ANSYS电磁场分析指南 第四章 2D瞬态磁场分析Word格式.docx

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关于2D瞬态磁场分析中如何设置GUI参考框、单元选项（KEYOPTs）、实常数、单位制与2D静态磁场分析相同，第2章已经作了详细描述。

当定义材料性质时，一般也采用与第2章中同样的方法。

4.4建立模型，划分网格，指定属性

《ANSYS建模与分网指南》详细介绍了建模过程。

建立了模型后，对每个模型区要指定属性，即指定在第一步中定义好的单元类型、单元选项、材料特性、实常数、单元坐标系等。

使用AATT或VATT命令或其等效路径来指定属性。

详见第2章静态磁场分析部分。

4.5施加边界条件和励磁载荷

在瞬态磁分析中，可将边界条件和载荷施加到实体模型上（关键点、线和面），也可以施加到有限元模型上（节点和单元）。

加载方式与第2章静态分析类似。

也可以用命令加载和施加边界条件，对2D瞬态分析还可以用加载步选项。

本手册第16章对这些载荷步选择有详细描述。

根据定义，瞬态分析中的边界条件和载荷是时间的函数，实际分析计算时，要将“载荷－时间”曲线分解成合适的载荷步，“载荷－时间”曲线的每个＂拐点＂就是一个载荷步。

在每一个载荷步中，不仅要定义载荷或边界条件的值，而且还要定义它们所对应的时间值和一些载荷步选项（如阶跃变化载荷或斜坡变化载荷、自动时间步长等），重复将这些载荷数据写到载荷步文件中，直到所有的载荷步结束。

2D瞬态磁场分析载荷步选项的详细描述请参见第16章。

4.5.1加边界条件

使用PERBC2D宏，可对2D分析自动定义周期性边界条件。

PERBC2D对两个周期对称面施加约束方程和定义节点耦合。

使用该宏命令的方式如下：

命令：

PERBC2D

GUI：

MainMenu>

　Preprocessor>

Loads>

-loads-Apply>

-Magnetic-Boundary>

-VectorPoten-PeriodicBCs

在第11章“磁宏”中对该宏的使用有详细描述。

4.5.2加激励（电压载荷）

此载荷给绞线圈加电压降，且只能用MKS单位制，只有对使用了AZ和CURR自由度的PLANE53单元（还需实常数）才能使用电压降载荷。

BFE

GUI:

