Software: FEM - Tutorial - Elektrisches Flussfeld - Fusion

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Elektrisches Flussfeld in Autodesk Fusion 360

Projekt

• Mit unseren Erfahrungen aus den vorherigen Übungen erstellen ein neues Projekt und nennen es "FEM4_in_CAD_xx" (mit Teilnehmer-Nr. xx=01...99) und wählen es als aktives Projekt.
• Wichtig: In den Nutzer-Voreinstellungen soll die "Vorgabeausrichtung beim Modellieren" auf "Z nach oben" gesetzt sein, was der aktuellen Standard-Einstellung entspricht. Nach einer eventuell erforderlichen Umstellung der Richtung muss die "unbenannte" Konstruktion geschlossen werden, weil diese Voreinstellungen erst für neue Konstruktionen wirken!

Konstruktion

Wir speichern die noch unbenannte Konstruktion unter dem Namen "R_ungetrimmt_xx" (mit Teilnehmer-Nr. xx=01...99):

• Anhand der Geometrie des ungetrimmten Widerstandes (Rechteckfläche ohne Kerbe) soll eine Validierung des Simulationsmodells erfolgen.
• Wir werden die Möglichkeiten der Parameter-Liste nutzen, um auf Grundlage der Dimensionierungsregeln eine vollständige Parametrisierung der Widerstandsgeometrie vorzunehmen.

Parameter und Dimensionierungsregeln

• Innerhalb einer Konstruktion bietet die Parameterliste die Möglichkeit, auf Grundlage der Dimensionierungsregeln eine vollständige Parametrisierung der Geometrie vorzunehmen.
• In Analogie zu den Anweisungszeilen im LUA-Script des FEMM können wir nacheinander zuerst die vorgegebenen und dann die zu berechnenden Benutzerparameter hinzufügen.
• Die Syntax der mathematischen Operatoren in den Ausdrücken entspricht im Wesentlichen denen im LUA-Script.
• Hinweise:
  1. Die Reihenfolge der Parameter innerhalb der Parameterliste ist egal, jedoch müssen im Ausdruck verwendete Namen bereits definiert sein. Man sollte wegen der Übersichtlichkeit möglichst die gleiche Reihenfolge wie im LUA-Script wählen (welche dort der Berechnungsreihenfolge der Anweisungen entspricht).
  2. Unzulässige Parameter-Namen werden farblich (rot) markiert. Um weitestgehende Übereinstimmung mit dem LUA-Script zu erzielen, wird empfohlen, solchen Namen einen Unterstrich anzufügen (z.B. anstatt "s" → "s_" ).
  3. Einheiten können nachträglich innerhalb der Parameterliste nicht bearbeitet werden! Längen-Parameter sind deshalb sofort in der gewünschten Länge (z.B. micron, mm, cm) anzugeben. Alle anderen Parameter sind mit der Option "Keine Einheiten" zu definieren.
  4. Für jeden Parameter ist die verwendete Einheit im Kommentar zu ergänzen (z.B. "Schnittbreite des Laser-Strahls [µm]")
  5. Bei der Berechnung der Ausdrücke werden die Maßeinheiten berücksichtigt. Erfordert z.B. ein Ausdruck den Wert einer Länge in Meter, so ist dies entsprechend anzugeben: z.B. Schichtdicke d für spez. Leitfähigkeit Kappa [S/m] = 1/((1-xx/100)* RF * d/m).

Modell-Geometrie und Material

Die Anwendung der Analogiebeziehungen ist für das elektrische Flussfeld im Autodesk Fusion 360 einfacher als beim elektrostatischen Feld, weil kein Korrekturfaktor für die spezifische elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist:

• Wir benötigen zumindest für die Validierung anhand des ungetrimmten Widerstandes im Vergleich zur analytischen Dimensionierungsgleichung des ohmschen Widerstands keine unterschiedlichen Materialien.
• Man kann sich auf eine rechteckige, 20 µm dicke Schicht der Widerstandspaste beschränken.
• Auf der einen Kontaktseite legt man das Nullpotential und in die andere Kontaktseite lässt man einen Strom von z.B. 1 A hineinfließen. Der Spannungsabfall U=I·R_u entspricht dem Wert des ohmschen Widerstands.

Die Skizze für die Rechteck-Fläche legen wir in die XY-Ebene des Ursprungsystems, die 20µm-Extrusion erfolgt dann in Z-Richtung:

• Bei der Bemaßung mit den Benutzer-Parametern erfolgt automatisch eine Umrechnung von den µm-Werten in mm-Werte.
• Bei der parametrischen Bemaßung ist zuvor die Eingabe mindestens eines Buchstabens erforderlich, bevor eine selektive Liste der unkommentierten Parameter-Namen angezeigt wird. Deshalb muss man sich bereits vor der Bemaßung in der Parameter-Liste zu den benötigten Parametern kundig machen:
  

Entsprechend der Analogiebeziehungen zwischen Potentialfeldern entspricht der Wert der Wärmeleitfähigkeit der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit Kappa [1/(Ohm·m)]. Wir benötigen zwei Modell-Materialien: "Paste (leitend)" für die Widerstandsschicht und "Kupfer (leitend)" für die Kontakte. Als Grundlage sollte man Metalle aus der Materialbibliothek verwenden, welche ungefähr dem optischen Erscheinungsbild entsprechen:

• Die elektrische Parametrisierung der beiden Materialien erfolgt mit den Material-Erfahrungen aus der elektrostatischen Analogie .
  1. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Widerstandspaste entspricht dem individuell berechneten Kappa-Wert aus der Parameter-Liste (welcher jedoch nicht als Parameter in das Material eingetragen werden kann!)
  2. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit von Kupfer besitzt einen Wert von 58·10⁶ S/m:
     • Leider erfolgt im Autodesk Fusion eine Begrenzung der Wärmeleitfähigkeit auf einen Wert von 5·10³.
     • Um mit den exakten Zahlenwerten rechnen zu können, wäre eine Skalierung um den Faktor 1·10^-4 erforderlich.
     • Innerhalb des FEM-Modells benötigen wir einen Kupferkontakt nur als Hilfselement auf der "heißen" Seite, um einen Potentialausgleich bei inhomogenen Pasten-Feldverläufen zu realisieren.

===>>> dieser Abschnitt wird zur Zeit erarbeitet !!!

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