Overview of the RF Module
Learn how to set up an efficient model using
Hands on exercise (if time allows)
Model of periodic nanowire grating
לצורך השתתפות בסדנא לא נדרש ידע מוקדם בתוכנת COMSOL Multiphysics
משך הסדנא: שעתיים
הצטרף ליום טכני זה ושפר משמעותית את יכולות הסימולציה שלך ב- COMSOL Multiphysics
מטרות היום (9:00-16:00):
הבנה טובה יותר של סוגי הסימולציות ולגלות לעומק מה מתרחש ב- COMSOL Multiphysics
הסדנא תהווה מקור לשאלות והשתתפות מעשית בבניית הסימולציה
משך הסדנא: 3 שעות
Meshing (11:15-13:15)
Understanding the Solvers (14:00-16:00)
** COMSOL Day מיועד ללקוחות החברה הנמצאים תחת חוזה שרות
Error: Contact form not found.
עבודת מחקר של הסטודנט עדן חזן במסגרת התואר השני בחוג להנדסת חומרים – אוניברסיטת בן גוריון, בהנחייתו של ד”ר יניב גלבשטיין:
עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:
“במסגרת העבודה פותח צמד תרמואלקטרי אשר מציג ביצועים תרמואלקטריים מהגבוהים שפורסמו בעולם”.
“על מנת להגיע לביצועים שכאלה בוצעה אופטימיזצייה לצמד זה שהתאפשרה אודות למודל שפותח בתוכנת ®Comsol Multiphysics”.
“כל המודלים המפורסמים אינם לוקחים בחשבון את תלות התכונות הפיזיקליות של החומרים בטמפ’, מתייחסים רק לדגמים הומוגניים ואינם לוקחים בחשבון את השפעת הסביבה על הביצועים”.
במודל שפיתחנו ב- ® COMSOL Multiphysicsהצלחנו להתגבר על מגבלות אלה:
מקורות חשמל מתחדשים וברי-קיימא הינם נושא למחקר מתמשך בשנים האחרונות, על מנת לצמצם את התלות בדלקי מאובנים (פחם, נפט, גז טבעי), ולטובת שמירה על סביבה טובה יותר. תרמואלקטריות, השיטה בה מומר חום לחשמל בצורה ישירה, מציגה יתרונות מעניינים רבים יחד עם חסרון אחד בולט של יעילות המרה נמוכה, בהשוואה לחלק מהטכנולוגיות המתחרות. שילוב של גנראטורים תרמואלקטריים לטובת ניצול החום המבוזבז שנוצר במפעלים תעשייתיים, מנועים של מכוניות ועוד, והפיכתו לחשמל שימושי, מצריך מאמצים משותפים הן בפיתוח של חומרים תרמואלקטריים חדשים ויעילים, והן בטכניקות סימולציה מתקדמות.
במחקר הנוכחי פותח אלמנט תרמואלקטרי מדורג מתקדם מסוג n המבוסס על המטריצה החומרית (PbSn0.05Te)0.92(PbS)0.08המציגה מנגנון מטלורגי של היפרדות פאזות. לטובת הערכת הפוטנציאל התרמואלקטרי של חומר זה, בשילוב עם החומר שדווח בעברGe0.87Pb0.13Te מסוג p אשר מראה ערכי גורם טיב תרמו-אלקטרי (מדד ליעילות של חומר תרמו-אלקטרי. ערכים מקובלים בספרות הינם 1) יוצאי דופן עם ערך של 2.2, פותח וקיבל תוקף בניסויי מודל תרמו-אלקטרי בשיטת האלמנטים הסופיים, אשר לוקח בחשבון מאפייני חומרים תרמואלקטריים תלויי טמפרטורה, התנגדויות מגע, תרומת חום Thomson וחום Joule עבור כל מאזני החום במודל.
עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:
התוצאות חוזות, עבור הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, יעילות תרמואלקטרית מרשימה מאוד של 14%, שזה גבוה ביותר מ- 20% מהערכים הקודמים שדווחו בעבודה תחת משטר טמפרטורה קרה וחמה של 50 ו- 500 מעלות צלסיוס בהתאמה, מה שמעיד על פוטנציאל גבוה יותר מאי פעם לשילוב מעשי ביישומים ממונעים.