MainMenu>

Preprocessor>

Loads>

-Loads-Apply>

-Magnetic-Excitation

-Voltagedrop-OnElements

电压降也可以用BFA命令加在实体模型的某些面上。

用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上电压降转换到有限元模型上。

因为CURR代表线圈中每匝的电流，其值是唯一的，所以加载前必须将线圈所有节点的CURR自由度耦合起来（否则将导致求解错误）。

　　命令：

CP

MainMenu>

Coupling/Ceqn>

CoupleDOFs

4.5.3加载电流

电流（AMPS）是一个节点电流载荷，它作为一个外加电流只能加到块状（实体）导体区域。

它代表流过导体的总电流（电流单位），且只对2D平面和轴对称模型以及3D模型有效。

在导体区，这种载荷要求2D单元PLANE13和PLANE53具有AZ和VOLT自由度。

要在集肤效应区域的横截面上加载一个均匀电流载荷，就必须对该截面耦合电压（VOLT）自由度：

Preprocesser>

Coupling/Ceqn>

CoupleDOFs

对2D平面和轴对称模型，在集肤区选择所有节点，并耦合它们VOLT自由度，再将电流加到截面上的某个节点上：

F，，AMPS

-Electric-Excitation>

-Impressed

Current-

Solution>

-ImpressedCurrent-

对于2D模型，另外一种加外电流的方法是加一个均匀电流密度（JS体载荷，用BFE命令或其等效菜单路径），其值为集肤区总电流除以横截面积。

也可用BFA命令将源电流密度加在实体模型的面上。

用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上源电流密度转换到有限元模型上。

4.5.4其他载荷

还可以加矢量势载荷、时间积分标量势载荷、电流节载荷、Maxwell表面载荷、源电流密度载荷和虚位移载荷等，详见第2章“2D静态磁场分析”。

4.6求解

4.6.1进入SOLUTION处理器

/SOLU

Solution

4.6.2定义分析类型

ANTYPE,transient,new

NewAnalysis

如果想重启动一个前面做过的分析（例如：

重启动一个未收敛分析或求解其它工况），可用命令ANTYPE，TRANSIENT，REST。

只有当已经完成了一个瞬态磁分析并且文件Jobname.EMAT、Jobname.ESAV和Jobname.DB都存在的情况下，才能做重启动分析。

4.6.3定义分析选项

　　首先选择求解方法：

TRNOPT

NewAnalysis>

Transient

瞬态磁场分析需要用“全波方法（full）”求解。

其次，选择求解器：

EQSLV

AnalysisOptions

可以选用下列求解器：

wSparsesolver

wFrontalsolver（缺省）

wJacobiConjugateGradient（JCG）solver

wJCGout-of-memorysolver

wIncompleteCholeskyConjugateGradient（ICCG）solver

wPreconditionedConjugateGradient（PCG）solver

wPCGout-of-memorysolver

电压激励模型或包含速度效应的模型由于产生了非对称矩阵，只能使用sparsesolver、frontalsolver、JCGsolver或ICCGsolver，电路激励模型只能使用sparsesolver或frontalsolver。

