MAXWELL2D3D使用说明.docx

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MAXWELL2D3D使用说明

AnsoftMaxwell2D/3D使用说明

第1章Ansoft主界面控制面板简介

第2章二维（2D）模型计算的操作步骤

2.1创建新工程…………………………………………………………………2

2.2选择求解问题的类型…………………………………………………………3

2.3创建模型（DefineModel）…………………………………………………4

2.4设定模型材料属性（SetupMaterials）……………………………………6

2.5设定边界条件和激励源（SetupBoundaries/Sources）…………………8

2.6设定求解参数（SetupExecutiveParameters）…………………………9

2.7设定求解选项（SetupSolutionOptions）………………………………10

2.8求解（Solve）…………………………………………………………………10

2.9后处理（PostProcess）……………………………………………………11

2.10工程应用实例………………………………………………………………12

第3章三维（3D）模型计算的操作步骤

3.1建模…………………………………………………………………………14

3.2定义材料属性…………………………………………………………………17

3.3加载激励和边界条件…………………………………………………………18

3.4设置求解选项和求解…………………………………………………………18

3.5后处理…………………………………………………………………………18

3.6补充说明………………………………………………………………………18

3.7例1两电极电场计算………………………………………………………18

3.8例2电压互感器下半部分电场计算……………………………………22

第4章有限元方法简介

4.1有限元法基本原理……………………………………………………………28

4.2有限元网格自适应剖分方法…………………………………………………29

第1章Ansoft主界面控制面板简介

在Windows下安装好Ansoft软件的电磁场计算模块Maxwell之后，点击Windows的“开始”、“程序”项中的Ansoft、MaxwellControlPanel，可出现主界面控制面板（如下图所示），各选项的功能介绍如下。

1.1ANSOFT

介绍Ansoft公司的联系方式，产品列表和发行商。

1.2PROJECTS

创建一个新的工程或调出已存在的工程。

要计算一个新问题或调出过去计算过的问题应点击此项。

点击后出现工程控制面板，可以实现以下操作：

●新建工程。

●运行已存在工程。

●移动，复制，删除，压缩，重命名，恢复工程。

●新建，删除，改变工程所在目录。

1.3TRANSLATORS

进行文件类型转换。

点击后进入转换控制面板，可实现：

1.将AutoCAD格式的文件转换成Maxwell格式。

2.转换不同版本的Maxwell文件。

1.4PRINT

打印按钮，可以对Maxwell的窗口屏幕进行打印操作。

1.5UTILITIES

常用工具。

包括颜色设置、函数计算、材料参数列表等。

第2章二维（2D）模型计算的操作步骤

2.1创建新工程

选择MexwellControlPanel（MexwellSV）启动Ansoft软件→点击PROJECTS打开工程界面（如图2.1所示）→点击New进入新建工程面板（如图2.2所示）。

在新建工程面板中为工程命名（Name），选择求解模块类型（如Maxwell2D,Maxwell3D,MaxwellSV等）。

MaxwellSV为StudentVersion即学生版，它仅能计算二维场。

在这里我们选择MaxwellSVversion9来完成二维问题的计算。

图2.1工程操作界面

图2.2新建工程界面

2.2选择求解问题的类型

上一步结束后，建立了新工程（或调出了原有的工程），进入执行面板（ExecutiveCommands）如图2.3所示。

面板的左边是一系列的执行菜单，在接下来的求解过程中将顺次执行它们（前面的菜单没有正确执行时后面的菜单为灰色，不能执行）。

第一步，选择求解器（Solver），点击后会出现场类型选项，包括静电场（Electrostatic），稳恒磁场（Magnetostatic）和正弦时变涡流场（EddyCurrent）等。

选择用户要求解的问题类型。

第二步，选择求解区域几何类型（Drawing），包括平行平面场（XYPlane）和轴对称场（RZPlane）。

对于场域模型创建模块（DefineModel），设定模型材料属性模块（SetupMaterials），设定边界条件与激励源模块（SetupBoundaries/Sources），设定执行参数模块（SetupExecutiveParameters），设定求解参数模块（SetupSolutionOptions），求解模块（Solver）与后处理模块（PostProcess）将在下面分别详细说明。

