ANSYS电场分析教程经典入门教程Word文件下载.docx

ANSYS电场分析教程经典入门教程Word文件下载.docx

《ANSYS电场分析教程经典入门教程Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ANSYS电场分析教程经典入门教程Word文件下载.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

INFIN9

平面，无界，2节点

AZ磁矢势，温度

INFIN47

四边形4节点或三角形3节点

14.3h方法静电场分析的步骤

静电场分析过程由三个主要步骤组成：

1.建模

2.加载和求解

3.观察结果

14.3.1建模

定义工作名和标题：

命令：

/FILNAME，/TITLE

GUI：

UtilityMenu>

File>

ChangeJobname

ChangeTitle

如果是GUI方式，设置分析参考框：

MainMenu>

Preferences>

Electromagnetics：

Electric

设置为Electric，以确保电场分析所需的单元能显示出来。

之后就可以使用ANSYS前处理器来建立模型，其过程与其它分析类似，详见《ANSYS建模和分网指南》。

对于静电分析，必须定义材料的介电常数（PERX），它可能与温度有关，可能是各向同性，也可能是各向异性。

对于微机电系统（MEMS），最好能更方便地设置单位制，因为一些部件只有几微米大小。

详见下面MKS制到µ

MKSV制电参数换算系数和MKS制到µ

MSVfA制电参数换算系数表

表4．MKS制到µ

MKSV制电参数换算系数表

电参数

MKS制

量纲

乘数

µ

MKSV制

电压

V

（kg）（m）2/（A）（s）3

1

（kg）（µ

m）2/（pA）（s）3

电流

A

1012

pA

电荷

C

（A）（s）

pC

（pA）（s）

导电率

S/m

（A）2（s）3/（kg）（m）3

106

pS/µ

m

（pA）2（s）3/（kg）（µ

m）3

电阻率

Ωm

（kg）（m）3/（A）2（s）3

10-6

TΩµ

m）3/（pA）2（s）3

介电常数1

F/m

（A）2（s）4/（kg）（m）3

pF/µ

（pA）2（s）2/（kg）（µ

能量

J

（kg）（m）2/（s）2

pJ

m）2/（s）2

电容

F

（A）2（s）4/（kg）（m）2

pF

（pA）2（s）4/（kg）（µ

m）2

电场

V/m

（kg）（m）/（s）3（A）

V/µ

m）/（s）3（pA）

通量密度

C/（m）2

（A）（s）/（m）2

pC/（µ

（pA）（s）/（µ

自由空间介电常数等于8.0854E-6pF/µ

m

表5．MKS制到µ

MKS制

MSVfA制

（g）（µ

m）2/（fA）（s）3

1015

fA

fC

（fA）（s）

109

fS/µ

（fA）2（s）3/（g）（µ

（Kg）（m）3/（A）2（s）3

10-9

--

m）3/（fA）2（s）3

介电常数

fF/µ

（fA）2（s）2/（g）（µ

fJ

fF

（fA）2（s）4/（g）（µ

m）/（s）3（fA）

103

fC/（µ

（fA）（s）/（µ

GeneralPostproc>

PlotResults>

ElemTable

ElementTable>

PlotElemTable

PRETAB

ListResults>

ListElemTable

ElemTableData

绘制等值线图：

PLESOL，PLNSOL

ElementSolution

NodalSolu

绘制矢量图：

PLVECT

Predefined

UserDefined

以表格的方式显示数据：