4.6.4载荷步选项

4.6.4.1时间选项

该选项说明载荷步结束时的时间。

TIME

-LoadStepOpts-Time/Frequenc>

Time-TimeStep

4.6.4.2子步数或时间步步长

积分时间步为时间积分历程中所用的时间增量，可直接通过DELTIM命令（或它的等效菜单路径）来定义，或者间接通过NSUBST命令（或它的等效菜单路径）来定义。

时间步步长决定了求解精度，时间步长越小，精度就越高。

当载荷出现较大的阶跃时，紧跟其后的第一个时间积分步长是尤为关键的。

通过减小时间步步长，可以减少求解大阶跃变化（如温度过热加载）时的误差。

注意：

时间步步长也不能过小，尤其是在建立初始化条件时。

太小的数值会使ANSYS在计算时产生数值误差。

比如，如果使用小于1E-10的时间步步长会产生数值误差。

如选择阶跃（Stepped）加载模式，程序在第一个子步上就加上全部载荷并一直保持常数，如选择斜坡（Ramped）加载模式，程序在每个子步上增加载荷值。

NSUBST,DELTIM

TimeandSubstpsMainMenu>

TimeandSubstps

4.6.4.3自动时间步长

也叫时间步优化，它使程序自动调整两个子步间的载荷增量，还可以在求解过程中根据材料响应情况增加或减小时间步长。

在大多数情况下，你需要打开这个选项，此外为了更好地控制时间步步长的变化幅度，还要输入积分时间步的上限和下限。

值得注意的是：

时间步优化对CURR自由度（载压导体）或EMF自由度（电路供电模型）无效。

AUTOTS

TimeandSubstps

4.6.5非线性选项

只有当模型中存在非线性时，才有必要定义非线性选项。

4.6.5.1Newton-Raphson选项

这些选项定义非线性求解过程中切向矩阵的更新频率，可用的选项有：

·

程序自动选择（缺省设置）

全方法（Full）

修正法（Modified）

初刚度法（Initial-stiffness）

在非线性分析中，推荐使用FullNewton-Raphson选项。

自适应下降选项可以加快瞬态问题的收敛。

下列方式定义Newton-Raphson选项：

NROPT

solution>

4.6.5.2平衡迭代数

该选项使得在每一个子步都能得到一个收敛解。

缺省值为25次迭代，但应该根据所处理问题的非线性度高低适当增加这个数值。

对线性瞬态分析，只需1次迭代。

NEQIT

Loads-LoadStepOptions-Nonlinear>

EquilibriumIter

Solution-LoadStepOptions-Nonlinear>

EquationIter

4.6.5.3收敛容差

只要运算满足定义的收敛准则，ANSYS程序就认为问题已收敛。

收敛检查可以基于磁矢量位（A），也可以基于磁流段（CSG），或者是两者的组合。

你需要定义一个典型值（VALUE）和收敛容差（TOLER），程序将VALUE*TOLER的值视为收敛判据。

例如，如定义磁流段的典型值为5000，容差为.001，则磁流收敛准则为5.0。

ANSYS公司推荐VALUE值由缺省确定（程序自动计算），容差TOLER的值为1.0e-3。

对于矢量位，ANSYS将两次平衡迭代数之间节点上矢量位（DA＝Ai－Ai-1）与收敛准则进行比较来判断是否收敛。

对于磁流段，ANSYS比较不平衡载荷矢量与收敛标准。

假如在规定平衡迭代数内，其解并不收敛，那么ANSYS程序会根据用户是否激活“终止不收敛解”的选项决定程序停止计算或是继续进行下一个载荷步。

CNVTOL

Nonlinear>

convergenceCrit

ConvergenceCrit

4.6.5.4终止不收敛解

当程序在指定的平衡迭代次数内无法收敛，则程序根据用户指定的终止判据终止求解，或进行第二个载荷步的求解。

4.6.6输出控制

4.6.6.1控制打印输出

该选项控制你将哪些数据输出到打印输出文件（Jobname.OUT）中去。

OUTPR

OutputCtrls>

SoluPrintout

4.6.6.2控制数据库和结果文件输出

该选项控制选择哪些数据输出到结果文件（Jobname.RMG）中去。

缺省值为程序将每个载荷步中的最后一个子步的数据写入到结果文件中去。

如果希望把所有加载步（即所有频率下的解）数据写入结果文件，需要定义一个单频、或ALL、或1。

OUTRES

DB/Resultsfile

DB/Resultsfile

4.6.7存储备份数据

　　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：

RESUME

UtilityMenu>

File>

ResumeJobname.db

4.6.8开始求解

LSSOLVE

FromLSFiles

4.6.9完成求解

FINISH

Finish

4.7后处理

ANSYS和ANSYS/Emag模块把瞬态磁场分析的结果写到结果文件Jobname.RMG中，结果中包含下列数据：

主数据：

　节点自由度（AZ,CURR,EMF,MAG,VOLT）

导出数据：

　节点磁通密度（BX,BY,BSUM）

　节点磁场强度（HX,HY,HSUM）

　节点磁力（FMAG:

分量X,Y,SUM）

　节点感生电流段（CSGZ）

　单位体积的焦耳热（JHEAT）

　等等

参看《ANSYS单元手册》可以提取更多的数据。

可以在通用后处理器POST1中，或者在时间历程后处理器POST26中看结果文件，在通用后处理器POST1中，可以看到整个模型在某一个时间点的结果。

在时间历程后处理器POST26中，可以看到模型中的某一个点在整个瞬态求解的时间范围内的结果。

用下列方式选择后处理器：

/POST1或/POST26

GeneralPostproc

TimeHistPostpro

详细操作参看第2章和第3章。

4.7.1在POST26处理器中观看结果数据

在时间历程后处理器POST26中观看结果数据，必须保证模型进行计算后的结果文件Jobname.RMG存在。

如果模型不在数据库中，用下列方式恢复，然后用SET命令或者其等效路径读入需要的数据集。

POST26中观察到的是与时间变量有关的，以表格方式输出的结果值。

这些结果值可以定义为变量。

每个变量需要指定一个变量号，1号变量用于专指时间（time）变量。

故，

1）首先应该定义变量：

NSOL

TimeHistPostpro>

DefineVariables

若定义导出数据变量：

ESOL

若定义感生数据变量：

RFORCE

2）定义好这些变量后，可显示它们的图形（关于时间或其他变量）：

PLVAR

Mainmenu>

GraphVariables

3）对变量进行列表：

PRVAR

ListVariables

4）只列出最大值：

EXTREM

ListExtremes

通过要观察模型中某个重要点的时间历程结果，可以发现其关键的时间点，并在POST1处理器中针对这个时间点观察整个模型结果。

5）计算某个部件上的电磁力、能量损耗、能量、电流等，则应该先建立部件（在前处理中用CM命令生成，或者用等效路径UtilityMenu>

Select>

Comp/Assembly>

CreateComp/Assembly）,然后执行下列操作：

PMGTRAN

Elec&

Mag>

Magnetics

POST26处理器提供多种后处理函数，比如可以对各个变量进行数学运算，或将这些变量放到数组参数中等等。

详细内容请参见《ANSYS基本过程指南》。

4.7.2在POST1处理器中观看结果数据

在通用后处理器POST1中观看结果数据，必须保证模型进行计算后的结果文件是激活的（Jobname.RMG,如果磁标量位或者电位自由度被激活，则放入Jobname.RST）。

