2022年ANSYS电场分析教程 .pdf
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1、ANSYS 电场分析指南关键字:ANSYS 电场分析 CAE 教程静电场分析（h 方法）14.1 什么是静电场分析静电场分析用以确定由电荷分布或外加电势所产生的电场和电场标量位（电压）分布。该分析能加二种形式的载荷：电压和电荷密度。静电场分析是假定为线性的，电场正比于所加电压。静电场分析可以使用两种方法：h 方法和 p 方法。本章讨论传统的h 方法。下一章讨论p 方法。14.2h 方法静电场分析中所用单元h 方法静电分析使用如下ANSYS 单元：表 1.二维实体单元单元维数形状或特征自由度PLANE121 2-D 四边形，8 节点每个节点上的电压表 2.三维实体单元单元维数形状或特征自由度SO
2、LID122 3-D 砖形（六面体），20 节点每个节点上的电压SOLID123 3-D 砖形（六面体），20 节点每个节点上的电压表 3.特殊单元单元维数形状或特征自由度MATRIX50 无(超单元)取决于构成本单元的单元取决于构成本单元的单元类型INFIN110 2-D 4 或 8 节点每个节点1 个；磁矢量位，温度，或电位INFIN111 3-D 六面体，8 或 20 节点AX、AY、AZ 磁矢势，温度，电势，或磁标量势INFIN9 2-D 平面，无界，2 节点AZ 磁矢势，温度INFIN47 3-D 四边形 4 节点或三角形 3 节点AZ 磁矢势，温度14.3h 方法静电场分析的步骤静
3、电场分析过程由三个主要步骤组成：1.建模2.加载和求解3.观察结果14.3.1 建模定义工作名和标题：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 29 页 -命令：/FILNAME，/TITLEGUI：Utility MenuFileChange Jobname Utility MenuFileChange Title 如果是 GUI 方式，设置分析参考框：GUI：Main MenuPreferencesElectromagnetics：Electric 设置为 Electric，以确保电场分析所需的单元能显示出来。之后就可以使用ANSYS 前处理器来建立模型，其过程与其它分
4、析类似，详见ANSYS 建模和分网指南。对于静电分析，必须定义材料的介电常数（PERX），它可能与温度有关，可能是各向同性，也可能是各向异性。对于微机电系统（MEMS），最好能更方便地设置单位制，因为一些部件只有几微米大小。详见下面MKS 制到 MKSV 制电参数换算系数和MKS 制到 MSVfA 制电参数换算系数表表 4 MKS 制到 MKSV 制电参数换算系数表电参数MKS 制量纲乘数 MKSV 制量纲电压V(kg)(m)2/(A)(s)31 V(kg)(m)2/(pA)(s)3电流A A 1012pA pA 电荷C(A)(s)1012pC(pA)(s)导电率S/m(A)2(s)3/(kg
5、)(m)3106pS/m(pA)2(s)3/(kg)(m)3电阻率m(kg)(m)3/(A)2(s)310-6Tm(kg)(m)3/(pA)2(s)3介电常数1 F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3106pF/m(pA)2(s)2/(kg)(m)3能量J(kg)(m)2/(s)21012pJ(kg)(m)2/(s)2电容F(A)2(s)4/(kg)(m)21012pF(pA)2(s)4/(kg)(m)2电场V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/m(kg)(m)/(s)3(pA)通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)21 pC/(m)2(pA)(s)/(m)2自由空间介电常数等于
6、8.0854E-6pF/m 表 5 MKS 制到 MSVfA 制电参数换算系数表电参数MKS 制量纲乘数 MSVfA制量纲电压V(kg)(m)2/(A)(s)31 V(g)(m)2/(fA)(s)3电流A A 1015fA fA 电荷C(A)(s)1015fC(fA)(s)导电率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3109fS/m(fA)2(s)3/(g)(m)3电阻率m(Kg)(m)3/(A)2(s)310-9-(g)(m)3/(fA)2(s)3介电常数F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3109fF/m(fA)2(s)2/(g)(m)3能量J(kg)(m)2/(s)21015fJ(g)
