ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析p方式.docx
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ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析p方式
第十五章静电场分析(P方式)
P方式分析概念
P方式取得的结果,如电势(电压)、电场、电通量密度、静电力或能量等,可达到你要求的精度。
P方式利用高阶有限元(P阶次)来逼近真解。
P方式的求解进程是:
基于初始有限元网格,对给定初始阶次的P单元进行求解,随后增加部份P单元的阶次后,再次基于有限元网格求解。
每次迭代结果与一系列收敛标准相较较。
这些收敛标准能够是:
模型上某点上的电势、电场或电通量密度、总的贮存能量和总的作使劲(Maxwell应力张量)。
P阶次愈高,结果愈趋近于真实解。
利用P方式时,不必然只能用P单元生成的网格求解。
当利用P单元生成网格时,P方式最有效,但并非必然非得如此。
固然,能够用P单元建模和分网,但也能用带中间节点的h-单元(ANSYS或CAD软件包生成)生成的网络,进行P方式求解。
这提供了独立生成网格,利用P方式求解的灵活性。
关于任何网格,P方式皆能自动改善计算结果。
利用P方式的优势
关于静电分析,P方式求解选项提供了许多传统的h-方式所不具有的优势。
其中最大的优势是:
不需要用户严格操纵网格大小,即可取得所要求的求解精度。
若是用户对有限元分析不熟悉,或没有划分网格的实际体会,那么可用这种方式,因为它不受人工分网格精度的阻碍。
另外,P方式自适应细分网格提供的误差估量比h-方式更为精准,且能计算局部和整体误差(例如,作用在一个体上的总力)。
例如,若是需要在电介质某击穿点位置处取得高精准解,或取得某个体上的受力,P方式提供了要取得这种精准结果的最正确途径。
利用P方式
P方式静态分析进程要紧有如下四个要紧步骤:
1.选择P方式
2.建模
3.加载和求得解
4.观看结果
每一步将在以下各节中详细讨论
15.3.1选择P方式
有二种方式可激活P方式求解:
通过GUI或概念P单元[ET命令]。
·通过GUI激活P方式:
命令:
/PMETH
GUI:
MainMenu>Preferences>p-methodElectr
·通过概念P单元激活P方式:
利用概念P单元也能激活P方式求解程序。
若是没有采纳ANSYS的交互式(GUI)运行方式,那么概念P单元会自动使程序执行P方式求解,而不需要其他命令来启动P方式。
若是采纳了ANSYS的交互式(GUI)运行方式,那么在“输入窗口”(InputWindow)输入ET命令就可激活P方式程序。
(注意,现在ET命令必需在“输入窗口”输入,因为除非P方式预先被激活,不然菜单上只会显示h-单元)
命令:
ET
GUI:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
15.3.2建模
要建一个P单元模型,其步骤如下:
1.概念单元类型
2.概念材料性质
3.成立几何模型
4.划分网格
上述步骤与许多其它分析类型的步骤类似,“ANSYS建模和分网指南”中详细说明了这些步骤,在本节中只论述与P方式相关的内容。
15.3.2.1概念单元类型
能够用下面两种P单元建模:
P单元类型
单元
维数
形状和特性
自由度
SOLID127
3-D
四面体,10节点
节点电压
SOLID128
3-D
六面体,20节点
节点电压
注:
H单元和P单元在模型中不能被同时激活(只有效于Trefftz区域的MATRIX50超单元例外)