如果不在，用RESUME命令恢复，然后用SET命令或者其等效路径读入需要的数据集。

将某指定时间点的结果读入到数据库中：

SET,time

List>

Results>

LoadStepSummary

如果指定的时间值所对应的数据结果不存在，则程序会自动进行线性插值得到。

如果指定的时间值超过瞬态分析加载的时间跨度，程序自动使用最后一个时间点。

也可以通过指定载荷步步数及子步步数而得到结果。

1）画等值线，如磁矢量位（AZ,VOLT），磁通密度（BX,BY）和磁场强度（HX,HY）：

PLESOL,PLNSOL

GeneralPostproc>

PlotResults>

ElementSolution

NodalSolu

2）矢量（arrow）显示，如A、B和H等矢量：

PLVECT

Predefined

UserDefined

3）线圈的电阻与电感：

程序可以计算载压或载流绞线圈的电阻及电感。

每个单元中都有线圈的电阻及电感值，求和即可得到导体区的总的电阻及电感。

对于导体区单元，使用ETABLE,tablename,NMISC,n（n为8表示电阻，n为9表示电感）命令或其等效路径来存储这些值，并对它们求和（用SSUM命令或其等效路径）。

对于载压线圈（ＰLANE53的KEYOPT

（1）=2）或电路耦合线圈（PLANE53的KEYOPT

（1）=3）所计算的电感值仅在下列情况有效：

线性问题（导磁系数为常数）；

模型没有永磁体；

模型只有一个线圈。

由多线圈组成的线圈系统采用LMATRIX宏来计算电感矩阵和每个线圈的总磁链。

LMATRIX宏的详情参见11章。

4）计算其他感兴趣项目：

从后处理数据中，可计算许多其他感兴趣项目（例磁力线、涡流、力矩和力）。

ANSYS提供宏命令来完成这些功能：

CURR2D宏：

在一个2D导体中计算流过的电流

EMAGERR宏：

在静电或电磁场分析中计算相对误差

FLUXV宏：

计算通过闭合回线的通量

FMAGSUM宏：

对单元组件上的电磁场力求和

FOR2D宏：

计算一个体上的磁力

MMF宏：

计算沿一条路径的磁动力

PLF2D宏：

生成等位线图

SENERGY宏：

计算存储的磁能或共能

TORQ2D宏：

在磁场中计算一个体上力矩

TORQC2D宏：

根据环形路径在磁场中计算一个体上力矩

TORQSUM宏：

对2D平面问题，在单元部件上对Maxwell和虚功力矩进行求和

这些宏的详细讨论见第11章。

4.8算例---2-D螺线管致动器内瞬态磁场的分析（GUI）

4.8.1问题描述

把螺线管致动器作为2-D轴对称模型进行分析。

计算衔铁部分（螺线管致动器的运动部分）的受力情况、线圈电感和电压激励下的线圈电流。

螺线管致动器如图2所示。

4.8.2参数说明：

参数

说明

n=650

线圈匝数，在后处理中用

ta=.75

磁路内支路厚度

tb=.75

磁路下支路厚度

tc=.50

磁路外支路厚度

td=.75

衔铁厚度

wc=1

线圈宽度

hc=2

线圈高度

gap=.25

间隙

space=.25

线圈周围空间

ws=wc+2*space

hs=hc+.75

w=ta+ws+tc

模型总宽度

hb=tb+hs

h=hb+gap+td

模型总高度

acoil=wc*hc

线圈面积

4.8.3处理方法和假设

此模型与第2章“2D静态磁场分析”中的模型完全一致。

只不过激励源是随时间变化的电压，不再是稳态直流电流。

在0.01秒时间内给线圈加电压（斜坡式）０伏到12伏，然后电压保持常数直到0.06秒。

线圈要求定义其他特性，包括横截面面积和填充系数。

本例使用了铜的阻抗，衔铁部分假设为钢，故也应该输入电阻。

本例题的目的在于研究在已知变化电压载荷下，线圈电流、衔铁受力和线圈电感随时间的响应情况（由于电枢中的涡流效应，线圈电感会有微小变化）。

求解时，使用恒定时间步长，分为3个载荷步，分别设置在0.01、0.03、0.06秒。

在时间历程后处理器中，对于已经定义好的部件可以用PMGTRAN命令或者其等效路径计算需要的结果，并可用DISPLAY程序显示从该命令生成的filemg_trns.plt文件中的结果。

步骤１：

开始分析

1.进入A