图2.3执行面板（ExecutiveCommands）

2.3创建模型（DefineModel）

点击DefineModel选项，进入模型绘制面板（2DModeler）如图2.4所示。

图2.4：

模型绘制面板（2DModeler）

2.3.1模型绘制命令项介绍

File

创建新文件（New）或调出已有文件（Open）及保存几何模型文件（Save）；导入和导出其他格式文件（Import）；设置打印选项（PrintSetup）；打印（Print）；退出模型绘制界面（Exit）。

实际上，进入该界面后可以直接建立模型，然后在推出时程序将提问是否保存模型，且会自动按工程名赋予模型文件名。

在建模期间若担心信息丢失，可以使用保存命令存盘。

Edit

进行图形编辑，包括选择对象（Select）和取消选择（Deselect）、剪切（Cut）、复制（Copy）和粘贴（Paste）、删除（Clear）；定义对象属性（Attributes）；控制对象的可见性（Visibility）等。

复制功能可以沿坐标轴、线或对称面复制对象。

Reshape

修改物体的形状。

包括对选中的物体进行按比例大小缩放（ScaleSelection）；对定义圆弧的线段数进行重新设置（Edge-NumberofSegments）（在画圆弧时已进行了定义）。

圆弧线段的长度应小于有限元网格相应边界单元的边长，否则会带来较大的计算误差。

因此，应定义较多的圆弧线段数（如对于圆周最好设180段）。

Boolean

不同物体之间的运算，包括合并（Union）、相减（Subtract）（如形成一个圆环可以通过两个圆相减得到）、相交（Intersect）等操作。

Arrange

模型排列，包括移动（Move），旋转（Rotate），镜像（Mirror），同时可以重新定义模型尺度，即变换模型大小。

Object

选择物体模型绘制类型，包括：

直线或折线（Polyline，双击鼠标结束画线）、圆弧（Arc）、由点定义的光滑曲线（Spline）、矩形（Rectangle）、圆（Circle）。

Model

模型绘制参数设置与调整，包括距离测量（Measure）、绘图量纲（DrawingUnits）、绘图板大小定义（DrawingSizes）、画笔捕捉设定（SnaptoMode）、颜色与文字大小默认值设定（Defaults）。

Window

绘图窗口显示与坐标处理等，包括显示缩放（ChangeView-Zoomin,out）、坐标平移或旋转（CoordinateSystem）、绘图界面网格设置（Grid）、填充封闭区域（FillSolids）。

Help提供在线帮助。

2.3.2板面快捷工具功能介绍

工具条

图2.5为快捷工具条的图标，从左到右依次为：

画折线或直线、顺时针弧线、逆时针弧线、光滑曲线、写文字标记、绘制矩形、圆；物体平移、物体旋转、选择物体、取消选择、设置颜色、物体属性（包括显示物体的端点和给物体定位）、测量（包括显示所选两点的坐标与距离，两点连线与水平线的夹角）、放大、缩小、适应（使显示平面与物体大小适应）、坐标平移、坐标旋转。

图2.5：

快捷工具条

绘图区

绘图区是绘制物体的区域。

可以利用Window命令项中的Cascade-Subwindows选项打开多个绘图区窗口。

可以调整这些窗口的位置和布局，也可以对每个窗口进行放大或缩小等操作，而其他窗口中的物体保持不变，此功能可以用来从不同的视角观察绘图区域，例如可以在一个窗口上放大局部区域观察细节，而另一个观察整体。

状态栏

状态栏位于模型绘制面板的底部，显示鼠标所在位置的坐标值，其主要用途是在建模工程中直接输入坐标或几何尺寸，这是建模的一个常用的办法。

因为用鼠标建模不易获得准确坐标数据。

若要在数据栏中输入坐标时，应将鼠标移出绘图区域，否则移动鼠标时会更改数据栏中的数据。

注意数据输入后按Enter健生效。

信息栏

信息栏位于“状态栏”的上面，用来提示应进行的操作或显示鼠标功能。

例如，点击建立矩形区域命令后，信息栏显示：

MOUSELEFT:

Selectfirstcornerpointofrectangle（按鼠标左健选择（确定）矩形的第一个角点），MOUSERIGHT:

Abortcommand（按鼠标右健中断当前命令）。

注意：

按鼠标右健中断命令功能会经常用到。

若在U、V（X、Y）数据栏中输入数据后按Enter健，信息栏显示：

MOUSELEFT:

Selectsecondcornerpointofrectangle（选择矩形的第二个角点），此时在dU、dV数据栏中输入矩形的宽和高按Enter健便可建立矩形。

2.3.3建模的基本操作程序小结

（1）选择Model/DrawingPlane命令，设置模型的绘制平面。

选项中包括XYPlane和RZPlane.

