Entwicklung von Verfahren für den Einsatz der

Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5951

Entwicklung von Verfahren für den Einsatz der Finite-Elemente-Methode in der Systemoptimierung von Mikrosystemkomponenten

Zusammenfassung

Bei der Entwicklung von Produkten der Mikrosystemtechnik spielt die Untersuchung von Systementwürfen mit Hilfe von rechnergestützten Simulationen eine wichtige Rolle. Eine Voraussetzung bilden hierfür geeignete Computermodelle der zu entwerfenden Systeme. Sie müssen zum einen das Systemverhalten ausreichend genau vorhersagen können, damit die Qualität eines Entwurfes anhand von Computersimulationen vernünftig beurteilt werden kann und zum anderen dürfen sie nicht zu viel Rechenzeit für die Simulation erfordern.

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) stellt ein leistungsfähiges numerisches Berechnungsverfahren dar, mit dem sich eine Vielzahl physikalischer Problemstellungen aus den Bereichen der Strukturdynamik, der Strömungsdynamik, der Elektromagnetik und der Wärmeübertragung behandeln lassen.

Simulationsmodelle auf Basis der Finite-Elemente-Methode können das Verhalten physikalischer Systeme sehr genau wiedergeben. Sie erfordern jedoch in der Regel sehr viel Rechenzeit, so daß ihr Einsatz meist auf die Untersuchung von Systemkomponenten beschränkt bleibt. FEM-Simulationen auf der Systemebene, mit denen für eine Systemoptimierung relevante und systemübergreifende Fragestellungen untersucht werden können, sind im allgemeinen nicht möglich.

Wie sich die Finite-Elemente-Methode dennoch für die Systemoptimierung von Mikrosystemkomponenten einsetzen läßt, wird in der vorliegenden Arbeit aufgezeigt.

Mit der Werkzeugumgebung SIMOT (SIMulation and Optimization Tool Environment), die am IAI entwickelt wurde, werden dem Entwickler verschiedene Methoden und Werkzeuge zur Verfügung gestellt, die ihn bei der Modellentwicklung und Designoptimierung unterstützen können. Die Basis für eine Designoptimierung bildet ein parametrisierbares Netzwerkmodell des Gesamtsystems, das vom Systementwickler bereitgestellt werden muß.

SIMOT bietet dem Anwender zur Zeit zwei Methoden an, die ihn bei der Erstellung eines parametrisierbaren Netzwerkmodelles einer Komponente des Systems unterstützen. Die eine Methode bildet die Modelladaption, mit der ein Netzwerkmodell einer Systemkomponente an Referenzdaten, die das Komponentenverhalten sehr genau wiedergeben, angepaßt wird. Die andere Methode erlaubt mit einem Regressionsverfahren die Erzeugung eines verhaltensbeschreibenden "black-box"-Modelles aus den Referenzdaten.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden für die Werkzeugumgebung SIMOT geeignete Verfahren und Werkzeuge für die Erzeugung der für die beiden genannten Methoden erforderlichen Referenzdaten mithilfe von Simulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode entwickelt und realisiert. Die Erzeugung geeigneter Referenzdaten stellt besondere Anforderungen an die hierfür eingesetzten FEM-Modelle, die in der Arbeit beschrieben und diskutiert werden.

Die Generierung der Referenzdaten ist im allgemeinen mit einer umfangreichen Variantensimulation verbunden, bei der eine große Anzahl von unabhängigen Einzelsimulationen durchgeführt werden müssen. Um den dabei anfallenden Verwaltungsaufwand für die Durchführung der Simulationen bewältigen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit der Simulationsmanager NetSim (Manager for Networked Multiple Simulation ) entwickelt. NetSim erlaubt die automatisierte und parallelisierte Durchführung einer Variantensimulation unter Verwendung der in einem Rechnernetzwerk verteilten Rechenkapazitäten, so daß der für die Erzeugung der Referenzdaten erforderliche Zeitaufwand deutlich reduziert werden kann. Gleichzeitig erfolgt über den Simulationsmanager NetSim auch die Einbindung des kommerziellen FEM-Werkzeuges ANSYS/FLOTRAN in SIMOT.

