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论文ANSYS分析电磁流程问题及实例分析
ANSYS分析电磁流程问题及实例分析
专业:
通信工程姓名:
陈开指导教师:
程银琴
摘要本文根据ANSYS软件的特性,详细分析了电磁流程问题的处理过程,以及与理论和实际应用密切相联系,分析电磁流程中不易掌握的问题。
通过实例分析重点讨论了应用ANSYS软件对高频电磁场分析所涉及的有限元分析和电磁场等方面的基本理论,叙述分析电磁场进行参数设置的具体问题和要求,研究了ANSYS在高频电磁场问题中关于同轴波导的详细分析步骤及为了保证计算结果的准确性所必须注意的事项。
在实例中,主要分析对电场和磁场在频率或模型角度大小的参数为变量的情况,电场和磁场随着变量的变化过程,还有S参数的变化。
借助实例分析加深对ANSYS的认识和对电磁场特性的了解。
关键词ANSYS,高频电磁场,S参数,同轴传输线,场分布
ABSTRACT
ThepaperisbasedonthefeaturesofANSYSsoftware,Analyzedthedetailedproblemofelectromagneticflow,andcloselyrelatedtotheoreticcalandpracticalapplicationsandanalyzedsomedifficultissues.Thepaper’sexampleofHigh-frequencyelectromagneticfieldsaimsatfiniteelementanalysisandelectromagneticfield,it’saboutdescribedthespecificrequestandpracticalmeaningsofparametersetting.ThemainstudyaboutsolveandkeepthecorrectresultthatcoaxialcableofHigh-frequencyelectromagneticfieldsofANSYS.Inthecase,analyzedmainlyaboutaparameterischangedwithfrequencyandmodelsizeofelectricandmagneticfields,andaparametersofS.Withthehelpofcase,itcanmakedeepcomprehensionandgraspthefeaturesofElectromagneticfield.
KeyWords:
ANSYS,High-frequencyelectromagneticfield,S-Parameters
目录
0引言1
1 ANSYS在高频电磁场分析中用到的主要单元和电磁宏2
2高频电磁场谐波分析的步骤4
2.1建立物理环境4
2.1.1设置GUI菜单过滤,定义分析标题5
2.1.2定义单元类型和实常数6
2.1.3定义单元坐标系,说明分析计算使用的单位制及材料特性7
2.2建立模型、定义材料特性、划分网格、加边界条件和载荷(激励)8
2.2.1定义模型各部分的特性9
2.2.2划分网格9
2.2.3加载边界条件和载荷(激励)10
2.3求解高频谐波分析12
2.3.1定义分析类型14
2.3.2定义分析选项和设置分辨率14
2.3.3备份数据库和求解15
2.4结果查看16
3同轴导波实例分析16
3.1频率变化时的情况17
3.2角度变化的情况21
3.3尺寸变化的情况23
3.3.1纵向长度的变化23
3.3.2半径长度的变化25
3.4磁导率和介电常数的变化情况28
3.5两个典型的模型32
4结束语33
5参考文献34
0引言
ANSYS软件由ANSYS公司研发的大型通用有限元分析软件,具有单线性静态分析和复杂非线性动态分析多种分析能力[1],从70年代诞生到今天,经过不断吸取计算方法和计算机技术的最新进展,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已经能够成为紧跟计算机软硬件水平发展的最新型、用户界面友好、功能丰富、使用高效的有限元软件系统。
随着计算机技术的迅速提高和电磁场数值计算的长足发展,早期应用于电磁机构磁系统研究的二维有限元分析程序已经逐渐被三维磁场计算软件所代替,克服了用二维计算等效三维所带来的误差,且更加立体直观。
它能与多数CAD软件接口实现数据的共享和交换,如Pro/E、AutoCAD等,是现代产品设计中高级CAD工具之一。