15.3.2.规定P阶次范围
P单元有许多项选择项,其中一个重要的选项是能够概念局部或整体区域上P阶次的转变范围。
通过P单元关键选项设置KEYOPT
(1)和KEYOPT
(2),能够局部操纵P阶次转变。
用PPRANGE可操纵全局的P阶次转变,P阶次范围缺省值为2到8。
当同时利用KEYOPT值和PPRANGE规定P阶次范围时,前者(KEYOPT)要优先于后者(PPRANGE)。
例如PPRANGE设置在3-8之间,而SOLID127单元的P阶次概念在4到6范围内(ET,1,127,4,6),那么SOLID127单元的P阶次只能在4与6之间转变,模型其余部份可在3到8之间转变。
起始时P单元的P阶次缺省为2,当进行第一次求解完成后的收敛检查(PMOPTS命令)时若是确信某些单元已经收敛,那么其P阶次将会固定为2,而且在后续迭代中再也不进行收敛检查。
在后续计算中对余下的单元进行收敛检查时,进程类似,即对已收敛的单元固定其P阶次,并排除在后续收敛检查之外。
能够利用局部P范围操纵来忽略一些不重要的区域,用整体P范围来操纵整体P阶次。
这些P阶次范围的操纵并没必要须,但升高P阶次会增加CPU运行时刻。
因此,低P阶次操纵是有利的。
概念局部P阶次范围:
命令:
ET,ITYPE,Ename,KOP1,KOP2
GUI:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
概念全局P阶次范围:
命令:
PPRANGE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-p-Method>Setprange
15.3.2.2概念材料性质和/或实常数
15.3.2.单位制
可在多种单位制中求解静电场问题。
ANSYS要求所有几何尺寸、属性和载荷(鼓励)在单位制上要统一。
缺省值为国际单位制MKS(或MKSV)(米、千克、秒、伏特、安培)。
关于微结构系统,其它单位制利用起来可能更方便些,例如µMKSV(微米、千克、秒、伏特、微微安)或µMSVfA(微米、秒、伏特、毫微微安、克)等。
关于静电分析,自由空间介电常数必需选用与所用单位制一致的适合的值,这通过EMUNIT命令实现。
缺省的自由空间介电常数为法拉/米(MKSV制),关于µMKSV单位制为微微法/微米,关于µMSVfA单位制为毫微微法/微米。
用以下方式之一,规定单位制:
命令:
EMUNIT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>ElectromagUnits
15.3.2.材料性质
P单元的材料性质(相对介电常数)能够是常数或随温度转变,能够是各向同性或正交方向异性。
用以下方式之一,概念相对介电常数:
命令:
MP
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>RelativePermittivity>Isotropic
关于正交异性必需利用单元座标系作为材料的方向,而在后处置Post1中观看结果只能用整体直角坐标系。
15.3.2.3成立几何模型
能够用“ANSYS建模和分网指南”中的任一技术来成立模型,或通过CAD系统输入模型。
若是在ANSYS程序中建模,能够用实体建模方式或直接生成技术。
注意:
建议不要在P方式分析中采纳直接建模技术,因为所有的P单元都需要中间节点来概念其形状,在表面曲率对分析结果阻碍较大的情形下,人为概念中间节点不仅烦琐,而且很不精准。
再者,EMID命令所概念的中间节点并非是在曲线上。
因此,采纳实体模型,让程序来自动生成中间节点是比较明智的。
不能删除任何P单元的中间节点!
