ANSYS电场分析教程(经典入门教程).doc
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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。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PLANE1212-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SOLID1223-D砖形六面体，20节点每个节点上的电压SOLID12
2、33-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)取决于构本钱单元的单元取决于构本钱单元的单元类型INFIN1102-D4或8节点每个节点1个；磁矢量位，温度，或电位INFIN1113-D六面体，8或20节点AX、AY、AZ磁矢势，温度，电势，或磁标量势INFIN92-D平面，无界，2节点AZ磁矢势，温度INFIN473-D四边形4节点或三角形3节点AZ磁矢势，温度静电场分析过程由三个主要步骤组成：14.3.1 建模定义工作名和标题：命令：/FILNAME，/TITLEGUI：Utility MenuFileChange Jobna
3、meUtility 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
4、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)31V(kg)(m)2/(pA)(s)3电流AA1012pApA电荷C(A)(s)1012pC(pA)(s)导电率S/m(A)2(s)3/(kg)(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1F/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)
5、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)21pC/(m)2(pA)(s)/(m)2-6pF/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)31V(g)(m)2/(fA)(s)3电流AA1015fAfA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)
6、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)(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)2-3fF/m14.3.2 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
7、 进入求解处理器命令：/SOLUGUI：Main MenuSolution选择以下方式之一：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。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
8、：命令：EQSLVGUI：Main MenuSolutionAnalysis Options-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-Excitation-Charge-On Nodes14.3.2.4.3面电荷密度CHRG
9、S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，只是表示在该外表将计算静电力分布，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 MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Flag-Maxwell Surf-option14.3.
10、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：SFGUI：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-Excitation-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。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，
11、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.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：RESUME14.3.2.4.9 开始求解命令：SOLVEGUI：Main MenuSolutionCurrent LS命令：FINISHGUI：Main MenuFinish14.3.3 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
12、，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 MenuGeneral Postproc对于整个后处理功能的完整描述，见ANSYS根本分析过程指南。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
13、 PostprocElement TableDefine Table命令：PLETABGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsElem TableMain MenuGeneral PostprocElement TablePlot Elem Table命令：PRETABGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsList Elem TableMain MenuGeneral PostprocElement TableElem Table Data绘制等值线图：命令：PLESOL，PLNSOLGUI：Main Men
14、uGeneral PostprocPlot ResultsElement SolutionMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solu绘制矢量图：命令：PLVECTGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsPredefinedMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsUser Defined以表格的方式显示数据：命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsElement SolutionMa
15、in MenuGeneral PostprocList ResultsNodal SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsReaction SoluPOST1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根本分析过程手册。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
16、对地电压降导体由于电荷堆积形成的“对地电容矩阵。下面表达一个三导体系统一个导体为地。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)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(U1U2)Q2=(C1)12(U
17、1U2)+(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，节点部件用导体外表的节点表示。2.选择每个导体面上的节点，组成
18、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.用以下方法之一，进入求解过程：命令：SoluGUI：Main MenuSolution4.选择方程求解器建议用JCG：命令：EQSLVGUI：Main MenuSolutionAnalysis OptionsCMATRIX
19、宏：命令：CMATRIXGUI：Main Menu Solution Electromagnet Capac MatrixCMATRIX宏要求以下输入：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局部模型，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
20、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。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，CMATRIXi,j,1为对地项，CMATRIXi
21、,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。以下图图3
22、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。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(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?A
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