ANSYS软件集合了结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型分析软件,其用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子和教学科研等众多领域。
ANSYS系列是一套可以自由选配集成的功能模块组成的产品,用户可根据需要集成特定的模块来满足需求,因其功能强大,操作简单方便,现已成为国际流行的有限元分析软件,该软件于90年代开始在我国的机械制造、航天航空、汽车交通、铁道、石油化工、能源等领域得到应用,为各领域中产品设计、科学研究作出了重要贡献,在电磁领域ANSYS的使用还明显弱于力学、结构等其它学科[2]。
电磁场在ANSYS中的运用方面主要是有关麦克斯韦电磁场理论基础的运用和延伸,它所涉及的内容是电类和电气信息类的知识结构的必要组成部分,同时又是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础[3],它对电磁场问题的分析主要包括:
电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等问题的求解。
以及螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析。
ANSYS可用来分析电磁领域多方面的问题,如磁通量密度、电场分布和分布、磁力线、和能量损耗等[4]。
可用来有效地分析诸如电力发电机、变压器、螺线管起动器、磁成像系统、传感器、回旋加速器、磁悬浮装置、波导、谐振腔、电解槽等各类设备的有关问题。
在实际应用中,有限元分析(FEA)法是电磁场仿真最成功的频域计算方法之一,它可以计算任意复杂的结构和任意复杂材料的问题,它处理复杂材料的能力在当前各种电磁仿真方法中尤为突出。
在信号波长小于模型的几何尺寸或与模型的几何尺寸差不多时,ANSYS的高频电磁场分析模块可以对此时的电磁现象进行仿真,高频电磁场分析的频率范围可以从数百兆赫兹到数百GHz[5],主要用于分析结构电磁场和电磁波的辐射和传导过程,包括两类问题:
谐性高频电磁场分析(time-harmonic)和模态高频电磁场分析(modalhigh-frequency),其求解的基本方程为赫姆霍兹(Helmholtz)方程,在ANSYS中,所有的公式都命令化,方便用户直接调用。
1 ANSYS在高频电磁场分析中用到的主要单元和电磁宏
ANSYS提供了3种高频单元用于高频电磁场问题的分析求解:
HF118、HF119、HF120,详见表1-1。
HF118仅用于模态分析的2D单元,可用于分析求解高频传输线的传播特性参数,包括求解多模式传播时的截止频率和传播常数。
HF119和HF120是3D单元,用于谐波和模态分析。
表1-1电磁场单元
单元
维数
形状和特征
自由度
HF118
2-D
四边形可退化为三角形,8节点
电场谐波形式(ANSYS中自由度为AX)
HF119
3-D
四面体10节点
电场谐波形式(ANSYS中自由度为AX)
HF120
3-D
六面体可退化为四面体,20节点
电场谐波形式(ANSYS中自由度为AX)
该电磁场单元不能用于其它的静电单元、静态磁单元、动态磁单元来进行高频分析,应为这些单元没有考虑高频情况下电磁耦合产生的位移电流效应。
电磁宏是ANSYS宏命令的主要功能是帮助用户方便的建立分析模型、求解以及获取想要观察的分析结果,表1-2列出了ANSYS提供的电磁宏命令和功能。
表1-2电磁宏功能
电磁宏
功能
CURR2D
计算二维导体内电流
EMAGERR
计算静电或电磁场中的相对误差
FLUXV
计算闭合通路的通量
FMAGBC
对一个单元组件加力边界条件
HFSWEEP
在一个频率范围内对高频电磁波导进行时谐响应分析,并进行相应的后处理计算
HMAGSOLV
定义2D谐波电磁求解选项并进行谐波求解
PMGTRAN
对瞬态分析的电磁结果求和
TORQSUM
对2D平面问题中单元部件上的Maxwell力矩和虚功力矩求和
SPARM
计算同轴导波或TE10模式矩形导波两个端口间的反射参数
2高频电磁场谐波分析的步骤
ANSYS提供了两种工作模式,即人机交互(GUI方式)和买命令流方式(BATCH方式)[6]。
无论那种方式,其都有一套固定的分析步骤:
(1)建立物理环境;
(2)建立模型、定义材料特性、划分网格、加载边界条件和载荷(激励);
(3)求解高频谐波分析;
(4)结果查看。
2.1建立物理环境
在定义一个分析问题的物理环境时,先进入ANSYS前处理器,建立这个物理物体的数学仿真模型,可按照以下步骤来建立物理模型:
(1)设置GUI菜单过滤,定义分析把标题;