若是采纳直接生成法或从其它程序输入网格,请务必记住:
·单元的曲边对应的圆心角不能超过30°
·单元邻边间的夹角应在10°和170°之间,当角度在30°到150°之间时,ANSYS即发出警告信息,但关于P单元,10°和170°之间的范围是能够同意的。
·单元长宽比应维持在20:
1之内。
15.3.2.4用实体单元划分网格
15.3.2.分网区域
在静电场分析中,导体区域不需要用P单元划分网格,因为导体表面视为等位面。
因此,只对周围介质材料和空气区域要求分网格。
导体表面需要做特殊处置,它们必需加上一确信电压,或若是电压未知的话,对导体表面节点进行自由度耦合。
15.3.2.利用程序缺省值
模型成立后,用P单元把它划分网格。
模型划分网格的一样步骤在“ANSYS建模和分网指南”中有详细描述。
与h单元比较,关于P单元,在缺省设置下,程序将生成一种粗糙网格。
通常,不需要人工进行单元尺寸操纵,因为缺省时,程序将给出足够精度的网格。
另外,为了取得精准和有效的结果,在求解进程中每一个单元的P阶次将自动转变。
关于工程设计研究,相对粗糙、无过渡的网格提供的解题精度一样都足够了。
注:
自适应网格不适用于P方式分析。
15.3.2.确信网格操纵
缺省情形下,DESIZE命令自动操纵单元大小。
关于自由分网,能够利用SmartSize(智能尺寸)功能[SMRTSIZE命令]来操纵单元大小(该功能不适用于映射分网)。
智能尺寸功能一样能生成较好质量网格,并推荐用于P单元模型,概念方式如下:
命令:
SMRTSIZE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-SmartSize-Basic
利用以下方式之一,概念缺省单元大小:
命令:
DESIZE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-ManualSize-Global-Other
注意:
由于P方式采纳的是较粗的网格,因此P方式的缺省单元尺寸与h方式是不同的,详见SMRTSIZE和DESIZE两条命令的说明。
关于形状弯曲的几何体,在缺省条件下,可能在某些局部难于取得中意的网格,因为单元数量少,对弯曲区域的填充不充分,因此单元质量差,现在,由用户概念分网操纵能够改善网格质量。
15.3.2.生成好网格的一些指导性原那么:
·细分复杂几何体,或把它们分成几个体来建模。
通常,应当保证在体内任何位置处都能“看到”该几何体的各极点,如不能“看到”,那么应把该体分成几个更易处置的小体。
·关于“平行”线或彼此靠近的线,单元分段数应尽可能一致。
智能化分网[SMRTSIZE]能够专门好地处置这种情形。
但是,若是单元尺寸利用了DESIZE方式,那么应设置局部网格操纵来在这些地址取得较好的网格。
15.3.3与建模相关的其它信息
15.3.3.1观看单元模型
绘制模型利用子网格法,它能操纵单元曲率的显示。
在单元显示中,能够通过操纵单元显示的小面数来操纵单元曲率显示的程度。
P方式中,PowerGraphics为缺省图形显示法,这种方式显示图形比全模型法速度要快得多。
关于PowerGraphics,请详见“ANSYS大体分析进程指南”。
关于/EFACET,详见本节后面的关于P单元子网络的讨论。
概念单元用于PowerGraphics显示的单元边小面数量的方式如下:
命令:
/EFACET
GUI:
UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape
15.3.3.2用于开放边界描述的Trefftz法
Trefftz方式可用来模拟有限元模型边界上的远场效应。
Trefftz方式把处置开放区域边界的技术和与有限元类似的正定刚度矩阵结合起来。
关于P方式,一个Trefftz区域可用于无对称面3-D模型中。
设置和利用Trefftz区域的详情相同于h-方式静电分析,详见十四章中的“开放边界中的Trefftz方式”。
15.3.3.3耦合
能够在P单元节点间耦合自由度来操纵节点解的行为。
