第四章2D瞬态磁场分析.doc
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1、如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流第四章 2D瞬态磁场分析【精品文档】第 - 23 - 页第四章-瞬态磁场分析4.1什么是瞬态磁场分析瞬态磁场分析处理的既不是静态的也不是谐波的磁场,而是由电压、电流或外加场的随时间无规律变化所引起的磁场变化。在瞬态磁场分析中我们所感兴趣的典型物理量是:涡流涡流致使的磁力涡流致使的能量损耗瞬态磁场分析可以是线性,也可以是非线性。4.2 2-D瞬态磁场分析中用到的单元在涡流区域,瞬态模型只能用矢量位方程描述。只能用下列单元类型来模拟涡流区。表12D实体单元单元维数形状或特性自由度PLANE132-D四边形,4节点;或三角形,3节点最多每节点4个,磁矢势(AZ
2、)、位移、温度或时间积分电势PLANE532-D四边形,8节点;或三角形,6节点最多每节点4个,磁矢势(AZ)、时间积分电势、电流或电动势降。表2通用电路单元单元维数形状或特性自由度CIRCU124无通用电路单元,最多达6节点每个节点最多有三个:电势、电流或电动势降4.3 创建2D瞬态磁场分析的物理环境如同ANSYS其他类型分析一样,瞬态磁分析要建立物理环境、建模、给模型区域赋属性、划分网格、加边界条件和载荷、求解、然后检察结果。2D瞬态磁分析的大多数步骤都相同或相似于2D静态磁场分析步骤。本章讨论2D瞬态磁场分析中需要特殊处理的部分。关于2D瞬态磁场分析中如何设置GUI参考框、单元选项(KE
3、YOPTs)、实常数、单位制与2D静态磁场分析相同,第2章已经作了详细描述。当定义材料性质时,一般也采用与第2章中同样的方法。4.4 建立模型,划分网格,指定属性ANSYS建模与分网指南详细介绍了建模过程。建立了模型后,对每个模型区要指定属性,即指定在第一步中定义好的单元类型、单元选项、材料特性、实常数、单元坐标系等。使用AATT或VATT命令或其等效路径来指定属性。详见第2章静态磁场分析部分。4.5 施加边界条件和励磁载荷在瞬态磁分析中,可将边界条件和载荷施加到实体模型上(关键点、线和面),也可以施加到有限元模型上(节点和单元)。加载方式与第2章静态分析类似。也可以用命令加载和施加边界条件,
4、对2D瞬态分析还可以用加载步选项。本手册第16章对这些载荷步选择有详细描述。根据定义,瞬态分析中的边界条件和载荷是时间的函数,实际分析计算时,要将“载荷时间”曲线分解成合适的载荷步,“载荷时间”曲线的每个拐点就是一个载荷步。在每一个载荷步中,不仅要定义载荷或边界条件的值,而且还要定义它们所对应的时间值和一些载荷步选项(如阶跃变化载荷或斜坡变化载荷、自动时间步长等),重复将这些载荷数据写到载荷步文件中,直到所有的载荷步结束。2D瞬态磁场分析载荷步选项的详细描述请参见第16章。4.5.1加边界条件使用PERBC2D宏,可对2D分析自动定义周期性边界条件。PERBC2D对两个周期对称面施加约束方程和
5、定义节点耦合。使用该宏命令的方式如下:命令:PERBC2DGUI:Main Menu Preprocessor Loads -loads-Apply -Magnetic-Boundary -Vector Poten-Periodic BCs在第11章 “磁宏”中对该宏的使用有详细描述。4.5.2加激励(电压载荷)此载荷给绞线圈加电压降,且只能用MKS单位制,只有对使用了AZ和CURR自由度的PLANE53单元(还需实常数)才能使用电压降载荷。命令:BFEGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Excitation- Voltag
6、e drop -On Elements电压降也可以用BFA命令加在实体模型的某些面上。用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上电压降转换到有限元模型上。因为CURR代表线圈中每匝的电流,其值是唯一的,所以加载前必须将线圈所有节点的CURR自由度耦合起来(否则将导致求解错误)。命令:CPGUI:Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs4.5.3加载电流电流(AMPS)是一个节点电流载荷,它作为一个外加电流只能加到块状(实体)导体区域。它代表流过导体的总电流(电流单位),且只对2D平面和轴对称模型以及3D模型有效。在导体区,这种载荷
7、要求2D单元PLANE13和PLANE53具有AZ和VOLT自由度。要在集肤效应区域的横截面上加载一个均匀电流载荷,就必须对该截面耦合电压(VOLT)自由度:命令:CPGUI:Main Menu PreprocesserCoupling /Ceqn Couple DOFs对2D平面和轴对称模型,在集肤区选择所有节点,并耦合它们VOLT自由度,再将电流加到截面上的某个节点上:命令:F,AMPSGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-ImpressedCurrent-Main MenuSolution-Loads
