Ansys中文帮助单元详解PLANE13.docx

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Ansys中文帮助单元详解PLANE13

单元详解——PLANE13

单元性质:

2维耦合场实体单元

有效产品：

MPME<><><><>EM<><>PPED

PLANE13单元说明

PLANE13具有2维磁、热、电、压电和结构场分析能力，并能在各场之间实现有限的耦合。

本单元有4个节点，每个节点最多有4个自由度。

本单元具有为B-H曲线或永磁体退磁曲线建模的非线性磁能力。

PLANE13单元具有大变形和应力刚度能力。

在用于纯结构分析时，PLANE13单元也具有大应变的能力。

关于本单元的更多细节见"ANSYS公司理论手册"中的PLANE13。

具有类似功能的耦合场单元是SOLID5、SOLID62和SOLID98。

图 13.1  PLANE13单元几何

PLANE13输入数据

在图13.1:

"PLANE13单元几何"中给出了PLANE13单元的几何形状、节点位置和单元坐标系。

单元输入数据包括4个节点和磁、热、电及结构材料特性。

单位类型（MKS单位或用户定义）通过EMUNIT命令指定。

EMUNIT也确定MUZERO的值。

EMUNIT默认采用MKS单位，而MUZERO=4πx10-7亨/米。

除MUZERO外，通过材料特性表中的MURX和MURY来定义正交各向异性的相对导磁率。

MGXX和MGYY表示永磁材料矫顽力的矢量分量。

矫顽力的大小为其各个分量的平方和的平方根。

极化方向由分量MGXX和MGYY确定。

永久磁极的方向和正交各向异性材料的方向与单元坐标系一致。

单元坐标系的定位见坐标系。

非线性磁特性B-H、压电特性和各向异性弹性特性用TB命令输入，详见"数据表–隐式分析"。

非线性正交各向异性磁特性可以通过B-H曲线和线性相关导磁率的结合来确定。

在各单元坐标方向上使用B-H曲线时，将相应导磁率设置为零。

一种材料只能设置一条B-H曲线。

本单元可以组合使用不同的节点载荷（取决于KEYOPT

（1）的值）。

节点载荷用D和F命令定义。

如果有节点载荷，对平面问题应该输入每单位厚度的值，对轴对称分析应该输入整个360°圆周的值。

单元载荷在"节点和单元载荷"中说明。

压力、对流热或热流密度（二者不能同时使用）、辐射以及麦克斯韦面标记[1]可以作为单元边界面上的载荷用SF和SFE命令输入，如图13.1"PLANE13单元几何"中带圆圈数字所示。