（2）选择Model/DrawingSize重新定义模型区域的大小。

（3）选择Model/DrawingUnits来定义模型所用的单位。

（4）创建模型。

建议通过画直线和圆弧来完成场域边界的建立。

（5）需要的时候，利用Edit,Reshape和Arrange菜单命令修改你所建立的模型。

（6）在建立模型的过程中也可以调用Window菜单命令新建子面板，用于模型细节或其他方面的建模。

（7）保存所建立的模型，退出模型绘制面板。

2.4设定模型材料属性（SetupMaterials）

2.4.1界面介绍

模型材料界面分为4块（如下图所示），左上部为物体（object）和已定义的材料名（Material）列表。

尚未定义的材料名为UNASSIGNED，场域背景（Background）默认设定材料为真空（Vacuum）。

左下部分为Ansoft给定的或用户加入的材料库（Material），右上部分为模型图，右下部分为材料的具体参数。

2.4.2设置材料属性

1．若材料库中存在所需材料，则从物体列表中选中一个物体，然后从材料库中选择所需材料，最后点击“Assign”即可完成该物体的材料属性设定。

2．若材料库中不存在所需材料，则需要先填加新材料到材料库，然后再设定物体的材料属性。

填加新材料到材料库中的步骤如下。

（1）选择Material中的Add

（2）在MaterialProperties下面的文本框内填入材料名。

（3）如果需要，可选择材料名文本框下面的PerfectConductor（良导体），AnisotropicMaterial（各向异性材料）或B-HNonlinearMaterial（非线性磁材料）。

（4）在材料属性参数栏中输入具体的材料属性值，包括Rel.Permittivity（相对介电常数），Conductivity（电导率，西门子/米），Elec.Coercivity（电矫顽力），Elec.Retentivity（电记忆力），Polarization（电极化强度）。

对磁场计算还有Rel.Permeability相对磁导率，MagneticCoercivity磁矫顽力，MagneticRetentivity磁记忆力，Magnetization磁化强度。

（5）对非线性材料，点击B-HCurve按钮，定义材料的B-H曲线。

（6）对于材料的属性，也可以用函数的方法赋值，具体做法是点击Functions按钮，在弹处的对话框中输入函数的名称和表达式，然后在属性赋值时，利用函数名称赋值。

（7）材料性质设定后，点击Enter。

模型材料定义界面

2.4.3排除物体

有些情况下，可能让一些物体不参加计算，这时，就可以利用排除该物体来实现该目的。

一种典型的情况是，对于一个闭合的场域问题（如由第一类边界包围的一个电场区域）背景可以不参加计算，这时就可以利用排除背景来实现。

具体做法为：

选择要排除的物体，点击Exclude。

可Include来恢复物体。

2.5设定边界条件和激励源（SetupBoundaries/Sources）

2.5.1界面介绍

边界条件和激励源的界面如下图所示，左侧为已经设定的边界激励条件（第一次打开时为空），右部上方为场域模型，用来配合选择边界或物体，右下方为设定边界或激励源的赋值区域。

2.5.2基本操作步骤

1.选择要赋值的边界或物体，方法：

点击Edit/Select/Edge（Object/ByClicking），然后鼠标变为一个黑色箭头，用鼠标点击选择边界（或物体）。

按鼠标右键则退出选择模式。

2.选择要加载边界条件还是激励源，方法：

点击Assign/Boundary/Value设置边界值、Boundary/Symmetry设置对称边界值、Boundary/Balloon设置开域场边界，Assign/Source/Solid设置激励源（电荷或电流）。