7、(m)2/(s)2电容F(A)2(s)4/(kg)(m)21015fF(fA)2(s)4/(g)(m)2电场V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/m(g)(m)/(s)3(fA)通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)2103fC/(m)2(fA)(s)/(m)2名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 29 页 -自由空间介电常数等于8.0854E-3fF/m 14.3.2 加载荷和求解本步定义分析类型和选项、给模型加载、定义载荷步选项和开始求解。14.3.2.1 进入求解处理器命令：/SOLUGUI：Main MenuSolution 14.3.2.2 定义分
8、析类型选择下列方式之一：GUI：选菜单路径Main MenuSolutionNew Analysis并选择静态分析 命令：ANTYPE，STATIC，NEW 如果你要重新开始一个以前做过的分析（例如，分析附加载荷步），执行命令 ANTYPE，STATIC，REST。重启动分析的前提条件是：预先完成了一个静电分析，且该预分析的Jobname.EMAT，Jobname.ESAV 和 Jobname.DB文件都存在。14.3.2.3 定义分析选项可以选择波前求解器（缺省）、预条件共轭梯度求解器（PCG）、雅可比共轭梯度求解器（JCG）和不完全乔列斯基共轭梯度求解器（ICCG）之一进行求解：命令：EQ
9、SLVGUI：Main MenuSolutionAnalysis Options 如果选择 JCG 求解器或者PCG 求解器，还可以定义一个求解器误差值，缺省为1.0-8。14.3.2.4 加载静电分析中的典型载荷类型有：14.3.2.4.1 电压（VOLT）该载荷是自由度约束，用以定义在模型边界上的已知电压：命令：DGUI：Main MenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Boundary-Voltage-14.3.2.4.2 电荷密度（CHRG）命令：FGUI：Main MenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Ex
10、citation-Charge-On Nodes 14.3.2.4.3 面电荷密度（CHRGS）命令：SFGUI：Main MenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-Surf Chrg Den-14.3.2.4.4 Maxwell 力标志（MXWF）这并不是真实载荷，只是表示在该表面将计算静电力分布，MXWF 只是一个标志。通常，MXWF 定义在靠近 空气-电介质 交界面的空气单元面上，ANSYS 使用 Maxwell 应力张量法计算力并存储在空气单元中，在通用后处理器中可以进行处理。命令：FMAGBCGUI：Main MenuSolu
11、tion-Loads-Apply-Electric-Flag-Maxwell Surf-option 14.3.2.4.5 无限面标志（INF）这并不是真实载荷，只是表示无限单元的存在，INF 仅仅是一个标志。命令：SF名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 29 页 -GUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Flag-Infinite Surf-option 分页14.3.2.4.6 体电荷密度（CHRGD）命令：BF，BFEGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Excitat
12、ion-Charge Density-option 另外，还可以用命令BFL、BFL、BFV 等命令分别把体电荷密度加到实体模型的线、面和体上。14.3.2.4.7 定义载荷步选项对于静电分析，可以用其它命令将载荷加到电流传导分析模型中，也能控制输出选项和载荷步选项，详细信息可参见第16 章 分析选项和求解方法14.3.2.4.8 保存数据库备份使用 ANSYS 工具条的 SAVE_DB 按钮来保存一个数据库备份。在需要的时候可以恢复模型数据：命令：RESUMEGUI：Utility MenuFileResume Jobname.db 14.3.2.4.9 开始求解命令：SOLVEGUI：Ma