PRESOL，PRNSOL，PRRSOL

NodalSolution

ReactionSolu

POST1执行许多其他后处理功能，包括按路径和载荷条件的组合绘制结果图。

更详细信息见ANSYS基本分析过程手册。

14.4多导体系统提取电容

静电场分析求解的一个主要参数就是电容。

在多导体系统中，包括求解自电容和互电容，以便在电路模拟中能定义等效集总电容。

CMATRIX宏命令能求得多导体系统自电容和互电容。

详见《ANSYS理论手册》5.10节。

14.4.1对地电容和集总电容

有限元仿真计算，可以提取带（对地）电压降导体由于电荷堆积形成的“对地”电容矩阵。

下面叙述一个三导体系统（一个导体为地）。

方程式中Q1和Q2为电极1和2上的电荷，U1和U2分别为电压降。

Q1=（Cg）11（U1）+（Cg）12（U2）

Q2=（Cg）12（U1）+（Cg）22（U2）

式中Cg称作为“对地电容”矩阵。

这些对地电容并不表示集总电容（常用于电路分析），因为它们不涉及到二个导体之间的电容。

使用CMATRIX宏命令能把对地电容矩阵变换成集总电容矩阵，以便用于电路仿真。

图2描述了三导体系统的等效集总电容。

下面二个方程描述了感应电荷与电压降之间形成的集总电容：

Q1=（C1）11（U1）+（C1）12（U1—U2）

Q2=（C1）12（U1—U2）+（C1）22（U2）

式中C1称为＂集总电容＂的电容矩阵。

分页

14.4.2步骤

CMATRIX宏命令将进行多元模拟，可求得对地电容矩阵和集总电容矩阵值。

为了便于CMATRIX宏命令使用，必须把导体节点组成节点部件，而且不要加任何载荷到模型上（电压、电荷、电荷密度等等）。

导体节点的部件名必须包括同样的前缀名，后缀为数字，数字按照１到系统中所含导体数目进行编号。

最高编号必须为地导体（零电压）。

应用CMATRIX宏命令步骤如下：

1.建模和分网格。

导体假定为完全导电体，故导电体区域内部不需要进行网格划分，只需对周围的电介质区和空气区进行网格划分，节点部件用导体表面的节点表示。

2.选择每个导体面上的节点，组成节点部件。

CM

GUI:

UtilityMenu>

Select>

Comp/Assembly>

CreateComponent

例如图2中，用前缀“Cond”为三导体系统中的节点部件命名，分别命名为为“Condl”、“Cond2”和“Cond3”，最后一个部件“Cond3”应该为表示地的节点集。

3.用下列方法之一，进入求解过程：

Solu

Solution

4.选择方程求解器（建议用JCG）：

EQSLV

Solution>

AnalysisOptions

5.执行CMATRIX宏：

CMATRIX

MainMenu>

Solution>

Electromagnet>

CapacMatrix

CMATRIX宏要求下列输入：

·

对称系数（SYMFAC）：

如果模型不对称，对称系数为1（缺省）。

如果你利用对称只建一部分模型，乘以对称系数得到正确电容值。

节点部件前缀名（Condname）。

定义导体节点部件名。

上例中，前缀名为“Cond”。

宏命令要求字符串前缀名用单引号。

因此，本例输入为’Cond’，在GUI菜单中，程序会自动处理单引号。

导体系统中总共的节点部件数（NUMCON），上例中，导体节点部件总数为“3”。

地基准选项（GRNDKEY）。

如果模型不包含开放边界，那么最高节点部件号表示“地”。

在这种情况下，不需特殊处理，直接将“地”作为基准设置为零（缺省状态值）。

如果模型中包含开放边界（使用远场单元或Trefttz区域），而模型中无限远处又不能作为导体，那么可以将“地”选项设置为零（缺省）。

在某些情况下，必须把远场看作导体“地”（例如，在空气中单个带电荷球体，为了保持电荷平衡，要求无限远处作为“地”）。

用INFIN111单元或Trefftz区域表示远场地时，把“地”选项设置为“1”