Symmetry设置对称边界值分为奇对称（Odd）和偶对称（Even）。

奇对称可理解为对称边界两侧场源异号，对电场问题对称边为零电位线，磁场问题为一条磁力线；偶对称为同号源，电场问题为电位的法向导数或电场强度的法向分量为零，磁场问题为磁场强度的切向为零或磁力线垂直于对称边界。

如对于下图所示的一个电场问题，设大圆边界电位值为10V，小圆为5V，左侧边界（Edge）为奇对称，其它三条边界设为Balloon。

电位分布如图所示。

从电位结果可以看出，实际问题是左侧有一个对称模型，但大圆电位值-10V，小圆为-5V。

3.键入边界或激励数值。

也可以用函数赋值，具体做法与上面讲到的用函数设定模型材料属性的方法类似。

4.点击Assign保存设置并退出。

然后点击File/Exit/Yes退出界面。

2.5.3几点说明

1.当完成物体选择后，注意让光标在场域内点击右键退出/完成选择步骤。

2.对于包含在其他物体内部的物体，用鼠标点击不能进行选择时，可以利用Edit/Visibility隐藏外面的物体，然后再选择；但最好是利用物体的名称（ByName）进行选择。

3.对于背景（Background），也可以和其他物体一样处理，可以单独选择它的各个边（Edge），也可以作为整体（Object）选择，根据不同的情况加载不同的边界条件。

4.要想改变已设定过的边界或物体，应先删除原来的设定，即在界面左侧的列表中选中物体名然后按Del键。

2.6设定求解参数（SetupExecutiveParameters）

该步骤用来完成以下几个集总参数的求解设定。

1.施加在一个物体或一组物体上的电磁力（Force）。

2.施加在一个物体或一组物体上的力矩（Torque）。

3.电容、电感、电阻值，对于多个物体给出分布参数矩阵（Matrix）。

4.铁心损耗（CoreLoss）

5.磁链（FluxLines）

设定方法或过程为：

首先点击SetupExecutiveParameters下相应的参数项进入设定面板，然后选择所要计算的物体。

例如，若模型中有5个物体，想要计算所有物体间的电容，则应全部选定，也可仅选其中的2个物体计算一个电容值。

对于力（力矩）计算，可以直接选择物体计算各物体的受力（力矩），也可以先创建一个group，然后选择此group包含的物体，以实现合力（力矩）的计算。

选择一个物体后要按右下角的IncludeSelectedObjects:

Yes，然后物体列表中的名字后变为Yes。

2.7设定求解选项（SetupSolutionOptions）

该部分可以设置网格剖分、方程求解精度和求解方法等。

Ansoft具有网格自适应功能，这是该软件的一大优点，自适应技术可以实现网格单元的合理分布，从而可以提高计算精度。

自适应网格细分是一个迭代过程，程序先生成一个单元较少的初始（Initial）网格网格，然后计算场量，根据场量分布细分一些区域的网格，然后再计算场，依次循环。

该部分的具体内容如下。

1.StartingMesh:

自适应迭代过程的起始网格。

该选项的第一部分为设置迭代过程是从初始网格开始（Initial），还是从已经迭代计算过的当前网格开始（Current）。

很显然，设置为Current是在上次已计算结果的基础上继续迭待，这样可以节省时间。

顺便指出，在迭代过程中用户可以终止计算，程序将保存当前结果，即亦可以得到计算结果。

该选项的第二部分为人工网格处理（ManualMesh），点击该项后进入网格处理界面，其中最常用的功能是网格细分（Refine），利用该命令可以实现点（Point）、面（Area）、物体（Object）的网格细分，选择Point后光标变为十字，然后按左键便细分光标附近的网格，按Area后光标也变为十字，按一下左键后拖拉鼠标到一个位置再按一次左键定义一个矩形区域，区域内的网格将被细分。

2.SolverResidual:

方程求解器余量误差控制，一般利用默认值1e-5即可。

3.SolverChoice:

求解器计算方法选择，一般选自动（Auto）方式即可。

4.Solvefor:

求解目的。

计算场Fields，计算参数Parameters（上一步设定求解参数时所设定的内容，如电容，电感，电阻，力，力矩等）。

5.是否要利用自适应技术，若是则选中AdaptiveAnalysis。

然后要设定每部细分百分数或每步约增加的单元百分数（Percentrefinementperpass），一般设定30%为亦；设定自适应迭代终止判据或控制参量（StoppingCriterion），要求的总步数（Numberofrequiredpasses）和误差百分数（Percenterror）。