在规定的节点“坐标方向”上,全数耦合节点具有相同的电位值,这些数值一直要到分析完后才明白。
用以下方式之一,概念一组自由度耦合:
命令:
CP
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs
通常利用导体表面节点耦合来表示未知电压的等位面,或利用相匹配节点对来描述模型二个表面周期性转变的边界条件。
在耦合集中概念的第一个自由度是“主”自由度,耦合集中所有其它自由度通过与主自由度之间彼此关系被从求解矩阵中排除掉。
注:
关于P单元,若是中节点也被耦合,只有角节点才能被概念为主自由度。
关于P方式分折,当耦合时,只有下面描述的节点组合才是许诺的,任何偏离这些的组合将极可能致使奇异。
15.3.3.以下情形下,许诺角节点耦合:
1.同一单元内二个节点耦合,如以下图1所示。
2.邻接单元边/面之间二个节点耦合,如以下图2所示。
15.3.3.以下条件下许诺边中节点耦合
1.在单元边或面上两个角节点同组耦合,只有角节点才能够概念为主自由度,在静电学中这是常见的,现在,模型或导体的整个边沿被耦合。
(
2.耦合集全数为边中节点。
在这种情形下,中间节点必需被概念为主自由度,可是,这只在耦合集中没有角节点时才有效。
注:
若是将在一个P单元的面或边耦合(即,该单元的一个面上的所有边或一条边上的所有节点都被耦合),那么该单元边或面的P一阶次将维持为2。
15.3.3.4约束方程
你能够在P单元二个节点之间写约束方程来操纵节点求解行为。
约束方程强制全数节点知足给定的关系。
在静电学中,约束方程通经常使用来描述节点相匹配的两个面之间的周期性电位特性。
例如,模型中一个面上的电位值与另一个面上电位值在幅值上相等,但具有相反符号。
它们也用于Trefftz区域模拟远场特性,电位值直到分析完才明白。
用下面方式之一,概念自由度约束方程:
命令:
CE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>ConstraintEqn
P单元约束方程具有下面的限制:
·如右图所示,可写任一角节点到另一角节点的VOLT约束方程,但不能在一个角节点与一个中间节点间写约束方程。
·如以下图所示,若是对一条边上三节点或一个单元面上全数节点写VOLT约束方程,那么可写任一中间节点与任一其他中间节点的VOLT约束方程。
·如以下图所示,不可只写关于中间节点的约束方程
之因此有上述限制,是因为在P方式静电分析中,角节点的VOLT自由度表示该节点的电势,而中间节点VOLT自由度是二阶分层边界模态值。
遵循这些限制,在所概念约束方程的边或面上,就能够取得二阶(P=2)的电位解。
15.3.4加载和求解
在本节中,将按以下步骤对模型求解:
1.进入求解
命令:
/SOLU
GUI:
MainMenu>Solution
2.概念分析选项
求解P方式所生成的联立方程组时,可选择三种选项中任一种。
这些求解器在“ANSYS大体分析进程指南”中有详细讨论。
·波前求解器
·雅可比共轭梯度求解器(JCG)(推荐利用)
·非完全Cholesky共轭梯度求解器(ICCG)
·预条件共轭梯度求解器(PCG)
利用以下方式之一,指定方程求解器:
命令:
EQSLV
GUI:
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
关于许多3-D实体模型和专门大的2-D模型(自由度>40,000)的P单元分析,通常推荐利用JCG求解器,JCG求解器通常快于波前法。
在某些情形下,例如,当单元具有专门大的长宽比或材料不持续时,PCG求解器需要通过更多的迭代后才收敛。
利用EQSLV命令中MULT选项增加最大的选代次数,这选项仅对PCG求解器有效。
3.加载
除惯性载荷(重力、旋转速度等)外,载荷能够加到实体模型上(关键点、线、面等)或有限元模型上(节点和单元)。
“ANSYS大体分析进程指导手册”对加载有详细描述。
适用于P方式的载荷
本手册静电场分析一章中描述了适用于静电分析的载荷,包括与每种载荷有关的命令。
电位(VOLT)为自由度约束,通常加在接地面、导体、或远场边界。