מידול בשיטת האלמנטים הסופיים של הביצועים התרמואלקטריים הצפויים של הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, התבסס על תכונות חומרים תלויי טמפרטורה, טמפרטורות חמות וקרות אופייניות של חום שיורי ביישומים ממונעים, ופרמטרים גיאומטריים אופטימאליים של האלמנטים התרמואלקטריים אשר חוברו בגשרי נחושת (תכונות הנחושת נלקחו מתוך ספרי החומרים בתוכנה).
משוואת מעבר החום, ע”י שימוש בממשק פיזיקת מעבר חום בתוכנת ®COMSOL Multiphysics , יושמה לשם חישוב פרופילי התפלגות הטמפרטורה לאורך כל אחד מהסגמנטים של האלמנט המדורג מסוג n והאלמנט ההומוגני מסוג ,p כפי שנראה במשוואה הבאה:
כאשר A שטח החתך, I הזרם החשמלי, α הוא מקדם Seebeck , κ המוליכות התרמית ו-ρ ההתנגדות החשמלית הסגולית של כל אחד מהאלמנטים בצמד.
כדי לפתור משוואה ממעלה שנייה שאינה ליניארית כמו זו, יש לפתח מודל תרמואלקטרי מדויק, ועל כן פנו החוקרים לכלי החישוב העוצמתי והאמין של ®COMSOL Multiphysics.
תנאי הגבול שיושמו עבור הצימוד התרמואלקטרי בסימולציה, רשומים במשוואות הבאות:
כאשר ממדלים אלמנט תרמואלקטרי מדורג, חשוב מאוד לכלול חום PELTIER, שנוצר מההיווצרות של החיבור החדש בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג .n על מנת לקחת בחשבון את תרומתו של אפקט חום זה, המודל הנוכחי כולל אזור ביניים אינפיניטסימאלי בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג n, אשר הוגדר בתוכנה כיצרן חום, כפי שרואים במשוואה הבאה:
משוואות מאזן החום בצד החם ובצד הקר של הצמד התרמו-אלקטרי, ניתנות במשוואות הבאות, בהתאמה:
בשתי המשוואות המתוארות, האיבר הראשון מייצג את חום PELTIER שמתפתח בכל אחד מהצמתים, שני האיברים האמצעיים מייצגים את מעבר החום שעובר בקטעים, והאיבר האחרון מייצג את חום ג’אול שמתפתח לאורך מגעי הנחושת.
תחת תנאים אלו, הספק החשמל הכולל, P , שהתפתח בנגד העומס, RL מתואר במשוואה הבאה:
עבור כל החישובים, אחוז השגיאה נמצא כנמוך מ- 0.1%, דבר המצביע על אמינות ודיוק גבוהים של הפרמטרים המצומדים שחושבו. יתרה מזאת, במטרה להימנע מזמני חישוב ארוכים, המודל נפתר תוך לקיחה בחשבון תנאי גבול שאינם כרוכים בשינוי חום, אף על פי שתוכנת ®COMSOL Multiphysics מאפשרת שינויים אלה.
ערכי ההספק החשמלי המופק והניצולת התרמואלקטרית, של הצמד התרמואלקטרי שנחקר, אשר עברו סימולציה, תוך התחשבות במאפייני החומרים תלויי הטמפרטורה ותרומות המגעים, ביחד וכל אחד לחוד, בהשוואה למודל בסיסי המתחשב בערכים ממוצעים, שהוא הנפוץ ביותר בספרות, מוצגים באיור הבא:
לסיכום, שימוש בתוכנה ®COMSOL Multiphysics יחד עם פיתוח חומרים תרמו אלקטריים משופרים אפשרו לראשונה קבלת ביצועים חשמליים ותרמו אלקטריים מהגבוהים המדווחים בספרות המקצועית יחד עם אמינות ודיוק בערכים שהתקבלו. יחד עם זאת, ממשק התוכנה מאפשר את בחינת הביצועים כתלות בפרמטרים רבים כמו תנאי סביבה, גיאומטריה ועוד.