8、-Apply-Electric-Excitation-Impressed Current-对于2D模型,另外一种加外电流的方法是加一个均匀电流密度(JS体载荷,用BFE命令或其等效菜单路径),其值为集肤区总电流除以横截面积。也可用BFA命令将源电流密度加在实体模型的面上。用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上源电流密度转换到有限元模型上。4.5.4其他载荷还可以加矢量势载荷、时间积分标量势载荷、电流节载荷、Maxwell表面载荷、源电流密度载荷和虚位移载荷等,详见第2章“2D静态磁场分析”。4.6 求解4.6.1进入SOLUTION处理器命令:/SOLUGUI:Main Me
9、nuSolution4.6.2定义分析类型命令:ANTYPE,transient,newGUI:Main MenuSolutionNew Analysis如果想重启动一个前面做过的分析(例如:重启动一个未收敛分析或求解其它工况),可用命令ANTYPE,TRANSIENT,REST。只有当已经完成了一个瞬态磁分析并且文件Jobname.EMAT、Jobname.ESAV和Jobname.DB都存在的情况下,才能做重启动分析。4.6.3定义分析选项首先选择求解方法:命令:TRNOPTGUI:Main MenuSolutionNew AnalysisTransient瞬态磁场分析需要用“全波方法(f
10、ull)”求解。其次,选择求解器:命令:EQSLVGUI:Main MenuSolutionAnalysis Options可以选用下列求解器:wSparse solverwFrontal solver (缺省)wJacobi Conjugate Gradient (JCG) solverwJCG out-of-memory solverwIncomplete Cholesky Conjugate Gradient (ICCG) solverwPreconditioned Conjugate Gradient (PCG) solverwPCG out-of-memory solver电压激励模
11、型或包含速度效应的模型由于产生了非对称矩阵,只能使用sparse solver、frontal solver、JCG solver或ICCG solver,电路激励模型只能使用sparse solver或frontal solver。4.6.4载荷步选项4.6.4.1时间选项该选项说明载荷步结束时的时间。命令:TIMEGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/FrequencTime - Time StepMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime - Time Step4.6
12、.4.2子步数或时间步步长积分时间步为时间积分历程中所用的时间增量,可直接通过DELTIM命令(或它的等效菜单路径)来定义,或者间接通过NSUBST命令(或它的等效菜单路径)来定义。时间步步长决定了求解精度,时间步长越小,精度就越高。当载荷出现较大的阶跃时,紧跟其后的第一个时间积分步长是尤为关键的。通过减小时间步步长,可以减少求解大阶跃变化(如温度过热加载)时的误差。注意:时间步步长也不能过小,尤其是在建立初始化条件时。太小的数值会使ANSYS在计算时产生数值误差。比如,如果使用小于1E-10的时间步步长会产生数值误差。如选择阶跃(Stepped)加载模式,程序在第一个子步上就加上全部载荷并一
13、直保持常数,如选择斜坡(Ramped)加载模式,程序在每个子步上增加载荷值。命令:NSUBST,DELTIMGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime - Time Step4.6.4.3自动时间步长也叫时间步优化,它使程序自动调整两个子步间的载荷增量,还可以在求
14、解过程中根据材料响应情况增加或减小时间步长。在大多数情况下,你需要打开这个选项,此外为了更好地控制时间步步长的变化幅度,还要输入积分时间步的上限和下限。值得注意的是:时间步优化对CURR自由度(载压导体)或EMF自由度(电路供电模型)无效。命令:AUTOTSGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts
15、-Time/FrequencTime - Time Step4.6.5非线性选项只有当模型中存在非线性时,才有必要定义非线性选项。4.6.5.1 Newton-Raphson选项这些选项定义非线性求解过程中切向矩阵的更新频率,可用的选项有:程序自动选择(缺省设置)全方法(Full)修正法(Modified)初刚度法(Initial-stiffness)在非线性分析中,推荐使用Full Newton-Raphson选项。自适应下降选项可以加快瞬态问题的收敛。下列方式定义Newton-Raphson选项:命令:NROPTGUI:Main MenusolutionAnalysis Options4.
