ANSYS电磁场分析指南第五章3D静态磁场分析标量法共32页.docx
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ANSYS电磁场分析指南第五章3D静态磁场分析标量法共32页
第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）
家庭是幼儿语言活动的重要环境，为了与家长配合做好幼儿阅读训练工作，孩子一入园就召开家长会，给家长提出早期抓好幼儿阅读的要求。
我把幼儿在园里的阅读活动及阅读情况及时传递给家长，要求孩子回家向家长朗诵儿歌，表演故事。
我和家长共同配合，一道训练，幼儿的阅读能力提高很快。
5.1在3-D静态磁场分析（标量法）中要用到的单元
课本、报刊杂志中的成语、名言警句等俯首皆是,但学生写作文运用到文章中的甚少,即使运用也很难做到恰如其分。
为什么?
还是没有彻底“记死”的缘故。
要解决这个问题,方法很简单,每天花3-5分钟左右的时间记一条成语、一则名言警句即可。
可以写在后黑板的“积累专栏”上每日一换,可以在每天课前的3分钟让学生轮流讲解,也可让学生个人搜集,每天往笔记本上抄写,教师定期检查等等。
这样,一年就可记300多条成语、300多则名言警句,日积月累,终究会成为一笔不小的财富。
这些成语典故“贮藏”在学生脑中,自然会出口成章,写作时便会随心所欲地“提取”出来,使文章增色添辉。
表1三维实体单元：
要练说，先练胆。
说话胆小是幼儿语言发展的障碍。
不少幼儿当众说话时显得胆怯：
有的结巴重复，面红耳赤；有的声音极低，自讲自听；有的低头不语，扯衣服，扭身子。
总之，说话时外部表现不自然。
我抓住练胆这个关键，面向全体，偏向差生。
一是和幼儿建立和谐的语言交流关系。
每当和幼儿讲话时，我总是笑脸相迎，声音亲切，动作亲昵，消除幼儿畏惧心理，让他能主动的、无拘无束地和我交谈。
二是注重培养幼儿敢于当众说话的习惯。
或在课堂教学中，改变过去老师讲学生听的传统的教学模式，取消了先举手后发言的约束，多采取自由讨论和谈话的形式，给每个幼儿较多的当众说话的机会，培养幼儿爱说话敢说话的兴趣，对一些说话有困难的幼儿，我总是认真地耐心地听，热情地帮助和鼓励他把话说完、说好，增强其说话的勇气和把话说好的信心。
三是要提明确的说话要求，在说话训练中不断提高，我要求每个幼儿在说话时要仪态大方，口齿清楚，声音响亮，学会用眼神。
对说得好的幼儿，即使是某一方面，我都抓住教育，提出表扬，并要其他幼儿模仿。
长期坚持，不断训练，幼儿说话胆量也在不断提高。
单元
维数
形状或特性
自由度
SOLID5
3-D
六面体，8个节点
每节点6个：
位移、电势、磁标量位或温度
SOLID96
3-D
六面体，8个节点
磁标量位
SOLID98
3-D
四面体，10个节点
位移、电势、磁标量位、温度
表2三维界面单元
单元
维数
形状或特性
自由度
INTER115
3-D
四边形，4个节点
磁标量位，磁矢量位
表3三维连接单元
单元
维数
形状或特性
自由度
SOURC36
3D杆状（Bar）、弧状（Arc）、线圈（Coil）基元
3个节点
无
表4三维远场单元
单元
维数
形状或特性
自由度
INFIN47
3-D
四边形，4个节点；
或三边形，3个节点
磁标量位、温度
INFIN111
3-D
六面体，8个或20个节点
磁矢量位、磁标量位、电势、温度
SOLID96和SOLID97是磁场分析专用单元，SOLID62、SOLID5和SOLID98更适合于耦合场求解。
5.2磁标量位（MSP）法介绍
在磁标量位方法中，可使用三种不同的分析方法：
简化标势法（RSP）、差分标势法（DSP）和通用标势（GSP）法。
·若模型中不包含铁区，或有铁区但无电流源时，用RSP法。
若模型中既有铁区又有电流源时，就不能用这种方法。
·若不适用RSP法，就选择DSP法或GSP法。
DSP法适用于单连通铁区，GSP法适用于多连通铁区。
5.2.1单连通区与多连通区
单连通铁区是指不能为电流源所产生的磁通量提供闭合回路的铁区，而多连通铁区则可以构成闭合回路。
参见图1（a）、（b）“连通域”。
数学上，通过安培定律来判断单连通区或是多连通区，即磁场强度沿闭合回路的积分等于包围的电流（或是电动势降MMF）。
因为铁的磁导率非常大，所以在单连通区域中的MMF降接近于零，几乎全部的MMF降都发生在空气隙中。
但在多连通区域中，无论铁的磁导率如何，所有的MMF降都发生在铁芯中。
5.33-D静态磁标势分析的步骤
该分析类型与2－D静态分析的步骤基本一样：
1.建立物理环境