(2)定义单元类型和实常数;
(3)定义单元坐标系,说明分析计算使用的单位制;
(4)说明材料特性。
2.1.1设置GUI菜单过滤,定义分析标题
要通过GUI路径来运行ANSYS,在ANSYS被激活后第一件要做的事就是选择菜单路径,GUI:
MainMenu>Preference>Electromag
netic:
HighFrequency,如图2-1所示的对话框,选择HighFrequency。
图2-1过滤对话框
这样ANSYS会根据所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤,在进行后面的操作时,高频分析所需要的相关菜单会被激活而其他无关的菜单选项不会激活。
在进行分析前,给所要进行的分析定义一个能够代表所分析内容的标题,如图2-2,实现如下:
命令:
/TITLE
GUI:
MainMenu>File>changeTitle
图2-2标题定义
2.1.2定义单元类型和实常数
对于HF119和HF120单元,可以用以下两种方式来定义单元类型和关键项选择。
命令:
ET,ITYPE,Ename,KEYOPT
(1),KEYOPT
(2),KEYOPT(3),KEYOPT(4),KEYOPT(5)
GUI:
MainMenu>Preference>ElementType>Add/edit/delete
KEYOPT
(1)选项用来定义单元多项式的阶数,KEYOPT
(1)=0或1是一阶单元,KEYOPT
(1)=2是二阶单元,在定义二阶单元时单元会自动内插值增加自由度,以提高求解的精确度。
一般不再一个模型中同时混合使用不同阶数的单元(一阶单元和二阶单元都有中间节点)。
KEYOPT(4)选项用来解决一些特殊高频问题的求解。
KEYOPT(4)=0是定义普通单元(默认值),KEYOPT(4)=1定义PML单元,KEYOPT(4)=2用来定义特殊的散射单元。
在使用等效磁场源(softsourcemagneticfield)作为激励源(BF,,H选项)时,接受反射波的区域中的单元上要定义此关键选项。
2.1.3定义单元坐标系,说明分析计算使用的单位制及材料特性
如果材料是分层的叠片材料或是永磁材料的极性是任意的,那么定义单元类型及选项后,还需要说明单元坐标系(默认为全局笛卡尔坐标系),这首先要定义一个局部坐标系(通过原点坐标及方向角来定义),方式如下:
命令:
LOCAL
GUI:
UtilityMenu>WorkPlane>LocalCoordinateSystems>
CreatelocalCS>AtSpecifiedLoc
局部坐标系可以是笛卡尔坐标系、柱坐标系(圆或椭圆)、球坐标系或环形坐标系。
一旦定义了一种或多种局部坐标系,就需要设置一个指针来确定即将要定义的单元的坐标系,设置指针的方式如下:
命令:
ESYS
GUI:
MainMenu>preprocessor>Meshing>MeshAttributes>DefaultAttribs
MainMenu>preprocessor>Modeling>Create>Elements>Elem
Attributes
ANSYS的高频电磁场分析中所使用的单位制是MKS(米-安培-秒)制,自由空间磁导率为4
×10-7H/m,自由空间介电常数为8.854×10-12F/M。
在高频分析中,要求输入三种材料特性:
相对磁导率对角张量(MURX、MXRY和MXRZ)、相对介电常数对角张量(PERX、PERY和PERZ)和电阻率对角张量(RSVX、RSVY和RSVZ)。
对于均匀介质,程序默认认为MXRY和MXRZ等于MURX,PERY和PERZ等于PERX,RSVY和RSVZ等于RSVX。
X,Y,Z指用ESYS命令定义的单元坐标系中的正交坐标系。
输入的磁导率和介电常数必须是与自由空间相比的相对值,磁导率是自由空间磁导率和相对磁导率的乘积,介电常数是自由空间介电常数和相对介电常数的乘积。
相对磁导率和相对介电常数的有效值大于或等于1。
对均匀有耗介质材料,可以通过说明介质材料电导率与损耗角正切LSST(tan
)的关系来进行定义[7]。
损耗角正切LSST(tan
)与介质材料导电率的关系可以表达为:
tan
=
0
r
式中,f为频率(Hz);
为电导率(s/m);
0为自由空间介电常数(F/m);
r为相对介电常数。
2.2建立模型、定义材料特性、划分网格、加边界条件和载荷(激励)
创建好物理环境,就可以建立模型,建立好的模型只代表了物体的几何特征,必须通过单元属性的分配来赋予其他意义。
