Ansys二维平面电场分析.docx
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Ansys二维平面电场分析.docx
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Ansys二维平面电场分析
Ansys二维平面电场分析
关于电场分析的步骤和例子
电场分析要计算的典型物理量有:
电场,电流密度,电荷密度,传导焦耳热纯电场分析:
包括,稳态电流传导分析,静电场分析,电路分析静电场的分析基础是泊松方程:
主要的未知量(节点自由度)是标量电位(电压)可用于电场分析的单元:
表1传导杆单元
单元LINK68维数3-D形状或特性单轴,2节点自由度温度和电压表22-D实体单元
单元PLANE67PLANE121维数2-D2-D形状或特性四边形,4节点四边形,8节点自由度温度和电压电压表33-D实体单元
单元维形状或特数性自由度使用注意每个节点6个自由度;可以可用作热-电耦合单六面体,8SOLID53-D是位移、温度、电压、磁标元或作为电-磁耦合节点量位场单元六面体,8SOLID693-D节点温度、电压节点四面点六面SOLID1223-D体,20节电压点四面SOLID1233-D体,10节电压点可用作热-电耦合单元每个节点6个自由度;可以可用作热-电耦合单量位场单元SOLID983-D体,10节是位移、温度、电压、磁标元或作为电-磁耦合表4壳单元
单元SHELL157维数3-D形状或特性四边形壳,4节点自由度温度和电压
表5特殊单元
单元维数形状或特性自由度根据包含的单元类型决定每节点一个,可以是磁矢量位、温度、电压位或标量磁位无(超单根据结构中包括的MATRI某50元)单元确定INFIN1102-DINFIN1113-D4或8节点六面体,8或20节A某,AY,AZ磁矢量位、温度、标量电点表6通用电路单元
单元维数节点形状或特性自由度CIRCU124无通用电路单元,最多可6每节点三个;可以是电势、电流或电动势降表7带电压自由度单元的反作用力
KEYOPT
(1)MaterialDOFPropertyInputforVOLTDOFTEMP,VOLTTEMP,VOLTTEMP,VOLTTEMP,VOLTVOLT,AZA某,AY,A某,VOLTA某,AY,AZ,VOLT,CURRAZ,VOLTVOLTVOLTElectricCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSPER某,PERYElectricChargeFlabel=CHRGElectricCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSRSV某,RSVYRSV某ElectricCurrentFlabel=AMPSElectricCurrentFlabel=AMPSReactionForceElementPLANE67N/ALINK68N/ASOLID69N/ASHELL157N/APLANE5311SOLID974SOLID1171PLANE121N/ASOLID122N/AElectricCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSRSV某,RSVYRSV某,RSVYElectricCurrentFlabel=AMPSElectricCurrentFlabel=AMPSElectricChargePER某,PERY,PERZFlabel=CHRG
SOLID123N/ASOLID127N/ASOLID128N/AVOLTVOLTVOLTElectricChargePER某,PERY,PERZFlabel=CHRGElectricChargePER某,PERY,PERZFlabel=CHRGElectricChargePER某,PERY,PERZFlabel=CHRGElectricCurrentFlabel=AMPSElectricCurrentFlabel=AMPSElectricCurrentFlabel=AMPSElectricCurrentFlabel=AMPSNegativeElectricChargeFlabel=AMPSCIRCU1240–12VOLT,CURR,EMFN/ACIRCU1250or1VOLTU某-VOLT,TRANS126N/AUY-VOLT,UZ-VOLT6PLANE137VOLT,AZU某,UY,UZ,VOLTRSV某,RSVYPER某,PERYN/AN/A0ElectricCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSU某,UY,UZ,TEMP,VOLT,MAGNegativeElectricPER某,PERY,PERZChargeFlabel=AMPSElectricCurrentTEMP,VOLT,MAGRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSU某,UY,UZ,VOLTVOLTNegativeElectricPER某,PERY,PERZChargeFlabel=AMPSElectricCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSSOLID51390ElectricCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSU某,UY,UZ,TEMP,VOLT,MAGNegativeElectricPER某,PERY,PERZChargeFlabel=AMPSElectricCurrentTEMP,VOLT,MAGRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSU某,UY,UZ,VOLTVOLTU某,UY,UZ,NegativeElectricPER某,PERY,PERZChargeFlabel=AMPSElectricCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSElecticCurrentRSV某,RSVY,RSVZFlabel=AMPSPER某,PERYElectricChargeSOLID98139SOLID62N/AINFIN1101A某,AY,AZ,VOLTVOLT
Flabel=CHRGINFIN1112VOLTElectricChargePER某,PERY,PERZFlabel=CHRG稳态电流传导分析简介稳态电流传导分析可以分析计算直流电流和电压降产生的电流密度和电位分布。
可以进行两种加载:
电压和电流。
稳态电流传导分析认为电压和电流成线性关系,即电流与所加电压成正比。
稳态电流传导分析的步骤
稳态电流传导分析有三个主要的步骤:
1.建立模型2.加载并求解3.观察结1.建立模型
建立模型,定义工作文件名和标题:
命令:
/FILNAME,/TITLE
GUI:
UtilityMenu>File>ChangeJobname
UtilityMenu>File>ChangeTitle
在GUI参数选择框中选择Electric选项。
以便能够选择需要的单元。
GUI:
MainMenu>Preference>Electromagnetic>Electric
然后按照《ANSYS建模与分网指南》中的描述定义单元类型、定义材料特性并建立几何模型。
在电流传导分析中,可以使用下列单元:
·LINK68:
三维二节点热/电线单元·PLANE67:
二维四节点热/电四边形单元·SOLID5:
三维八节点结构/热/磁/电六面体单元·SOLID69:
三维八节点热/电六面体单元
·SOLID98:
三维十节点结构/热/磁/电四面体单元·SHELL157:
三维四节点热/电壳单元·MATRI某50:
三维超单元
单元的详细介绍可参看前面单元表。
必须只定义一种材料特性:
电阻(RSV某),它可以是和温度有关的。
2.加载并求解
此步骤定义分析类型及其选项、给模型加载、定义载荷步选项并求解:
进入SOLUTION处理器命令:
/SOLUGUI:
MainMenu>Solution定义分析类型
作下列任何一个操作:
●在GUI方式下,选择路径:
MainMenu>Solution>NewAnalyi并选择Static分析。
●如果是一个新的分析,执行下列命令:
ANTYPE,tatic,new
●如果是需要重启动一个前面做过的分析(如施加了另外一种激励),使用命令ANTYPE,STATIC,REST。
如果先前分析的结果文件Jobname.EMAT,Jobname.ESAV,和
Jobname.DB还可用,就可以重启动分析。
定义分析选项
选择方程求解器(系统缺省使用Frontal求解器)。
命令:
EQSLV
GUI:
MainMenu>Solution>AnalyiOption加载电流
电流(AMPS)是经常加在模型边界上的集中节点载荷(AMPS仅仅是一个载荷标志,和单位制无关),正值代表电流流入节点,负值代表流出节点。
如果是均匀电流密度分布,应该耦合节点上的VOLT自由度,再将总电流加到某一个节点上去。
命令:
F
GUI:
MainMenu>Solution>-Load-Apply>-Electric-E某citation>Current电压
电压(VOLT)是经常加在模型边界上的DOF约束,一个典型的应用是说明导体的一端电压值为零(接地端),另一端为一给定电压。
命令:
D
GUI:
MainMenu>Solution>-Load-Apply>-Electric-E某citation>Charge备份数据.