正压力指向单元内部。

需要计算磁力的表面，可以在该面上使用无数值参数的面载荷命令MXWF作为标记。

在这些面上会计算一个麦克斯韦应力张量以得到磁力。

在求解时，这些力作为载荷施加到结构上。

该表面标记应该施加到与需要计算力的体相邻的"空气"单元上。

删除指定的MXWF也就取消了该标记。

体载荷-温度、生热率以及磁虚位移[2]可以输入其在单元节点处的值或单一的单元值[BF和BFE]。

源流密度载荷可以施加到面（area）上[BFA]，也可以施加到单元上[BFE]。

当存在温度自由度时（KEYOPT

（1）=2或4），忽略以体载荷方式[BF和BFE]施加的温度。

一般情况下，未给定的节点温度和生热率默认为由BFUNIF或TUNIF指定的均匀温度或生热率。

在静态和瞬态分析时，来自焦尔热的生热率作为求解时的热载荷。

如果存在温度自由度，计算得到的温度将替换任何输入的节点温度。

对于需要计算局部Jacobian力[2]的空气单元，可以将[BF]命令中MVDI标识符的节点值取为1和0以作为识别。

细节可见"ANSYS电磁场分析指南"。

求解时这些力不施加到结构上。

译注：

[1]"麦克斯韦面标记MXWF"不是真正意义上的载荷，它只是给模型中需要计算力的部分加上标记。

一般给与模型表面相邻的空气单元加上该标记，计算出力后储存到相邻的空气单元中，再在后处理器中对它们求和以得到该部分的合力。

[2]"磁虚位移MVDI"不是真正意义上的载荷，它只是给模型中需要计算力的部分加上标记。

和麦克斯韦面标记的作用相同，只是使用了虚功方法。

磁标量势选项由SOURC36单元、RACE宏命令或电磁耦合来定义。

不同的磁标量势求解选项用MAGOPT命令定义。

单元输入汇总于"PLANE13输入汇总"。

对于本单元输入的一般说明见"单元输入"。

用于轴对称问题时，见轴对称单元。

PLANE13输入汇总

节点

I,J,K,L

自由度

若KEYOPT

（1）=0：

AZ

若KEYOPT

（1）=2：

TEMP

若KEYOPT

（1）=3：

UX,UY

若KEYOPT

（1）=4：

UX,UY,TEMP,AZ

若KEYOPT

（1）=6：

VOLT,AZ

若KEYOPT

（1）=7：

UX,UY,VOLT

实常数

无

材料特性

EX,EY,EZ,（PRXY,PRYZ,PRXZ或NUXY,NUYZ,NUXZ）,

ALPX,ALPY,ALPZ（或CTEX,CTEY,CTEZ或THSX,THSY,THSZ）,

DENS,GXY,DAMP,

KXX,KYY,C,ENTH,MUZERO,MURX,MURY,

RSVZ,MGXX,MGYY,PERX,PERY,

加上BH,ANEL,以及PIEZ数据表（见ANSYS帮助中的"数据表–隐式分析"）。

面载荷

压力、对流或热流密度（但二者不同时）、辐射（用标识符Lab=RDSF）以及麦克斯韦面标记：

面1（J-I）,面2（K-J）,面3（L-K）,面4（I-L）

体载荷

温度-

T（I）,T（J）,T（K）,T（L）

生热率-

HG（I）,HG（J）,HG（K）,HG（L）

磁虚位移-

VD（I）,VD（J）,VD（K）,VD（L）

源流密度-

备用,备用,JSZ（I）,PHASE（I）,备用,备用,

JSZ（J）,PHASE（J）,备用,备用,JSZ（K）,PHASE（K）,

备用,备用,JSZ（L）,PHASE（L）

求解能力

·场的耦合计算（位移、温度、电、磁，但不包括压电），要求迭代求解；

·大变形；

·大应变；

·应力刚度；

·生死单元；

·自适应下降。

关键选项

KEYOPT

（1）–单元自由度

0--AZ自由度

2--温度自由度

3--UX,UY自由度

4--UX,UY,TEMP,AZ自由度

6--VOLT,AZ自由度

7--UX,UY,VOLT自由度

KEYOPT

（2）–额外的形状函数

0--包括额外的形状函数

1--不包括额外的形状函数

KEYOPT（3）–单元性质

0-平面应变（有结构自由度）

1-轴对称

2-平面应力（有结构自由度）

KEYOPT（4）–单元坐标系定义

0-单元坐标系平行于总体坐标系；

1-单元坐标系以I-J边为基础。

KEYOPT（5）–额外的单元输出

0-基本单元输出；

1-对所有积分点重复基本解；

2-节点应力输出。

PLANE13输出数据

与单元有关的结果输出有两种形式：

•包括在整个节点解中的节点自由度。

•附加的单元输出，见表13.1"PLANE13单元输出定义"。

在图13.2"PLANE13应力输出"中显示了几个输出项。

单元输出的方向平行于单元坐标系。

在"结果输出"中给出了对于结果输出的一般说明。

查看的方法见"ANSYS基本分析指南"。

图13.2PLANE13单元输出

由于直角坐标系和极坐标系使用的符号约定不同，对平面（KEYOPT（3）=0）和轴对称（KEYOPT（3）=1）分析，磁流量密度矢量的方向相反。

单元输出定义表使用如下标记:

在名称列中的冒号（：

）表示该项可以用分量名方法[ETABLE,ESOL]处理；O列表示该项可用于Jobname.OUT文件；R列表示该项可用于结果文件。

无论O列或R列，Y表示该项总是可用的，一个数字表示表的一个注解,其中说明了使用该项的条件；而减号"-"表示该项不可用。

表13.1PLANE13单元输出定义

名称

定义

O

R

EL

单元号

Y

Y

NODES

节点-I,J,K,L

Y

Y

MAT

材料号

Y

Y

VOLU：

体积

Y

Y

XC,YC

结果输出点位置

Y

3

PRES

P1在节点J,I;P2在K,J;P3在L,K;P4在I,L

Y

Y

TEMP

输入温度T（I）,T（J）,T（K）,T（L）

Y

Y

HGEN

输入的生热率HG（I）,HG（J）,HG（K）,HG（L）

Y

-

S:

X,Y,Z,XY

应力分量（对平面应力问题SZ=0.0）

1

1

S:

1,2,3

主应力

1

1

S:

INT

应力强度

1

1

S:

EQV

当量应力

1

1

EPEL:

X,Y,Z,XY

弹性应变

1

1

EPEL:

1,2,3

弹性主应变

1

-

EPEL:

EQV

当量弹性应变[4]

-

1

EPTH:

X,Y,Z,XY

平均热应变

1

1

EPTH:

EQV

当量热应变[4]

-

1

TG:

X,Y,SUM

热梯度分量和矢量和

1

1

TF:

X,Y,SUM

热流率密度（热流率/截面积）分量和矢量和

1

1

EF:

X,Y

电场分量（X,Y）

1

1

EF:

SUM

EF矢量的大小

1

1

D:

X,Y

电流密度分量（X,Y）

1

1

D:

SUM

D矢量的大小

1

1

UE,UD,UM

电（UE）,电介质（UD）和机电耦合（UM）能量

1

1

LOC

输出位置（X,Y）

1

-

MUX,MUY

导磁率

1

1

H:

X,Y

磁场强度分量

1

1

H:

SUM

H矢量的大小

1

1

B:

X,Y

磁流密度分量

1

1

B:

SUM

B矢量的大小

1

1

JSZ

源流密度,仅对静态分析有效

1

1

JTZ

总的电流密度

1

1

JHEAT:

单位体积产生的焦耳热

1

1

FJB（X,Y）

Lorentz力分量

1

1

FMX（X,Y）

Maxwell力分量

1

1

FVW（X,Y）

虚功力分量

1

1

FMAG:

X,Y

组合（FJB和FMX）力分量

-

1

FACE

侧面标记

2

2

AREA

侧面面积

2

2

NODES

侧面节点号

2

-

HFILM

侧面各节点处的膜系数

2

-

TBULK

侧面各节点处的介质温度

2

-

TAVG

侧面的平均温度

2

2

HEATRATE

由对流换热引起的边界的热流率

2

2

HEATRATE/AREA

由对流换热引起的边界每单位面积的热流率

2

-

HFLUX

侧面各节点处的热流密度

2

-

HFAVG

侧面的平均膜系数

2

2

TBAVG

侧面的平均介质温度

-

2

HFLXAVG

由输入热流引起的边界每单位面积的热流率

-

2

TJB（Z）

绕总体直角坐标系+Z轴的Lorentz扭矩

1

1

TMX（Z）

绕总体直角坐标系+Z轴的Maxwell扭矩

1

1

TVW（Z）

绕总体直角坐标系+Z轴的虚功扭矩

1

1

注解：

1只输出计算得到的结果（以输入数据为基础）。

附注：

JT代表导体中可测量的总电流密度，包括涡流效应和速度影响（如果进行过计算）。

对于轴对称问题（KEYOPT（4）=0），X和Y方向分别对应径向和轴向。

X,Y,Z和XY应力输出分别对应径向、轴向、环向和面内剪切应力。

对于谐波分析，焦耳热损失（JHEAT）、力（FJB（X,Y）,FMX（X,Y）,FVW（X,Y））以及扭矩（TJB（Z）,TMX（Z）,TVW（Z））为时间平均值。

这些结果储存在"实部"数据组中。

可以用宏POWERH,FMAGSUM和TORQSUM来得到这些数据。

2只有输入面载荷时可用；

3只有在单元中心，作为*GET项时可用；

4当量应变使用有效泊松比：

对于弹性和热分析，由用户输入（MP,PRXY）。

表13.2PLANE13其它单元输出

说明

输出项名称

O

R

积分点结果

SINT,SEQV,EPEL,S,MUX,MUY,H,HSUM,B,BSUM

1

-

节点结果

SINT,SEQV,S,H,HSUM,B,BSUM

2

-

注解：

1如果KEYOPT（5）=1在各积分点输出；

2如果KEYOPT（5）=2在各节点输出；

表13.3"PLANE13输出项和序列号"列出了可以通过ETABLE命令,采用序列号方法输出的内容列表。

更多信息见"ANSYS基本分析指南"中一般后处理（POST1）部分和本手册中"输出项和序列号表"部分。

在表13.3"PLANE13输出项和序列号"中使用如下标识符：

Name

与表13.1:

"PLANE13单元输出定义"中相同定义的输出量；

Item

用于ETABLE命令的预先定义的输出项；

E

对于单值或常数型单元数据的序列号；

I,J,K,L

节点I,J,K,L处数据的序列号；

FCN

单元第N条边输出项的序列号。

表13.3PLANE13输出项和序列号

输出量名称

ETABLE和ESOL 命令输入

Item

E

I

J

K

L

JSZ

SMISC

1

-

-

-

-

P1

SMISC

-

4

3

-

-

P2

SMISC

-

-

6

5

-

P3

SMISC

-

-

-

8

7

P4

SMISC

-

9

-

-

10

MUX

NMISC

1

-

-

-

-

MUY

NMISC

2

-

-

-

-

FVWX

NMISC

3

-

-

-

-

FVWY

NMISC

4

-

-

-

-

FVWSUM

NMISC

5

-

-

-

-

JTZ

NMISC

7

-

-

-

-

UE

NMISC

8

-

-

-

-

UD

NMISC

9

-

-

-

-

UM

NMISC

10

-

-

-

-

TJB（Z）

NMISC

35

-

-

-

-

TMX（Z）

NMISC

36

-

-

-

-

TVW（Z）

NMISC

37

-

-

-

-

输出量名称

ETABLE和ESOL命令输入

Item

FC1

FC2

FC3

FC4

AREA

NMISC

11

17

23

29

HFAVG

NMISC

12

18

24

30

TAVG

NMISC

13

19

25

31

TBAVG

NMISC

14

20

26

32

HEATRATE

NMISC

15

21

27

33

HFLXAVG

NMISC

16

22

28

34

PLANE13假设和限制

·单元的面积必须是正的；

·对于轴对称问题，本单元必须位于总体坐标的X-Y平面中，总体Y轴必须是对称轴，如图13.1"PLANE13单元几何"所示。

·轴对称结构必须在+X象限中建模；

·对于三角形单元，结构和压电问题中的额外的位移和VOLT形函数被自动删除，从而变为常应变单元；

·在非线性瞬态动力分析中应该执行瞬态磁分析；

·在有外加电流载荷并允许形成涡流的导电域中可以进行集肤效应分析，为此需要：

设置KEYOPT

（1）=6、给定电阻系数、和对每一个这种区域中的单元耦合所有的VOLT自由度。

这一点对于平面和轴对称模型都有效。

·电流密度载荷（BFE,,JS）仅对AZ选项有效；对于VOLT,AZ选项（KEYOPT

（1）=6），使用F,,AMPS；

·当本单元没有VOLT自由度时（KEYOPT

（1）≤4），对于谐波或瞬态分析，单元的行为取决于所施加的载荷；对于BFE,,JS载荷，单元好像导线束；没有BFE,,JS载荷，单元好像一个考虑涡流效应的实导体；

附注：

在这方面，PLANE13（及PLANE53）不同于3维单元SOLID97和SOLID117。

当SOLID97和SOLID117没有VOLT自由度时，它们表现得像导线束。

·谐波分析时不允许永磁体；

·如果模型中至少有一个单元的压电自由度（位移和VOLT）被激活，则所有需要VOLT自由度的单元必须是压电型单元，必须激活压电自由度。

如果对这些单元不想要压电效应，可以简单地为它们定义非常小的压电材料性能。

注意：

对于轴对称选项，自由度是VOLT*半径，详见ANSYS公司理论手册。

·本单元可能与其它有VOLT自由度的单元不兼容；要兼容，各单元必须有相同的反力（见ANSYS电磁场分析指南中的单元兼容性）。

PLANE13产品限制

对于以下产品，将在上述一般假设和限制的基础上再增加一定的限制：

ANSYSMechanical.

除了Emag选项可用的情况外，另有下列限制：

·本单元只有结构、热或压电能力，没有磁能力；

·AZ自由度不激活；

·KEYOPT

（1）默认为4（UX,UY,TEMP）而不是0，且不能设置为0。

如果设置为4或6，AZ自由度不激活；

·磁和电材料形能（MUZERO,MUR_,MG__,及BH数据表）不允许；

·Maxwell力标记面载荷不能用；

ANSYSEmag.

·本单元只有磁场和电场能力，没有结构、热或压电能力；

·只激活AZ和VOLT自由度；

·只允许磁和电材料形能（MUZERO,MUR_,MG__,及BH数据表）；

·只能用Maxwell力标记面载荷；生热率体载荷不能用；温度体载荷只能用于材料性能计算；

·本单元部允许任何特定求解功能；

·KEYOPT

（1）只能设置为0（默认）或6；KEYOPT（3）=2不能用。