16、6.5.2平衡迭代数该选项使得在每一个子步都能得到一个收敛解。缺省值为25次迭代,但应该根据所处理问题的非线性度高低适当增加这个数值。对线性瞬态分析,只需1次迭代。命令:NEQITGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Options-Nonlinear Equilibrium IterMain MenuSolution-Load Step Options-NonlinearEquation Iter4.6.5.3收敛容差只要运算满足定义的收敛准则,ANSYS程序就认为问题已收敛。收敛检查可以基于磁矢量位(A),也可以基于磁流段(CSG),或者是两者的
17、组合。你需要定义一个典型值(VALUE)和收敛容差(TOLER),程序将VALUE*TOLER的值视为收敛判据。例如,如定义磁流段的典型值为5000,容差为.001,则磁流收敛准则为5.0。ANSYS公司推荐VALUE值由缺省确定(程序自动计算),容差TOLER的值为1.0e-3。对于矢量位,ANSYS将两次平衡迭代数之间节点上矢量位(DAAiAi-1)与收敛准则进行比较来判断是否收敛。对于磁流段,ANSYS比较不平衡载荷矢量与收敛标准。假如在规定平衡迭代数内,其解并不收敛,那么ANSYS程序会根据用户是否激活“终止不收敛解”的选项决定程序停止计算或是继续进行下一个载荷步。命令:CNVTOLG
18、UI: Main MenuPreprocessorLoadsNonlinearconvergence CritMain MenuSolutionNonlinearConvergence Crit4.6.5.4终止不收敛解当程序在指定的平衡迭代次数内无法收敛,则程序根据用户指定的终止判据终止求解,或进行第二个载荷步的求解。4.6.6输出控制4.6.6.1控制打印输出该选项控制你将哪些数据输出到打印输出文件(Jobname.OUT)中去。命令:OUTPRGUI:Main MenuPreprocessorLoadsOutput CtrlsSolu PrintoutMain MenuSolutionO
19、utput CtrlsSolu Printout4.6.6.2控制数据库和结果文件输出该选项控制选择哪些数据输出到结果文件(Jobname.RMG)中去。缺省值为程序将每个载荷步中的最后一个子步的数据写入到结果文件中去。如果希望把所有加载步(即所有频率下的解)数据写入结果文件,需要定义一个单频、或ALL、或1。命令:OUTRESGUI: Main MenuPreprocessorLoadsOutput CtrlsDB/Results fileMain MenuSolutionOutput Ctrls DB/Results file4.6.7存储备份数据用工具条中的SAVE_DB按钮来备份数据库
20、,如果计算机出错,可以方便的恢复需要的模型数据。恢复模型时,用下面的命令:命令:RESUMEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.db4.6.8开始求解命令:LSSOLVEGUI:Main MenuSolutionFrom LS Files4.6.9完成求解命令:FINISHGUI:Main MenuFinish4.7 后处理ANSYS和ANSYS/Emag模块把瞬态磁场分析的结果写到结果文件Jobname.RMG中,结果中包含下列数据:主数据:节点自由度(AZ,CURR,EMF,MAG,VOLT)导出数据:节点磁通密度(BX,BY,BSUM)节点磁场强度(HX
21、,HY,HSUM)节点磁力(FMAG:分量X,Y,SUM)节点感生电流段(CSGZ)单位体积的焦耳热(JHEAT)等等参看ANSYS单元手册可以提取更多的数据。可以在通用后处理器POST1中,或者在时间历程后处理器POST26中看结果文件,在通用后处理器POST1中,可以看到整个模型在某一个时间点的结果。在时间历程后处理器POST26中,可以看到模型中的某一个点在整个瞬态求解的时间范围内的结果。用下列方式选择后处理器:命令:/POST1或/POST26GUI:Main MenuGeneral PostprocMain MenuTimeHist Postpro详细操作参看第2章和第3章。4.7.
22、1在POST26处理器中观看结果数据在时间历程后处理器POST26中观看结果数据,必须保证模型进行计算后的结果文件Jobname.RMG存在。如果模型不在数据库中,用下列方式恢复,然后用SET命令或者其等效路径读入需要的数据集。命令:RESUMEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.dbPOST26中观察到的是与时间变量有关的,以表格方式输出的结果值。这些结果值可以定义为变量。每个变量需要指定一个变量号,1号变量用于专指时间(time)变量。故,1)首先应该定义变量:命令:NSOLGUI:Main MenuTimeHist PostproDefine Varia
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