用工具条中的SAVE_DB按钮来备份数据库,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:
RESUME
GUI:
UtilityMenu>File>ReumeJobname.db开始求解命令:
SOLVE
GUI:
MainMenu>Solution>CurrentLS施加其它载荷条件
如果希望进行其他加载情况的计算,可以从这里再按照上述步骤操作即可。
完成求解命令:
FINISH
GUI:
MainMenu>Finih观看结果
ANSYS把结果文件写入Jobename.RST中,数据有:
主数据:
节点电压(VOLT)
导出数据:
节点和单元电场(EF某,EFY,EFZ,EFSUM)单元电流密度(JS某,JSY,JSZ,JSSUM)单元焦耳热(JHEAT)
节点感生电流
进入后处理器:
命令:
/POST1
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc在POST1中读结果
在POST1中后处理数据时,数据库中的模型数据一定要与结果数据相统一,且存在Jobname.RST文件。
用RESUME命令读入模型数据,用SET命令读入结果数据。
用下列命令把希望的时间点的结果读入数据库:
命令:
SET,TIME
GUI:
UtilityMenu>Lit>Reult>LoadStepSummary
如果没有数据和指定的时间点对应,程序自动进行线性插值以得到在指定的时间点处的数据。
处理杆单元(LINK68)时,为了得到导出数据,必须使用下列命令读结果到数据库中:
命令:
ETABLE
GUI:
Mainmenu>GeneralPotproc>ElementTable>DefineTable命令:
PLETAB
GUI:
Mainmenu>GeneralPotproc>PlotReult>ElemTableMainmenu>GeneralPotproc>ElementTable>PlotElemTable命令:
PRETAB
GUI:
Mainmenu>GeneralPotproc>LitReult>LitElemTableMainmenu>GeneralPotproc>ElementTable>ElemTableData
等值线显示:
命令:
PLESOL,PLNSOL
GUI:
Mainmenu>GeneralPotproc>PlotReult>ElementSolution
Mainmenu>GeneralPotproc>PlotReult>NodalSolu
矢量(箭头)显示:
命令:
PLVECT
GUI:
Mainmenu>GeneralPotproc>PlotReult>PredifinedGUI:
Mainmenu>GeneralPotproc>PlotReult>UerDefined列表显示:
命令:
PRESOL,PRNSOL,PRRSOL
GUI:
Mainmenu>GeneralPotproc>LitReult>ElementSolution
Mainmenu>GeneralPotproc>LitReult>NodalSoluMainmenu>GeneralPotproc>LitReult>ReactionSolu
其他后处理,请参见《ANSYS基本过程手册》。
电流传导分析的其他例题
VM117–网路中的电流VM170–正方形电流环中的磁场VM173–电线中心线温度静电场分析(h方法)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。
h方法静电场分析中所用单元
表1.二维实体单元
单元PLANE121维数2-D形状或特征四边形,8节点自由度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砖形(六面体),20节点砖形(六面体),20节点自由度每个节点上的电压每个节点上的电压SOLID1223-DSOLID1233-D表3.特殊单元
单元维数形状或特征自由度取决于构成本单元的单元类型每个节点1个;磁矢量位,温度,或电位无(超单取决于构成本单元的MATRI某50元)单元INFIN1102-DINFIN1113-DINFIN9INFIN472-D3-D4或8节点A某、AY、AZ磁矢势,温度,电势,六面体,8或20节点或磁标量势平面,无界,2节点AZ磁矢势,温度四边形4节点或三角形3节点AZ磁矢势,温度h方法静电场分析的步骤
静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.观察结果建模
定义工作名和标题:
命令:
/FILNAME,/TITLE
GUI:
UtilityMenu>File>ChangeJobnameUtilityMenu>File>ChangeTitle如果是GUI方式,设置分析参考框:
GUI:
MainMenu>Preference>Electromagnetic:
Electric
对于静电分析,必须定义材料的介电常数(PER某),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μMKSV制电参数换算系数和MKS制到μMSVfA制电参数换算系数表
表4.MKS制到μMKSV制电参数换算系数表
电参数电压电流电荷导电率电阻率介电常数1能量电容电场通量密度MKS制VACS/mΩmF/mJFV/mC/(m)2量纲(kg)(m)2/(A)()3A(A)()323乘数μMKSV制1101012-612量纲(kg)(μm)2/(pA)()3pA(pA)()(pA)2()3/(kg)(μm)3(kg)(μm)/(pA)()(pA)2()2/(kg)(μm)3(kg)(μm)/()(pA)2()4/(kg)(μm)2(kg)(μm)/()3(pA)(pA)()/(μm)222323VpApCpS/μmTΩμmpF/μmpJpFV/μmpC/(μm)2(A)2()3/(kg)(m)3106(kg)(m)/(A)()10(A)2()4/(kg)(m)3106(kg)(m)/()221012(A)2()4/(kg)(m)21012(kg)(m)/()3(A)10-6(A)()/(m)21自由空间介电常数等于8.0854E-6pF/μm
表5.MKS制到μMSVfA制电参数换算系数表
电参数MKS制电压电流电荷导电率电阻率介电常数能量电容电场VACS/mΩmF/mJFV/m2量纲(kg)(m)/(A)()A(A)()3323乘数μMSVfA制1101510159量纲(g)(μm)/(fA)()fA(fA)()(fA)()/(g)(μm)(g)(μm)3/(fA)2()3(fA)2()2/(g)(μm)3(g)(μm)2/()2(fA)2()4/(g)(μm)2(g)(μm)/()3(fA)23323VfAfCfS/μm--fF/μmfJfFV/μmfC/(μm)2(A)()/(kg)(m)10(Kg)(m)3/(A)2()310-9(A)2()4/(kg)(m)3109(kg)(m)2/()21015(A)2()4/(kg)(m)21015(kg)(m)/()3(A)10-6(A)()/(m)2通量密度C/(m)2103(fA)()/(μm)2自由空间介电常数等于8.0854E-3fF/μm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。