2.建模、给模型区域赋属性和分网格
3.加边界条件和载荷（激励）
4.用RSP、DSP或GSP方法求解
5.观察结果
5.3.1创建物理环境
首先设置分析参数为“Magnetic-Nodal”，并给出分析题目。
然后用ANSYS前处理器定义物理环境包含的项目。
即单元类型、KEYOPT选项、材料特性等。
3D分析的大部分过程与2D分析一致，本章下面部分介绍3D分析中要特殊注意的事项。
·SOLID96单元可为模型所有的内部区域建模，包括：
饱和区、永磁区和空气区（自由空间）。
对于电流传导区，需用SOURC36单元来表示，关于电流传导区建模，后面有详细讲述。
·对于空气单元的外层区域，推荐使用INFIN47单元（4节点边界单元）或INFIN111单元（8节点或20节点边界单元）。
INFIN47单元和INFIN111单元可很好地描述磁场的远场衰减，通常比使用磁力线垂直或磁力线平行条件得到的结果更准确。
二种单元中，INFIN111更精确一些。
·缺省单位制使用MKS单位制（米-千克-秒国际单位制），可用下列方式改变成其他单位制。
一旦选定，所有输入数据都应该使用该单位制。
为了方便建模，可以先在其他单位制系统下面建模（如毫米或英寸），然后进行缩放。
用下列方式定义单位制：
命令：
EMUNIT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>ElectromagUnits
·根据用户设定的单位制，自由空间的相对导磁率将自动设定：
在MKS单位制中，
，或者根据用命令EMUNIT来设定一个值。
5.3.2设置GUI菜单过滤
如果你是通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情是选择菜单路径：
MainMenu>Preferences，在对话框出现后，选择Magnetic-Nodal。
因为ANSYS会根据你选择的参数来对单元进行过滤，选择Magnetic-Nodal以确保能够使用用于3D静态磁场分析的单元。
5.3.3定义材料属性
分析模型可有一种或多种材料区域：
空气、导磁材料、导电区和永磁体。
每种类型的材料区具有所要求的材料性质。
ANSYS材料库自身带有几种磁性材料，可以直接把这些材料性质读入数据库，不用再手动的逐点输入。
如有必要，可对它们进行修改，以便与所分析的课题相匹配。
在ANSYS材料库中定义的磁性材料如下：
材料
材料性质文件
Copper（铜）
emagCopper.SI_MPL
M3steel（钢）
emagM3.SI_MPL
M54steel（钢）
emagM54.SI_MPL
SA1010steel（钢）
emagSa1010.SI_MPL
Carpentersteel（硅钢）
emagSilicon.SI_MPL
IronCobaltVanadiumsteel（铁－钴－钒－钢）
emagVanad.SI_MPL
该表中铜的材料性质定义有与温度有关的电阻率和相对导磁率，所有其他材料的性质均定义为B－H曲线。
对于列表中的材料，在ANSYS材料库内定义的都是典型性质，而且已外推到整个高饱和区。
你所需的实际材料值可能与ANSYS材料库提供值有所不同，因此，必要时可修正所用ANSYS材料库文件以满足用户所需。
5.3.3.1访问材料库文件：
下面介绍读写材料库文件的基本过程。
详细参见《ANSYS入门指南》和《ANSYS基本过程手册》。
读材料库文件，进行以下操作：
1.如果你还没有定义好单位制，用/UNITS命令定义。
注意：
缺省单位制为MKS,GUI列表只列出当前被激活单位制的材料库文件。
2.定义材料库文件所在的路径。
（你需要知道系统管理员放置材料库文件的路径）
命令：
/MPLIB,read,pathdata
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>LibraryPath
3.将材料库文件读入到数据库中。
命令：
MPREAD,filename,,,LIB
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ImportLibrary
MainMenu>Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Other>ChangeMat
Props>MaterialLibrary>ImportLibrary
写材料库文件，进行以下操作：