该误差只是相邻两次迭代的总能量计算误差，并不表示场量的计算误差。

一般应设定一个较下的数值（如0.01），然后有迭代次数控制终止，因次数和误差只要一个条件满足程序就会停止。

步数开始可选侧1，待通过后处理判断结果正确后再分几次逐渐增加步数，以免一次定义步数太多而需要太长的计算时间。

2.8求解（Solve）

对上述内容设定完毕后就可以进行求解，在求解过程中，点击abort按钮，可以强行推出求解过程。

当然如果前面的设置有错误的话，求解将不能正常完成。

选择右上角的Profile按钮，在Command/Info窗口中显示求解到每一步的信息；点击右上角的Convergence（收敛）按钮，可以观察每一个求解步长的信息，包括剖分单元数，总能量值和能量误差；点击右上角的Solutions及其内部的相应项（如Force），可以显示相应量的求解收敛情况。

2.9后处理（PostProcess）

求解完成后，点击PostProcess进入结果输出、图形显示和分析界面。

这里仅介绍最常用的一些功能。

在进入后处理界面后，选择Plot菜单的Mesh选项，可以绘制计算过程中的网格剖分情况，了解剖分单元的分布。

但显示网格之前一定要选择要显示的部分，具体要通过Edit/Select来选择。

选择Plot菜单的Field选项进行结果场图的绘制，此时会弹出一个CreateNewPlot的界面（如下图所示为电场问题的界面），界面从左到右分成三个部分，第一个部分是绘制的场量（PlotQuantity），包括电压phi（画等位线）、电场强度的幅值magE、电位移magD（画场量分布云图）、电场强度和电位移矢量EVector和DVector（画矢量图）还有能量分布图；第二部分是绘制的区域，包括点（Point）、线（Line）和面（Surface）；第三部分是绘制区所属的范围。

在每项中都选择一个项目后可按OK键。

在Plot菜单下还有Visibility和Delete，点击后将给出已显示的场图列表。

图形显示方式是重叠覆盖式，要想显示哪个场图（已被遮盖的场图）可选择Visibility然后点击场图名字，每点击一次Visibility状态将在Yes/No之间变换。

Delete用来删除场图以释放内存空间。

值的注意的是，在后处理界面中可以象创建场域模型界面那样曾加几何模型，其目的是为了进行模型上的场量显示，如要想观察沿一条线上的场分布，而该线段在场域建模时有没有建立，则可以在此建立。

2.10工程应用实例

一平行板电容器，极板厚2mm，宽100mm，极间距50mm，所充介质的相对介电常数为5。

计算电场、电容值和极板所受的力。

1.点击PROJECTS/New创建一个新的项目，命名为：

Example1，Type:

MaxwellSVVersion9（或其它2D版本），点击OK.

2.Solver:

Electrostatic;Drawing:

XYPlane.

3.点击DefineModel/DrawModel。

选择Model/DrawingSize设置Minima:

X=-70,Y=-40;Maxima:

x=70,Y=40。

建立大一点Background是为了考虑电容器的端部，实际上还可以选择更大的Background以减小外边界对计算精度的影响。

4.点击Window/Grid设为dU、dV均为1。

5.点击Object/Rectangle（或绘制矩形快捷键），在点（-50,25）处点击左键,释放左键后向右上方移动鼠标至dU=100,dV=2处点击左键，然后改变物体的名字和颜色（如果觉着必要），点OK退出建立上极板。

也可以利用界面下边的坐标文本框输入数据，而不用鼠标。

点击Object/Rectangle绘制下极板（建议利用界面下边的坐标文本框而不用鼠标）。

点击Object/Rectangle绘制电容器内部区域，即角点为（-50,-25）（50,25）的矩形用来设定介质参数。

6.点击File/Exit/Yes

7.进入SetupMaterials定义物体的材料属性。

将background定义为真空vacuum（默认值）；点击Object1,从材料列表中找到并点击Copper,按Assign；类似地设定Object2。

对Object3需要增加一种