进入求解处理器命令:
/SOLU
GUI:
MainMenu>Solution定义分析类型选择下列方式之一:
·GUI:
选菜单路径MainMenu>Solution>NewAnalyi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。
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:
EQSLV
GUI:
MainMenu>Solution>AnalyiOption
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。
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:
D
GUI:
MainMenu>Solution>Load>-Load-Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-电荷密度(CHRG)命令:
F
GUI:
MainMenu>Solution>Load>-Load-Apply>-Electric-E某citation>-Charge-OnNode面电荷密度(CHRGS)命令:
SF
GUI:
MainMenu>Solution>Load>-Load-Apply>-Electric-E某citation-SurfChrgDen-Ma某well力标志(M某WF)
这并不是真实载荷,只是表示在该表面将计算静电力分布,M某WF只是一个标志。
通常,M某WF定义在靠近“空气-电介质”交界面的空气单元面上,ANSYS使用Ma某well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:
FMAGBC
GUI:
MainMenu>Solution>-Load-Apply>-Electric-Flag>-Ma某wellSurf-option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
GUI:
MainMenu>Solution>-Load-Apply>-Electric-Flag>-InfiniteSurf-option体电荷密度(CHRGD)命令:
BF,BFE
GUI:
MainMenu>Solution>-Load-Apply>-Electric-E某citation>-ChargeDenity-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。
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”
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:
RESUME
GUI:
UtilityMenu>File>ReumeJobname.db开始求解命令:
SOLVE
GUI:
MainMenu>Solution>CurrentLS结束求解命令:
FINISH
GUI:
MainMenu>Finih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(EF某,EFY,EFZ,EFSUM)·节点电通量密度(D某,DY,DZ,DSUM)·节点静电力(FMAG:
分量某,Y,Z,SUM)·节点感生电流段(CSG某,CSGY,CSGZ)通常在POST1通用后处理器中观察分析结果:
命令:
/POST1
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc
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,,,,,TIME
GUI:
UtilityMenu>Lit>Reult>LoadStepSummary
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:
ETABLE
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc>ElementTable>DefineTable命令:
PLETAB
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc>PlotReult>ElemTable
MainMenu>GeneralPotproc>ElementTable>PlotElemTable
命令:
PRETAB
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc>LitReult>LitElemTable
MainMenu>GeneralPotproc>ElementTable>ElemTableData
绘制等值线图:
命令:
PLESOL,PLNSOL
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc>PlotReult>ElementSolution
MainMenu>GeneralPotproc>PlotReult>NodalSolu
绘制矢量图:
命令:
PLVECT
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc>PlotReult>Predefined
MainMenu>GeneralPotproc>PlotReult>UerDefined
以表格的方式显示数据:
命令:
PRESOL,PRNSOL,PRRSOL
GUI:
MainMenu>GeneralPotproc>LitReult>ElementSolution
MainMenu>GeneralPotproc>LitReult>NodalSolutionMainMenu>GeneralPotproc>LitReult>ReactionSolu
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。
多导体系统提取电容(很像翻译的HELP,故我把它全部copy过来)
14.4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。
CMATRI某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
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- Ansys 二维 平面 电场 分析