1.用MP命令或菜单MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Isotropic编辑材料性质定义，然后将改后的材料特性写回到材料库文件当中去。
2.在前处理器中执行下列命令：
命令：
MPWRITE,filename,,,LIB,MAT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ExportLibrary
5.3.4定义材料属性和实常数的一般原则
下面讲述关于设置物理模型区域的一般原则。
在“2-D谐波（AC）分析”一章中详细描述了2-D模型中需要设定的一些特殊区域。
5.3.4.1空气：
说明相对磁导率为1.0。
命令：
MP,murx
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Material Models>Electromagnetics>RelativePermeability>Constant
5.3.4.2自由空间导磁材料区：
说明B-H曲线，可以从库中读出，也可以输入自己定义的B-H曲线：
命令：
MPREAD,filename,…
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ImportLibrary
命令：
TB,TBPT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>BHCurve
如果该材料是线性的，那么只需说明相对磁导率（对于均匀或者各向异性介质）。
如果定义B-H曲线，应满足下列准则，以保证准确地模拟材料属性：
*输入B-H曲线必须要遵守的规则：
1.B与H要一一对应，且应B随H是单调递增，如第2章中图1所示。
B-H曲线缺省通过原点，即0.0点不输入。
用下面的命令验证B-H曲线：
命令：
TBPLOT
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>BHCurve
2.ANSYS计算的µ-H曲线应该是光滑连续的，可用TBPLOT命令画出µ-H曲线来进行验证（参见图2（b））。
B-H曲线应覆盖材料的全部工作范围。
如果需要超出B-H曲线的点，程序按固定斜率进行外推处理，固定斜率应等于或者略大于µr，你可以按照如下方式改变X-轴的范围，并用TBPLOT命令画图来观察其外推情况。
命令：
/XRANGE
GUI:
UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Graphs
对于永磁体和非线性各向异性材料，材料特性的输入与2D情况一样。
5.3.5建立模型
《ANSYS建模和分网指南》对3-D标标量位方法进行磁场分析的建模有详细描述，但是对于电流源的处理有一些特殊考虑。
5.3.5.1建立电流传导区
可以用基元模拟电流传导区域，不需要材料性质。
在3D标量位方法分析中，电流源不是有限元模型的一个组成的部分（在2D矢量位方法分析中是一个组成部分）。
只需用一个有限元哑元单元，SOURC36，来指明电流源的形状和位置。
可以在模型中的任意位置定义线圈、杆状、弧状电流源，电流源的大小和其他电流源数
据可以通过哑元单元的实常数定义给出。
图3为用SOURC36原始元表示的一个电流源。
注意：
即使采用半对称或四分之一对称模型，也要为整个电流源建模。
线圈和弧单元的内半径不能设置成为0。
因为SOURC36单元并不是一个真正的有限元，只能通过直接生成来定义它们，而不能通过实体建模的方式。
命令：
N
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Create>Nodes>InActiveCS
MainMenu>Preprocessor>Create>Nodes>OnWorkingPlane
命令：
E
GUI:
Mainmenu>Preprocessor>Create>Elements>ThruNodes
命令：
EGEN
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Copy>AutoNumbered
直接生成的电流源单元在屏幕上是不显示的，可通过以下命令显示：
命令：
/ESHAPE,EPLOT
GUI:
UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape
UtilityMenu>Plot>Elements
下面是一个定义电流源的命令流实例：
/PREP7
ET,2,36!