在各个区域内指定特性(包括单元类型、选项、单元坐标系、实常数和材料性质等)以后,就可以进行网格划分、加边界条件和激励,利用ANSYS前处理器(PREP7)建立几何模型,定义材料特性和划分网格。
2.2.1定义模型各部分的特性
在进行网格划分以前,要对模型的各个部分定义单元类型和材料号。
用3-D的HF119和HF120划分的模型区域,可以用VATT命令单元来完成材料定义。
用不同的材料号区别不同的材料区域。
表2-1给出了处理材料区域的一般原则。
表2-1材料特性
材料
原则
空气
定义相对磁导率和介电常数为1
无耗介质
定义相对磁导率和介电常数,既可以是各向同性,也可以是各向异性(即预先定义的单元坐标系中的对角线张量)
已知电导率的有耗介质
定义相对磁导率、相对介电常数和电阻(1/电导率),既可以是各向同性,也可以是各向异性(即预先定义的单元坐标系中的对角线张量)
已知损耗角正切的有耗介质
定义相对磁导率、相对介电常数和损耗角正切。
若同时定义了电阻和损耗角上正切,则程序只使用损耗角正切
2.2.2划分网格
ANSYS提供的提供的两种方法:
自由网格和映射网格。
所谓自由网格,就是在没有特定的准则,对于单元的形状无限制,生成的单元不规则,使用于所有的模型。
映射网格则要求满足一定的规则,且映射面网格只包含有三角形或四边形单元,而映射体网格只包含六面体单元,生成的单元形状比较规则,因此适用于形状规则的体或面,如果要将四边形以上的多边形作映射划分,则可以将多边形的部分线连接起来以使边数降为三或四来满足映射划分的要求。
由于自由网格生成的内部节点的位置比较随意,用户无法控制,如要控制内部节点位置,就应该考虑使用映射网格,本文的实例就采用了映射网格。
网格划分的精度直接决定了有限元计算的好坏,一般来说,网格划分越细,计算结果就越精确,但其耗费的计算机资源也越多。
用ANSYS前处理器(PREP7)来划分实体模型,网格划分必须达到一定的精度,以使离散的有限网格模拟连续材料分布时带来的误差足够小。
通常,一个波长的长度最少需要10个单元来模拟。
为获得更准确的S参数计算结果,相对应的波导口要尽可能地在波的传播方向上按照相对应的1:
1的比例进行网格划分。
2.2.3加载边界条件和载荷(激励)
ANSYS程序可以对实体模型,也可以对有限元模型施加边界条件与载荷,前者的好处在于使得施加的边界条件和载荷独立于有限元模型,在进行网格细化后无需重新加载。
实体模型的载荷是施加在实体模型所对应的面对象或相关的关键点、线的载荷,加载的时候不依赖于有限元网格,这样就可以不改变载荷的情况下改变有限元网格划分,但划分网格命令产生的单元处在当前激活的坐标系中,而节点位于局部坐标系中因而和有限元模型有着不同的坐标系和载荷方向。
有限元实体模型载荷能直接施加到主节点或单元上,可以简单的选择所需的节点,并指定适当的约定,可是任何有限元网格的修改都将使以前施加的载荷无效,造成必须在新网格上重新施加载荷,也由于划分时生成数量较多的节点和单元,此时通过GUI的拾取操作来完成载荷加载,工作量较大。
根据实际情况,本文选择有限元实体模型施加边界条件和载荷。
(1)加载边界条件
表2-2给出了进行高频电磁场分析的有效边界条件和载荷,可以在实体模型或有限元模型上施加相应的边界条件。
表2-2高频电磁场分析常用边界条件
边界条件
实体模型
有限元模型
完全导电体(PEC)
线或面
节点
完全导磁体注(PMC)
不必要施加
不必要施加
阻抗边界条件(IBC)
面
节点
完全匹配层(PML)
不能施加
单元
等效源表面标志
不能施加
节点或单元
(2)施加激励
表2-3高频激励源给出了高频分析中用到的各种激励源。
可以在实体和有限元模型上施加这些激励条件。
注:
完全导磁体(PMC)边界条件作为自然边界条件会在有限元分析进行泛函分析时已经自然地得到满足。
表2-3高频激励源
激励条件
实体模型
有限元模型
波导模式
面
节点
体电流密度
体
节点或单元
面电流密度
面
节点或单元
线电流密度
线
节点
电流密度
关键点
节点
平面波
不必加
不必加
表面磁场
面
节点
电场
线或面
节点
2.3求解高频谐波分析
在建立有限元模型并完成边界条件和载荷施加后,下一步要做的就是用ANSYS对有限元模型进行求解,求解是ANSYS通过有限元方法建立方程并计算联立方程的结果,ANSYS中常见的方法有:
波前求解器、稀疏矩阵求解器、雅可比共轭梯度求解器等,这些算法的特点见表2-4。
表2-4ANSYS求解器以及对应算法
求解器
方法
适用问题
模型规范
内存要求
硬盘要求
FRONT:
波前求解器
直接消除法
要求稳定性高(如非线性求解)或内存受限制时
低于50000自由度
低
高
SPARSE稀疏矩阵求解器
直接消去法
