您知道模拟压电器件应该使用 COMSOL Multiphysics® 软件的哪些产品吗？这取决于系统中包含的材料类型以及要在分析中使用的特定功能。本文我们将详细介绍几个不同的 COMSOL 的附加产品，看看它们能提供什么功能。

压电接口

压电接口将固体力学接口和静电接口与模拟压电现象所需的本构关系结合在一起，它可以模拟正向压电效应和逆向压电效应。您可以使用应变-电荷或应力-电荷形式来描述压电耦合现象。结构力学&声学产品中有 3 个模块提供了模拟压电现象的功能，分别是：

l  声学模块

l  MEMS 模块

l  结构力学模块

下图显示了这些模块中提供的与压电模拟相关的一些最常用的功能。

模拟压电的 COMSOL 产品概述

声学模块

l  声学模块包含一些特定的方法，可以模拟波在以下介质中的产生和传播：流体

l  线弹性材料

l  多孔介质

l  压电材料

1.      此模块是唯一内置了描述流体和多孔材料中波行为功能的 COMSOL 产品。您可以通过声学模块使用结合了压力声学、固体力学和静电接口的预定义多物理场耦合来模拟声-压电相互作用问题。这类问题的典型应用通常分为两类：将压电换能器作为发射器将声音辐射到周围的流体

2.      将压电换能器作为接收器检测来自周围流体的声音

l  您可以同时将压电器件模拟为发射器和接收器，详见下列案例模型：模拟同时作为信号发射器和接收器的压电器件

l  声波测井

用于发射和接收声音的压电换能器。

在流体不是主要关注问题的场景下，您可能仍然希望在模型中包含流体带来的热黏性损耗，方便研究 MEMS 结构的阻尼振动。有关这方面的示例，您可以参考以下几个案例模型：

l  具有黏性和热阻尼的振动微镜

l  压电 MEMS 扬声器

添加结构效应

当模型中包含非线弹性材料固体时，您需要使用结构力学模块或 MEMS 模块。这些产品本身都支持线性黏弹性材料模型，包括广义 Maxwell、标准线性实体 (SLS) 和 Kelvin-Voigt。黏弹性材料可用作复合压电换能器的衬底层，或用于结构的任何部分来阻止振动，如黏弹性结构阻尼器和带约束层的阻尼垫案例模型中所示。

黏弹性结构阻尼器(左)和压电阀模型(右)的网格和位移仿真结果。

如果材料具有需要考虑的非线性应力-应变关系，还需要使用非线性结构材料模块。它是结构力学模块和 MEMS 模块的附加产品，它是这两个模块的扩展，支持模拟如超弹性、蠕变、塑性和黏塑性材料等非线性材料。压电阀教学案例模型对此功能进行了演示。

MEMS 模块

MEMS 模块包括一个终端功能，允许将压电设备连接到电路。电路可用于激励换能器以及接收检测到的信号。终端功能还能够计算压电器件的集总参数，如计算复合压电换能器和散射参数(S参数)。通过手动激活终端扫描，您可以对终端运行参数化扫描并获得散射参数矩阵。

复合压电换能器的电纳水平。

由陶瓷材料制成的执行器的不同极化磁滞曲线。

MEMS 模块还提供薄膜阻尼功能，可以模拟相对移动的两个结构之间的薄流体层中的阻尼，通常被称为挤压膜阻尼或滑膜阻尼，具体取决于结构的运动与膜平面垂直还是平行。这个功能既可用作固体力学接口中使用的薄膜阻尼边界条件，也可以用作独立的薄膜流接口，与固体力学物理场接口耦合，详请参见瞬态弹流润滑挤压油膜相互作用基准模型。

MEMS 模块中的另一个相关功能是铁电弹性接口。当材料表现出自发极化时，可以使用此接口模拟处于铁电相的压电材料。铁电材料表现出非线性极化行为，例如施加的大电场下的滞后和饱和。有关这方面的示例，可以参考官网压电陶瓷的磁滞现象案例模型。

结构力学模块

结构力学模块包含的一些功能可以有效分析薄结构，例如，使用壳或膜接口分析。当您想使用压电，多层壳功能，需要同时使用结构力学模块和复合材料模块。这个功能将多层壳接口与多层壳中的电流接口相结合，能够非常高效地模拟薄层结构中的压电效应，详细可以参考官网中多层壳中的压电现象案例模型。

中间嵌入压电层的多层外壳。压电层(彩色线图)和金属层(彩色绘图)中显了轴向压缩和面外位移。

结语

总之，当单独模拟压电器件并且这些器件仅包含压电材料和线弹性材料时，声学模块、MEMS 模块或结构力学模块都可以使用。

对于振动和波动问题，只要流体或多孔介质是系统的一部分，或者需要描述热黏性阻尼以准确模拟 MEMS 器件的振动，就需要使用声学模块。如果包含线性黏弹性材料，则需要 MEMS 模块或结构力学模块。对于由非线性结构材料组成的器件，您需要使用非线性结构材料模块，该模块可以添加到 MEMS 模块或结构力学模块。

MEMS 模块提供访问终端功能并能将压电换能器连接到外部电路。对于移动微结构，可以使用薄膜阻尼功能描述流体薄层中的阻尼。这个模块能够模拟压电材料的铁电效应。

结构力学模块提供了一些高效仿真的功能，例如壳和膜接口。当与复合材料模块耦合使用时，还提供压电，多层壳功能。

如果已有能提供模拟压电功能的声学模块或结构力学模块，那么结合使用AC/DC 模块还可以使用终端、电路和铁电功能。

当然，文中讨论的内容并未涵盖可以使用压电材料的所有可能场景。例如，模拟使用压电驱动器对可调消失模腔体滤波器就需要使用 RF 模块。