Currentsourceelement
EMUNIT,MKS!
MKSunits
!
Defineconvenientparameters:
I=0.025!
Current（amps）
N=300!
Turns
S=0.04!
Solenoidlength
R=0.01!
Solenoidradius
THK=0.002!
Solenoidthickness
R=2,1,N*1,THK,S!
Realconstantset2:
coiltype,current
!
thickness,length,
CSYS,1!
Globalcylindricalsystem
N,1001,R!
Nodesforthesourceelement
N,1002,R,90
N,1003
TYPE,2!
Attributes
REAL,2
E,1001,1002,1003!
Elementdefinition
/ESHAPE,1
/VIEW,1,2,1,.5
/VUP,1,Z
/TRIAD,LBOT
/TYPE,1,HIDP
EPLOT
关于下列命令的详细描述，参见《ANSYS命令手册》：
ET,EMUNIT,R,CSYS,N,TYPE,REAL,E,/ESHAPE,/VIEW,/VUP,/TRIAD,和/TYPE
5.3.6创建3D“跑道型”线圈
命令：
RACE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>RacetrackCoil
MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation>RacetrackCoil
用RACE宏在当前工作平面坐标系定义跑道型线圈电流源。
ANSYS程序用SOURC36单元（被指定为另一种单元类型号）生成由棒状、弧状基元构成的电流源。
电流方向为工作平面内的逆时针方向。
关于RACE宏和跑道型线圈的详细描述，参见第11章。
删除独立的SOURC36单元，用EDELE命令（GUI:
MainMenu>Delete>Elements）。
在删除前，列出所有单元，并选择要删除的单元。
用下列方式列出所有的单元：
命令：
ELIST
GUI:
UtilityMenu>List>Elements>Attribute+RealConst
GUI:
UtilityMenu>List>Elements>AttributeOnly
GUI:
UtilityMenu>List>Elements>Nodes+Attributes
GUI:
UtilityMenu>List>Elements>Nodes+Attr+RealConst
5.3.7施加边界条件和载荷
5.3.7.13D标量位静态磁场分析加载
如果希望分析过程中能进行每步手动控制，那么除了施加边界条件和载荷以外，还需要定义加载步选项。
详情参见16章。
标量位方法的加载方法与矢量位方法有很大的不同。
下列为通过菜单路径定义的边界条件和加载。
通过命令方式加载的详情参见16章。
通过层叠式菜单可以逐级访问所有加载选项。
选菜单路径MainMenu>Solution>-Magnetic-后，ANSYS程序列出一个边界条件分类表，三个加载分类表。
可用于3D标量位分析的边界条件和加载如下：
-Boundary-
-Excitation-
-Flag-
-Other-
-ScalarPoten-
（none）1
Comp.Force
-MagneticFlux-
OnKeypoints
-InfiniteSurf-
OnKeypoints
OnNodes
OnLines
OnNodes
OnAreas
OnAreas
-MaxwellSurf-
FluxParallel
OnNodes
OnLines
-FluxNormal-
OnAreas
OnAreas
OnNodes
OnNodes
-VirtualDisp-
OnKeypoints
OnNodes
1参见下面“激励”
例如，施加磁力线法向条件，选择GUI路径：
MainMenu>Solution>-Loads->Apply>-Magnetic->-Boundary->-Flux-Normal->OnAreas
在菜单中还可以看到其他可以施加的边界条件和加载，如果它们显示为灰色，则说明在3D静态磁场分析中不可用，或者该单元的KEYOPT选项没有进行相关设置。
（在其他ASNSYS磁场分析中这些灰色选项会成为有效选项，在ANSYS程序GUI过滤器进行相关设置。
）
5.3.8边界条件
5.3.8.1磁标量位
用磁标量位（MAG）来说明磁力线垂直、磁力线平行、远场为零、周期性边界条件和外加磁场激励。
对每种边界条件MAG的值列表如下：
边界条件
MAG值
磁力线垂直
说明MAG=0，用下列方式：
命令：
DSYM,symm
GUI:
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary >-ScalarPoten-FluxNormal-OnNodes.