Am Beispiel einer Mikropumpe, die im Forschungszentrum Karlsruhe am IMT (Institut für Mikrostrukturtechnik) entwickelt wurde, konnten im Rahmen der vorliegenden Arbeit für die integrierten Mikroventile parametrisierbare FEM-Modelle erstellt werden, welche die besonderen Anforderungen für die Erzeugung von Referenzdaten mit NetSim erfüllen. An diesem Beispiel wird außerdem aufgezeigt, wie FEM-Simulationen zum besseren Verständnis des Verhaltens einer Komponente beitragen können und damit auch die Entwicklung eines geeigneten parametrisierbaren Netzwerkmodelles einer Systemkomponente unterstützen.

Im Mikroventil besitzt die Fluid-Struktur-Wechselwirkung einen großen Einfluß auf sein Verhalten, so daß sie bei der FEM-Modellerstellung mit berücksichtigt werden muß. Das gekoppelte Problem läßt sich mit den derzeit erhältlichen kommerziellen FEM-Simulatoren nur über eine geeignete Simulatorkopplung lösen. Am Beispiel des passiven Mikroventils wurde ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit eine Simulatorkopplung zwischen den Simulatoren ANSYS und FLOTRAN entwickelt und realisiert, mit der das stationäre und transiente Verhalten des Mikroventils unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung untersucht werden kann.

Development of methods for the application of the Finite Element Method in the system optimization of microsystem components

Abstract

Simulation models basing on the Finite Element Method (FEM) represent the physical system's behaviour in detail. However, they generally require for a lot of computing time that they are just being used for examine on system components. FEM simulations on the system's level that are being used for a system optimization by examining relevant questions, also generally concerning the system, are not possible in general. Nevertheless, this work presents a plausible way of using FEM on system optimization of microsystem components.

In addition to the tool environment SIMOT (SIMulation and Optimization Tool Environment), being developed at the IAI (Institute for Applied Computer Science) research centre Karlsruhe (FZK), two different methods and tools are being put at the developers disposal to support him for the model building and design optimization. A parameterizable network model of the general system constitutes the basis for a system optimization and has to be provided by the system's developer. At the moment, SIMOT provides two different methods for the user that supports him building a parameterizable network model. One method is the model adaptation. The network model of a system component is being adjusted on reference data that repeat the components behaviour in detail. The other method provides the development with a fitting technique of a "black-box" model from the reference data, describing the behaviour.

Within the frame of this work, suitable methods and tools have been developed and carried out for SIMOT's tool environment to produce the relevant reference data for the two methods mentioned with simulation basing on the Finite Element Method. The producting of suitable reference datas demands for specific requirements on the FEM models used that are being described and discussed here.

The reference data generating is generally being connected with an extensiv variant simulation where many independent single simulations have to be taken. Within this work, the simulation manager NetSim (Manager for Networked Multiple Simulation) has been developed to minimize the administration for carrying out these simulations. NetSim offers the automatic and parallel implementation of a variant simulation by using resources spread within the computer network to clearly reduce the time needed for producing the reference data. The commercial FEM tools ANSYS/FLOTRAN are being integrated to SIMOT by NetSim.

With the micro pump, being developed at the IMT (Institute for Microstructure Techniques) at FZK, parameterizable FEM models have been made for the integrated micro valves requirements to developed reference data with NetSim. This example also shows how FEM simulations contribute to a better comprehension of the component's behaviours and also supports the development of a useful parameterizable network model of a system component.

Within the micro valves, the fluid structure interaction has a great influence on its behaviour that it has to be taken into consideration for the FEM model building. The coupled problem is just being solved by using a simulator coupling with the presently available commercial FEM simulator. A simulator coupling between the simulators ANSYS and FLOTRAN has been developed and realised within this work. Both the stationary as well as the instationary behaviour of the micro valve have been examined by taking the fluid structure interaction into consideration.