13、in MenuSolutionCurrent LS 14.3.2.4.10结束求解命令：FINISHGUI：Main MenuFinish 14.3.3 观察结果ANSYS 和 ANSYS/Emag程序把静电分析结果写到结果文件Jobname.RST中，结果中包括如下数据：主数据：节点电压（VOLT）导出数据：节点和单元电场（EFX，EFY，EFZ，EFSUM）节点电通量密度（DX，DY，DZ，DSUM）节点静电力（FMAG：分量 X，Y，Z，SUM）节点感生电流段（CSGX，CSGY，CSGZ）通常在 POST1 通用后处理器中观察分析结果：命令：/POST1GUI：Main MenuGen
14、eral Postproc 对于整个后处理功能的完整描述，见ANSYS 基本分析过程指南。将所需结果读入数据库：命令：SET,TIMEGUI：Utility MenuListResultsLoad Step Summary 如果所定义的时间值处并没有计算好的结果，ANSYS 将在该时刻进行线性插值计算。对于线单元（LINK68），只能用以下方式得到导出结果：命令：ETABLEGUI：Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table 命令：PLETAB名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 29 页 -GUI：Main M
15、enuGeneral PostprocPlot ResultsElem Table Main MenuGeneral PostprocElement TablePlot Elem Table 命令：PRETABGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsList Elem Table Main MenuGeneral PostprocElement TableElem Table Data 绘制等值线图：命令：PLESOL，PLNSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsElement Solution Mai
16、n MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solu 绘制矢量图：命令：PLVECTGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsPredefined Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsUser Defined 以表格的方式显示数据：命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsElement Solution Main MenuGeneral PostprocList ResultsNodal Sol
17、ution Main MenuGeneral PostprocList ResultsReaction Solu POST1 执行许多其他后处理功能，包括按路径和载荷条件的组合绘制结果图。更详细信息见ANSYS基本分析过程手册。14.4 多导体系统提取电容静电场分析求解的一个主要参数就是电容。在多导体系统中，包括求解自电容和互电容，以便在电路模拟中能定义等效集总电容。CMATRIX宏命令能求得多导体系统自电容和互电容。详见ANSYS 理论手册 5.10 节。14.4.1 对地电容和集总电容有限元仿真计算，可以提取带（对地）电压降导体由于电荷堆积形成的 对地 电容矩阵。下面叙述一个三导体系统（一
18、个导体为地）。方程式中Q1和 Q2为电极 1 和 2 上的电荷，U1和 U2分别为电压降。Q1=(Cg)11(U1)+(Cg)12(U2)Q2=(Cg)12(U1)+(Cg)22(U2)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 29 页 -式中 Cg 称作为 对地电容 矩阵。这些对地电容并不表示集总电容（常用于电路分析），因为它们不涉及到二个导体之间的电容。使用CMATRIX宏命令能把对地电容矩阵变换成集总电容矩阵，以便用于电路仿真。图 2 描述了三导体系统的等效集总电容。下面二个方程描述了感应电荷与电压降之间形成的集总电容：Q1=(C1)11(U1)+(C1)12(U1U
19、2)Q2=(C1)12(U1U2)+(C1)22(U2)式中 C1称为集总电容的电容矩阵。分页14.4.2 步骤CMATRIX宏命令将进行多元模拟，可求得对地电容矩阵和集总电容矩阵值。为了便于CMATRIX宏命令使用，必须把导体节点组成节点部件，而且不要加任何载荷到模型上（电压、电荷、电荷密度等等）。导体节点的部件名必须包括同样的前缀名，后缀为数字，数字按照到系统中所含导体数目进行编号。最高编号必须为地导体（零电压）。应用 CMATRIX宏命令步骤如下：1.建模和分网格。导体假定为完全导电体，故导电体区域内部不需要进行网格划分，只需对周围的电介质区和空气区进行网格划分，节点部件用导体表面的节点