也能够用于描述对称边界条件。
加于单元边或面所有节点的电位边界条件同时也约束了沿该边或面的高阶电位转变。
电位不能只加在中间节点上,但可只加在角节点上。
电荷(CHRG)是点载荷,这种载荷通常只能加在角节点上。
注意:
必需遵守以下注意事项:
·加单点电荷时要警惕,因为它们会引发场奇异。
若是施加了类似载荷,那么与所加载荷节点相连的单元将不作收敛计算。
详见下面的“考虑奇异”。
·不要把电荷加在中间节点上。
只能把电载荷加在角节点上。
面电荷密度(CHRGS)是面载荷,通常加在体的外表面。
体电荷密度(CHRGD)是体载荷,通常加到单元上。
Maxwell面标志(MXWF)表示要计算该面的力,通常标志在与导体或机械结构相邻的空气单元表面。
标志了面的单元将计算和贮存表面力,在后处置中能观看这些力或自动转换到结构分析中(导体或机械结构应力分析)。
在自适应进程中体上“全局”力也可用作重要判据。
可用SF系列命令加面力标志,记住要把这些标志加在与导体或机械结构相邻的空气单元表面上。
在纯静电场模型中,这些导体事实上不用单元表示(不划单元),因此面标志直接加在面上。
在多物理分析中,能够用“零”单元类型(ET,,O)把导体区域划分单元,它们在静电场计算中不起作用。
在这种情形下,能够把导体单元组合成单元部件(CM命令),并在此部件上加Maxwell面标志,这用FMAGBC宏命令完成。
静电P单元输出力只与低阶和高阶结构h单元兼容。
用LDREAD命令可将静电场分析取得的力转换到结构分析中。
关于SOLID127和SOLID128单元,用KEYOPT(7)选项来描述关于低阶或高阶结构单元进行力的计算。
结构P单元(SOLID147和SOLID148)并非支持静电一结构耦合计算。
温度(TEMP)用来研究与介电常数有关的温度效应,能够从热分析中读取温度或直接在节点或实体模型关键点上给予温度。
如下进程能够从热分析中取得温度:
·划分P单元模型
·把P单元类型转换为下面热单元类型:
SOLID128→SOLID90和SOLID127→SOLID87
·进行热分析
·把热单元类型再变回到P单元类型以进行P方式静电场分析。
·分析的其余步骤与h单元进行的步骤相同(见“ANSYS热分析指南”)。
4.概念载荷步选项
关于P方式分析求解,下面求解选项有效:
·指定收敛标准
·规定P阶次操纵
·考虑奇异
如本节前面所述,P方式分析进行一系列迭代或P循环,并校核每次的收敛情形。
PPRANGE命令描述模型全局P阶次的转变范围(2到8之间)。
分析在P=2处开始,每一个单元都必需针对已成立的收敛标准[PCONV]进行结果检查。
若是解在要求的误差范围内[PEMOPT],那么该单元的P阶次=2。
如这些单元不能在确信误差范围内收敛,那么将它们的P阶次增加,然后再进行求解(迭代)。
在每次迭代时,校核收敛标准(能量、电位、电场、整体力等等)。
若是收敛,终止求解。
若是单元解收敛,那么它们的P阶次维持在当前的P阶次上。
这进程一直进行到全数收敛标准知足或达到了最大的P范围为止。
概念收敛标准
收敛标准能够是整体的(能量或MAXWELL面力)或局部的。
当要求解电容时,整体能量是一个专门好的收敛标准。
在体上的静电力(MAXWELL力)也可收作为收敛标准。
全数标志面上力求和以取得整体力,用来作为一个收敛标准。
当利用整体力(EFORC)标准时要专门注意,因为标志面上的力要全数求和,故只能有单个体被标志。
不然,关于多个被标志的体,总力可能无心义(或其和可能为零)。
若是对模型中某点的结果专门有爱好,那么应该用局部收敛标准。
利用该选项来指定模型中哪些面可用来进行收敛监视、和用什么收敛标准。
通常,应选择几个感爱好的点(节点),在这些节点上规定收敛标准(电位、电场等等)。
一样地,缺省收敛容差(5%)对一样结果是足够了。
若是要求更精准的结果,可减小该容差值。
关于设计研究或优化分析,较低的容差能够大大减少计算时刻。
利用以下方式之一,设置P方式求解收敛值:
命令:
PCONV
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-p-Method>ConvergenceCrit