חברת סלזגיטר מנסמן פורשונג משתמשת בסימולציה על מנת לאמוד את התנהגותם של צינורות פלדה במהלך בדיקה אלקטרומגנטית, ובכדי לשפר את הליך הערכת פגמים חבויים.
כאשר נוצר סדק בצינור פלדה כבד, השאלה המרכזית היא מה רמת הדליפה. בטיחות קודמת לכל, אך גם על הפרק עומדים דדליינים רבים ואלפי יורואים שמושקעים בפרוייקטים. זהו אתגר גדול במיוחד עבור יצרני רכיבים מאוד גדולים, בייחוד אלו הפועלים תחת לחצים גדולים וטמפרטורות גבוהות.
פרוצדורות בדיקת איכות מבוצעות בתהליכי ייצור הפלדה, ואחת משיטות הבדיקה הלא הרסניות הנפוצות ביותר בהן נעשה שימוש הינה פיקוח על דליפת שטף מגנטי, אשר כולל מיגנוט חלק של צינור פלדה. שיטת הפיקוח הנדונה מכילה כלי רתמה בצורת פרסה עם סליל שמלופף על כל קצה. זרם של 3 kHz מופיע לסירוגין בסלילים אשר מחולל שדה מגנטי צר, וכל דליפה בין שני הסלילים נמדדת ומעידה כי חוסר ההמשכיות בחומר יכולה להיות זרימה.
מערכת לפיקוח בעזרת מודל
מודל הסימולציה נוצר בעזרת מודול ה DC/AC של ®COMSOL Multiphysics ומציג מלבן פלדה בגובה 10 מילימטר ורוחב 115 מילימטר. נמיץ ושמיט צפו כי זמני החישוב יהיו ארוכים ולכן הם קודם בנו מודל דו מימדי בו הזרם שעובר בסלילים הוא אנכי למישור הגיאומטרי. הצורה הגיאומטרית והמיקום של הזורם המלאכותי, יכולים לקבל פרמטרים ע”י שרטוט של ®MATLAB.
כיוון שמערכת הדו מימד מסוגלת להתחשב רק בזורמים סימטריים מאוד, השלב הבא היה לבנות מודל תלת מימד. רישות צפוף מאוד שיתחשב באפקט קליפה בגבולות, יביא בסופו של דבר לתוצאות של קרוב ל 20 מיליון דרגות חופש וזמני חישוב ארוכים מאוד. בכדי להתעלם מזה החוקרים השתמשו בסימטריה כדי להקטין את גודלו של המודל ברבע ואז הוסיפו רישות סחף בגבולות. החישוב בוצע עם 4.7 מיליון דרגות חופש, אך על אף התאמה זו היה אפשרי בלבד לחקור חריצים סימטריים.
בשלב זה החליטו החוקרים לפנות לתנאי סף אימפדנסי על מנת לאפשר את אפקט הקליפה. בעזרת זה, נפחו של המוליך לא חייב להיות ממודל. הערכה בלבד עשויה להיות תקפה אם עובי הפלדה הוא יותר מפי ארבע מעומק העור. בהתחשב בכך שהפלדה היא פי 21 עבה יותר מעומק העור, גישה זו תקפה.
רק פני השטח של אובייקט הפלדה היה חייב להיות מרושת והחוקרים הורידו את המודל ל 1.7 מיליון דרגות חופש. זה כלל את כל הגיאומטריה התלת מימדית והיה אפשרי להגדיר חריצים שרירותיים. כדי לתת תוקף למודל, מידע ממידע הסימולציה הושווה עם מידע נמדד מצינורות בדיקה אשר הכילו חריצים בעומקים שונים. התוצאות הראו איכות קורלציה גבוהה של האותות.
הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL
חוקרים בוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות הופכים מניפולטורים רובוטיים מיניאטוריים לקלים יותר לבניה ולהפעלה. הצוות מקווה להציע אקטואטור זול יותר מזה שנמצא כרגע בשימוש במכשירי ניתוחים. יום אחד, אולי הדבר ייצור מהפכה בשיטות שנראות על שולחן הניתוחים.