磁力线平行
不用说明（自然满足）。
远场
用INFIN47单元或INFIN111单元。
远场零
MAG=0。
周期性
命令：
CP或CE
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>ConstraintEqn
MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs
外场
令MAG等于非零值。
5.3.9激励
通过前面提到的SOURCE36号单元定义电流激励，可用RACE定义。
5.3.10标记
5.3.10.1部件受力
ANSYS程序提供一个自动施加虚位移和Maxwell面标志的宏－FMAGBC，可以直接计算力和力矩。
将需要进行力和虚位移计算的物体上的单元定义成一个部件（参见CM命令的描述），再用该宏加力标志：
命令：
FMAGBC,Cname
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Magnetic-Flag>Comp.Force
5.3.10.2无限表面标志（INF）
不算真实意义的加载，是有限元方法计算开域问题时，加给无限元（代表物理模型最边缘的单元）的标志。
5.3.11其他加载
Maxwell面（MXWF）
磁虚位移（MVDI）
这两个载荷并不是真正意义上的载荷，与2-D静态磁场分析完全一致。
5.3.12求解
分别介绍三种标量方法的求解过程。
5.3.13用RSP法求解
5.3.13.1进入SOLUTION求解器
命令：
/SOLU
GUI:
MainMenu>Solution
5.3.13.2定义分析类型
命令：
ANTYPE,static,new
GUI:
MainMenu>Solution>NewAnalysis
如果是需要重启动一个分析（重启动一个未收敛的求解过程，或者施加了另外的激励），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3-D静态磁场分析。
5.3.13.3定义分析选项
你可选择下列任何一种求解器：
·Sparsesolver
·Frontalsolver（缺省值）
·JacobiConjugateGradient（JCG）solver
·JCGout-of-memorysolver
·IncompleteCholeskyConjugateGradient（ICCG）solver
·PreconditionedConjugateGradientsolver（PCG）
·PCGout-of-memorysolver
用下列方式选择求解器：
命令：
/EQSLV
GUI:
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
对于3D模型，推荐使用JCGsolver或PCGsolver。
5.3.13.4备份
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>ResumeJobname.db
5.3.13.5开始求解
命令：
MAGSOLV（设OPT域为2）
GUI:
MainMenu>Solution>-Solve-Electromagnet>-StaticAnalysis-Opt&Solv
关于手动执行求解，参见16章。
5.3.13.6完成求解
命令：
FINISH
GUI:
MainMenu>Finish
5.3.14用DSP法求解
只有当模型中有单连通铁区时才建议使用DSP方法。
DSP方法中的模型建立与结果观察均与RSP方法一样，只是加载和求解的方式不同。
DSP方法需二步求解：
·在第一个载荷步中，近似认为铁区中的磁导率无限大，只对空气求解；
·在第二个载荷步中，恢复原有的材料特性，得到最终解。
按照下列步骤进行求解：
1.进入SOLUTION求解器，如同RSP方法一样，定义分析类型，分
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