要求稳定性高和求解速度快时;对于线性问题迭代法很慢时
10000到5e50个自由度
中
高
ICCG不完全乔列斯基共轭梯度求解器
迭代法
对单一物理场问题中求解速度要求高时;只适用于静力、完全法谐响应与瞬态求解
自由度50000-1000000以上
中
高
用户应结合计算机的配置及模型规格来合理选择求解方法以提高效率。
选择求解方法为:
MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol’nControls,弹出的求解设置对话框如图2-3所示。
图2-3求解设置
选择好求解器以后,输入ANSYS命令或进行GUI操作进行求解前的处理。
2.3.1定义分析类型
在ANSYS中使用下面两种方式定义分析类型:
命令:
ANTYPE,HARMIC
GUL:
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis>
Harmonic对于谐波分析不能使用重启动,如需要进行不同加载的分析,需要作另外一次分析。
2.3.2定义分析选项和设置分辨率
对于全波谐波分析,可以选用波前求解器(默认值)、稀疏矩阵直接求解器(SPARSE)或不完全乔列斯基共轭梯度求解器(ICCG)。
命令:
EQSLV
GUL:
MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions。
对于相对较小(小于等于50000个的自由度)的问题,推荐选用波前求解器。
对于相对较大的问题,稀疏矩阵求解器较好,也可以用ICCG求解器。
但如果ICCG不收敛,那么还得用波前求解器或稀疏矩阵求解器。
用下面方式设置频率(单位为Hz)
命令:
HARFRQ
GUL:
MainMenu>Preprocessor>Loads>LoadStepOpts>Time/
Frequency>FreqandSubstps。
如果通过设置HARFREQ的频率范围来进行频段扫描的话,那么每一个加载步的数据都会存储,只能手动地处理每个频率的结果。
2.3.3备份数据库和求解
为了避免在计算过程中出错而造成无法估计的错误,需要使用工具条中的SAVEDB按钮来实现数据库的备份,以方便快捷的恢复出所需要的模型数据,恢复模型时重新进入ANSYS并使用一下命令来恢复。
命令:
RESUME
GUI:
UtilityMenu>File>ResumeJobname.db
求解命令如下:
命令:
SOLVE
GUI:
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS。
在一个频段内进行分析求解时,可以调用HFSWEEP宏或直接用HARFRQ命令定义频率范围来完成。
HFSWEEP自动分析求解并自动执行其他ANSYS宏命令(如SPARM、IMPD、REFLCOEF等),这些宏自动计算S参数和其他系数。
如果用HARFRQ命令定义频段范围以进行频率扫描分析时,需要存储每个载荷步的数据并在后处理中手工处理每个结果以获取S参数和其他系数数据。
在采用HFSWEEP时对于同轴导波,可以选择计算多端口S参数或反射系数、电压驻波比、同波损耗和从激励端口到某一位置的输入阻抗。
对于矩形导波,可计算多达4个端口的S参数。
ANSYS程序计算出这些数据后,存储在数组参数HFDATA内。
程序可以用表格方式交互地显示结果和通过输出文件HFSWEEP.OUT输出,数据也同时存储在图形文件HFSWEEP.GPRH中。
执行HFSWEEP宏的命令为:
命令:
HFSWEEP
GUI:
MainMenu>Solution>Solve>Electromagnet>HFEmag>FreqSweep
在完成求解后退出求解器:
命令:
FINISH
GUI:
MainMenu>Finish
2.4结果查看
结果查看也叫后处理,ANSYS电磁场的结果数据存储在Jobname.RMG文件中,计算的结果包括:
主数据:
节点自由度AX
导出数据:
节点电场(HX,HY,HZ,ESUM)、节点磁场强度(HX,HY,HZ,HSUM)、单位体积生成的焦耳热(JHEAT)、单元坡印亭矢量(X,PY,PZ)。
3同轴导波实例分析
在进行射频、微波等高频电路设计时,更多地时候采用微波网络法来分析电路,对于微波网络而言,最重要的参数就是S参数,本例主要计算同轴波导匹配端口的S参数、电场和磁场的强度分布。
假设分析模型的内外导体均为良导体,电场就主要分布在内外的导体间,边界条件可看做内外导体上的电磁
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