ניתוח בעל פולשנות מינימאלית תלוי בכלים קטנים וגמישים בעל הפעלה אמינה וביצועים עקביים. מתקנים רובוטיים נכנסו לחדר הניתוח כאסיסטנטים בתהליכים המצריכים שעות של עמידה בחלק של הניתוח. הבעיה היא שמתקני ניתוח רובוטיים רבים הם יקרים מאוד, מגושמים ומתישים להפעלה. כריסטין רוטינט, חוקרת במעבדת השילוב הטכנולוגי מערכתי של הוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות, מבקשת למצוא אלטרנטיבה.
שיפור חווית הניתוח דרך הפעלה בשלב-שינוי
מטרתה של רוטינט לספק למנתחים כלים רובוטיים ורסטיליים שיוכלו להרשות לעצמם, אשר יפחיתו את הכאב שגוררים אחריהם ניתוחים ארוכים. על המכשיר להיות אינו יקר, מיניאטורי, מספק כוחות גדולים עם תזוזות רבות באופן יחסי, בעל צריכת חשמל סבירה, ועומד בדרישות הרפואיות. לדוגמא, וולטאז’ים גבוהים אינם בטוחים, ושדות מגנטיים לא יכולים להופיע בסביבת ציוד כמו מכונות MRI.
רוטינט חקרה אקטואטורים מיניאטוריים בשלב-שינוי, שיוצרים תזוזה וכוח מהתפשטות הנפח שמתרחשת כאשר חומר עובר ממצב צבירה מוצק לנוזל. היא חיפשה חומר עם שיעור התפשטות גבוה וטולרנס מאמץ, ושלב שינוי שמתרחש בטמפרטורה שבין טמפרטורת הגוף של המטופל והגבול המותר. רוטינט בחנה מיקרו-אקטואטור שפותח ע”י חברת Goldschmidtboing. המכשיר עובד על פראפין, פחמימן שעוותי אשר מתרחב כ- 10-20 אחוז מנפחו כאשר מתחמם והופך ממוצק לנוזל. הוא שולב עם חלקיקים שחורים כפחם, מה שיצר תערובת מוליכה שתתמוך בחום ג’אול כאשר עובר בה זרם חשמלי.
חיזוי התנהגות האקטואטור ע”י שימוש בסימולציה מולטיפיזיקלית
הסימולציה של לאזארו כללה פרמטרים גיאומטריים, תרמיים, מכאניים וחשמליים. “COMSOL® איפשרה צימוד ישיר של הפיזיקות המעורבות” הוא מסביר. “זוהי בעיה מולטיפיזיקלית עם מוליכות חשמלית שאינה ליניארית, צפיפות וקיבולת חום ספציפית, וצמיגות משתנה, כל אלו משפיעים על הסטייה”. ®COMSOL איפשרה לו לחקור בדיוק כיצד כל פרמטר משפיע על התזוזה.
“השתמשנו ב- ®COMSOL ככלי חיזוי. אנחנו יכולים בקלות להשתמש בפרמטרים, לשנות את גובה האקטואטור, את עובי הקרום, ואת תערובת השעווה. יותר מכך, מקדם ההתנגדות גובר ככל שהטמפרטורה עולה, כיוון שחלקיקי הפחמן מתפזרים כאשר הפראפין מתפשט”. לאזארו העריך את ההתנהגות הזו ע”י מידול התפלגות המוליכות החשמלית.
הפנים החדשות של הכלים הרובוטיים בניתוחים
לאזארו בנה בהצלחה מודל מולטיפיזיקלי ריאליסטי של אקטואטור בשלב-שינוי, המסמלץ התנהגות מכאנית והיבטי שליטה. הוא משתמש בסימולציה שלו לטובת התכנון והאופטימיזציה של האקטואטור המיניאטורי שמפתחת הוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות, בכדי לייצר את העומסים הגבוהים וטווח התזוזה שהוא ורוטינט חזו. תהיה לו צריכת חשמל נמוכה, הוא יעמוד בדרישות הרפואיות, והוא יפחית את העלויות והנטל של המנתחים. אב הטיפוס – שאמור להסתיים ב- 2014 – ייבדק ביסודיות בטרם ישולב לתוך כלי ניתוח רובוטי. בקרוב נוכל לראות רובוט ניתוחי זול וקל לתפעול, בחדר הניתוחים.
הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL
Recent Comments