注意:
因有奇异性,不要在节点上概念电场或通量密度收敛标准。
由于奇异,这些位置的解将可不能收敛。
在材料不持续部位指定收敛标准尤其需要注意,在这种情形下,收敛标准只能加到横跨材料界面的持续部件上。
提示:
被选择概念收敛标准的位置时,应集中注意高电场区域或最高电位点而不是电场或电位相对较弱的区域。
操纵P阶次说明
能够概念当前分析所许诺的初始(缺省为2)和最大(缺省为8)P阶次[PPRANGE]。
若是已完成一个分析后,需要进行从头分析(例如设计变更),而且明白多数单元在最终的P阶次处会收敛,那么可在较高P阶次从头开始计算。
若是想接省硬盘空间或计算时刻,也可把最大P阶次限制到小于8的值。
提示:
利用单元KEYOPT选项,可对模型局部区域调整起始和最大的P阶次
考虑奇异
若是模型包括任何凹(内部或凹面)棱,且不能用倒角半径建模,或包括点电荷或奇异面,那么可不考虑这些面的收敛计算。
所有至少包括了一个奇异节点的单元都不能考虑收敛性。
利用下面方式之一,规定单元P阶次在求解中不转变:
命令:
PEXCLUDE
GUI:
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-p-Method>-Energy-ExcludeElems
能够从头指定或从头包括要进行收敛检查的单元,可用列表[PINCLUDE,STAT;PEXCLUDE,STAT;或*GET命令]或图示单元[EPLOT]来确信哪些单元已包括在内,或哪些单元被排除在外。
不包括在内的单元在图形中显示白亮。
也可直接用ESEL命令[ESEL,,PEXC或ESEL,,PINC](只能用命令,无等效的菜单途径GUI)来选择已包括的单元或未包括的单元,这有助于方便地将这些单元概念为部件[CM]。
利用以下方式,概念在求解中要改变P阶次的单元:
命令:
PINCLUDE
GUI:
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-p-Method>-StrainEnergy-IncludeElems
5.数据库备分
命令:
SAVE
GUI:
UtilityMenu>File>SaveAs
6.开始P阶次选代和求解进程
每次P循环的概况都有相应信息输出,并指明当前的P阶次、收敛统计、有多少单元已经收敛等。
命令:
SOLVE
GUI:
MainMenu>Solution>CurrentLS
关于P方式静电分析,ANSYS计算每一个P循环的计算收敛范数。
在批处置方式和交互式方式下,图形求解示踪(GST)可显示求解进程中所计算的收敛范数和收敛准那么,缺省情形为:
GST在交互式求解进程中打开,在批处置方式求解进程中关闭。
用下面方式,关闭和打开GST特性:
命令:
/GST
GUI:
MainMenu>Solution>OutputCtrls>GrphSoluTrack
13.3.5对一样问题有帮忙的提示
若是分析并非成功,试用以下步骤识别并纠正失败缘故:
问题:
“NegativePivot"errorencountered”——碰到“负主元”(“NegativePivot”)错误
可能缘故:
模型中没有约束电位,模型中至少应有一个节点给予一个确信的电位。
解决:
至少给一个节点加一个确信电位。
问题:
在要求的误差范围内求解并非收敛。
可能缘故:
有几个可能的缘故。
为了确信缘故,可在后处置器[/POST1]中观看结果。
可能原因
解决方法
收敛标准对最大允许P阶次和所分网格来讲太严格
放宽收敛标准
在一个奇点(具有无限大的场值,例如点电荷)处定义了收敛标准,或没有将奇点附近的单元排除在收敛检查之外
不要校核奇点的收敛标准
电场高的区域网格太粗糙
细化网格
最大P阶次低于收敛所要求的值
提高最大P阶次
在曲线边界上,在相邻单元边的夹角大于55度的位置处定义了收敛标
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- ANSYS 电磁场 分析 指南 第十五 静电场 方式