分所解釋的那樣，在耦合具有不同屬性的域時，使用幾何裝配體及非共形網格非常重要，這對于涉及壓電設備的應用而言，幾乎總是正確的。

簡而言之，這是為了避免由于特定材料域中不必要的小網格單元而導致內部求解器時間步長過小；時間步長取決于局部網格大小和聲速，也稱為?單元波時間尺度。

正如下圖中的角鋼梁無損檢測教學模型中所顯示的，COMSOL網格我們使用了不同的網格尺寸來離散具有不同材料屬性的實體域，并且網格在材料界面處是不一致的。建議始終使用壓印進行裝配來提高性能和穩定性。在關于“彈性波，時域顯式接口簡介”的文章中，我們詳細討論了基于間斷伽遼金法的物理場的網格劃分和求解的一般準則，有興趣的讀者可以閱讀這篇文章。

角鋼梁無損檢測教學模型中使用的非共形網格的放大圖像。不同的顏色表示不同的材料。

在 COMSOL Multiphysics 6.0 版本中，我們可以更方便地使用非共形網格設置模型。當幾何零件通過形成裝配體連接并創建一致對時，連續性?節點會自動被添加到?彈性波，時域顯式?物理場，并選擇所有一致邊界對（如下所示）。這確保了法向應力的連續性并提高了建模速度，因此在材料不連續界面處發生的所有現象均可被模擬。

對于裝配幾何，連續性節點會被自動添加到彈性波，時域顯式物理場接口。

下面的動畫顯示了當信號到達測試樣品表面時，傳感器發送的縱（壓縮）波轉換為折射的剪切（橫向）波。縱波用藍色顯示，剪切波用橙色顯示。剪切波被測試對象中的缺陷反射，傳輸回來，并被換能器接受。這就是角鋼梁無損檢測的工作原理，因為剪切波具有較低的衰減和較短的波長，所有能夠檢測到較小的缺陷。

角鋼梁無損檢測教學模型顯示了材料界面處的波折射和反射。

后處理

在后處理時COMSOL仿真，最重要的事情是要記住因變量是由四階單元離散的。繪圖時，我們可以通過在質量?部分設置高分辨率來查看每個網格單元中包含的空間細節。

現在，我們可以直接在后處理中使用單元波時間尺度變量 elte.wtc，以及給出全局最小值的最小單元波時間尺度?變量 elte.wtcMin。單元波時間尺度與求解器時間步長直接相關，因此對其數值的檢查可以幫助識別模型中有問題的網格單元。繪制這個變量時，將分辨率設置為無細化，將平滑設置為無。這兩種設置都可以在繪圖的?質量?部分中找到。

注意：有關來自時域顯式接口的后處理結果的其他注意事項，我們在“彈性波，時域顯式接口簡介”這篇文章中進行了討論。

與基于間斷伽遼金法的壓力聲學接口耦合

當聲音傳播路徑包括流體時，可以添加：

壓力聲學、時域顯式?接口，用于流體域中的線性波傳播，或

非線性壓力聲學，時域顯式接口，用于捕獲波在流體中傳播時產生的高次諧波。

使用內置的聲-結構耦合功能可以將這些接口中的任何一個耦合到彈性波，時域顯式?接口。有兩種耦合類型：一種是聲–結構邊界，時域顯式?耦合，用于有實體和流體結合的以及使用一致網格離散的幾何形狀，以及對，聲–結構邊界，時域顯式?耦合，用于使用了非共形網格的裝配幾何。由于固體和流體之間的巨大性質差異，一致對耦合特征在聲-結構相互作用分析中更有利。有關此應用的示例，您可以查看使用壓電換能器的超聲波流量計教程。該模型使用了換能器-水界面處的對耦合特征來捕獲在材料不連續處發生的聲音傳輸和反射。

對聲-結構邊界，時域顯式多物理場特征被用于壓電換能器的超聲波流量計教程模型。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的COMSOL6.0 版本新功能：求解大型瞬态声学问题的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。