20、表示。2.选择每个导体面上的节点，组成节点部件。命令：CMGUI:Utility Menu Select Comp/Assembly Create Component 导体节点的部件名必须包括同样的前缀名，后缀为数字，数字按照到系统中所含导体数目进行编号。例如图 2 中，用前缀 Cond 为三导体系统中的节点部件命名，分别命名为为Condl、Cond2 和Cond3 ，最后一个部件 Cond3 应该为表示地的节点集。3.用下列方法之一，进入求解过程：命令：SoluGUI：Main MenuSolution 4.选择方程求解器（建议用JCG）：命令：EQSLVGUI：Main MenuSolut
21、ionAnalysis Options 5.执行 CMATRIX宏：命令：CMATRIX名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 29 页 -GUI：Main Menu Solution Electromagnet Capac Matrix CMATRIX宏要求下列输入：对称系数（SYMFAC）：如果模型不对称，对称系数为1（缺省）。如果你利用对称只建一部分模型，乘以对称系数得到正确电容值。节点部件前缀名（Condname）。定义导体节点部件名。上例中，前缀名为Cond。宏命令要求字符串前缀名用单引号。因此，本例输入为Cond，在 GUI 菜单中，程序会自动处理单引号。导体
22、系统中总共的节点部件数（NUMCON），上例中，导体节点部件总数为3。地基准选项（GRNDKEY）。如果模型不包含开放边界，那么最高节点部件号表示 地 。在这种情况下，不需特殊处理，直接将 地 作为基准设置为零（缺省状态值）。如果模型中包含开放边界（使用远场单元或 Trefttz 区域），而模型中无限远处又不能作为导体，那么可以将 地 选项设置为零（缺省）。在某些情况下，必须把远场看作导体 地（例如，在空气中单个带电荷球体，为了保持电荷平衡，要求无限远处作为 地）。用 INFIN111 单元或 Trefftz 区域表示远场地时，把 地 选项设置为 1 输入贮存电容值矩阵的文件名（Capname
23、）。宏命令贮存所计算的三维数组对地电容和集总电容矩阵值。其中 i 和j 列代表导体编号，k列表示对地（k=1）或集总（k=2）项。缺省名为CMATRIX。例如，CMATRIX（i,j,1）为对地项，CMATRIX（i,j,2）为集总项。宏命令也建立包含矩阵的文本文件，其扩展名为.TXT。注意：在使用 CMATRIX 命令前，不要施加非均匀加载。以下操作会造成非均匀加载：在节点或者实体模型上施加非0 自由度值的命令(D,DA,等)在节点、单元或者实体模型定义非0 值的命令(F,BF,BFE,BFA,等)带非 0 项的 CE 命令CMATRIX执行一系列求解，计算二个导体之间自电容和互电容，求解结
24、果贮存在结果文件中，可以便于后处理器中使用。执行后，给出一个信息表。如果远场单元（INFIN110 和 INFIN111）共享一个导体边界（例如地平面），可以把地面和无限远边界作为一个导体（只需要把地平面节点组成一个节点部件）。下图图 3 描述了具有合理的NUMCOND和 GRNDKEY选项设置值的各种开放和闭合区域模型。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 29 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 29 页 -后面有例题详细介绍如何利用CMATRIX做电容计算。14.5 开放边界的Trefftz方法模拟开放区域的一种方法是利用远场单元(
25、INFIN110 和 INFIN111)，另一种方法为混合有限元Trefftz方法（称作 Trefftz 方法）。Trefftz 方法以边界元方法的创立者名字命名。Trefftz 方法使用与有限元类似的正定刚度矩阵高效处理开放区域的边界问题。它可处理大纵横比的复杂面几何体，它很易生成Trefftz 完整函数系统。对于处理静电问题中的开放边界条件是一种易用而精确的方法。Trefftz 方法的理论分析参见ANSYS 理论手册。本手册有 用 Trefftz 方法进行静电场分析 的例题。分页14.5.1 概述使用 Trefftz 方法需要建立一个Trefftz 区域，Trefftz 区域由下列部分组成
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