输入贮存电容值矩阵的文件名（Capname）。

宏命令贮存所计算的三维数组对地电容和集总电容矩阵值。

其中“i”和“j”列代表导体编号，“k”列表示对地（k=1）或集总（k=2）项。

缺省名为CMATRIX。

例如，CMATRIX（i,j,1）为对地项，CMATRIX（i,j,2）为集总项。

宏命令也建立包含矩阵的文本文件，其扩展名为.TXT。

注意：

在使用CMATRIX命令前，不要施加非均匀加载。

以下操作会造成非均匀加载：

在节点或者实体模型上施加非0自由度值的命令（D,DA,等）

在节点、单元或者实体模型定义非0值的命令（F,BF,BFE,BFA,等）

带非0项的CE命令

CMATRIX执行一系列求解，计算二个导体之间自电容和互电容，求解结果贮存在结果文件中，可以便于后处理器中使用。

执行后，给出一个信息表。

如果远场单元（INFIN110和INFIN111）共享一个导体边界（例如地平面），可以把地面和无限远边界作为一个导体（只需要把地平面节点组成一个节点部件）。

下图图3描述了具有合理的NUMCOND和GRNDKEY选项设置值的各种开放和闭合区域模型。

后面有例题详细介绍如何利用CMATRIX做电容计算。

14.5开放边界的Trefftz方法

模拟开放区域的一种方法是利用远场单元（INFIN110和INFIN111），另一种方法为混合有限元—Trefftz方法（称作Trefftz方法）。

Trefftz方法以边界元方法的创立者名字命名。

Trefftz方法使用与有限元类似的正定刚度矩阵高效处理开放区域的边界问题。

它可处理大纵横比的复杂面几何体，它很易生成Trefftz完整函数系统。

对于处理静电问题中的开放边界条件是一种易用而精确的方法。

Trefftz方法的理论分析参见《ANSYS理论手册》。

本手册有“用Trefftz方法进行静电场分析”的例题。

14.5.1概述

使用Trefftz方法需要建立一个Trefftz区域，Trefftz区域由下列部分组成：

在有限元区域内的一个Trefftz源节点部件，但与有限元模型无关；

带有标记的有限元区域的外表面；

由Trefftz源节点部件和带有标记的有限元外表面共同创建的子结构矩阵；

由子结构定义的超单元；

连同子结构产生的一组约束方程；

与远场单元法相比，Trefftz方法有许多优点，也有一些缺点。

Trefftz方法有如下正面特征：

本方法形成对称矩阵；

处理开放边界时，不存在理论上的限制；

不存在奇异积分；

未知数最少（20~100个未知量就可得到可靠结果）；

可用于大纵横比边界；

允许灵活的生成格林（Greens）函数；

利用Trefftz区域，可以在两个无关联的有限元区之间建立联系；

Tefftz方法与远场单元比较有如下优点；

通常具有更高的精确度；

远场区不要求建模和划分单元；

可用于大纵横比有限元区域，并且具有很好精度；

远场单元区不必按一般有限元要求的那样，把有限元区扩展到超出装置模型区很多；

Trefftz方法与远场单元比较有如下缺点：

只能用于全对称模型；

只对三维分析有效；

模型外表面单元只能是四面体单元；

要求定义有限元区内Trefftz源节点部件，并生成子结构和约束方程（当然，这一过程是程序自动完成）。

Trefftz方法有如下限制：

Trefftz节点最大数为1000；

最高容许的节点号为1,000,000；

最高容许的外表面节点数为100,000；

外表面容许的最大单元面数（小平面）为100,000；

Trefftz方法假设无限远处是0电位。

因此，在处理具有不同电位的多电极系统时，使用本方法要注意建立不同的节点部件。

当然，对于使用CMATRIX命令宏来提取电容，程序已经完全考虑，已经把无限远处设成了0电位或者接近0电位。

14.5.2步骤

在3-D静电分析中建立一个Trefftz区域，定义Trefftz区域按下列过程进行：

1）建立一个静电区域的有限元模型（包括导体、介质和四周空气）。

对有限模型加上全部必需的边界条件（电压、电荷、电荷密度等）

2）对有限元区域的外表面加上标志，作一个无限面来处理。

加无限面标志（INFLabel）,使用如下方法：

SF，SFA，SFE

Preprocessor>

Loads>

-Loads-Apply>

-Electric-Flag>

-InfiniteSurf-OnNodes

-InfiniteSurf-OnAreas

Trefftz-Domain>

InfiniteSurf-OnAreas

3）建立Trefftz源节点，源节点作为Trefftz区域的未知量。

这些未知量表示Trefftz方法的源电荷，用CURR自由度计算且储存Trefftz节点上的这些源电荷。

如图4“定义Trefftz的区域”中步骤3所示，应在模型装置与有限元区外表面之间设置Trefftz源节点。

Trefftz源节点离模型装置的距离应该小于到有限元模型外表面的距离，这样Trefftz方法计算所得的结果会更精确。

Trefftz源节点离有限元模型外表面表面越远，得到的结果越精确。

例如，X方向上，Trefftz节点正好包围模型装置（b/c>

1）,有限元外边界设置到较远距离处（a/b>

2）。

对Y和Z方向应用大致相同的规则。

若Trefftz源节点不接近于装置或在有限元区域表面上，会导致一个近似奇异解而产生不正确的结果。

利用定义一个简单实模型体（如六面体、球、园柱体或它们的布尔运算组合体等），很容易地建立包围模型装置并在有限元区域内的Trefftz节点。

但是它应该在有限元外表面的内部，如图4所示。

一旦定义了简单模型体，可以采用下列方法之一把简单实模型划分网格并建立Trefftz节点：

TZAMESH

TrefftzDomain>

MeshTZGeometry

用TZAMESH命令对体表面进行网格划分，然后删除非求解单元，只留下Trefftz节点。

它把Trefftz节点组成命名为TZ-NOD的节点部件，以备在Trefftz子结构生成中调用。

Trefftz方法只要求很少的源节点。

缺省时，TZAMESH命令把简单实模型体各边分成二段。

对大纵横比几何体，可按规定的长度划分实体。

这二种选项在TZAMESH命令中都有效。

它会提供很多Trefftz节点，但是并不是节点越多精度越高。

精度也受外表面单元数和Trefftz源项近似的影响。

一般例题将不超过20到100Trefftz节点。

利用下列方法，可删除Trefftz节点：

CMSEL,,TZ_NOD

NDELE,ALL

CMDELE,TZ_NOD

DeleteTZNodes

4）建立Trefftz子结构、超单元、和约束方程。

Trefftz方法使用有限元模型的外表面和Trefftz节点建立子结构矩阵。

用MATRIX50超单元将该矩阵组合到模型中。

另外，需要一组约束方程来完善Trefftz区域。

利用TZEGEN宏命令，可自动完成建立子结构、用超单元组合到模型、定义约束方程等过程。

建立子结构并使其以超单元的方式组合到模型中，用下列方式：

TZEGEN

-Superelement-GenerateTZ

TZEGEN命令也自动定约束方程。

一旦建立了Trefftz区域，就可利用标准求解步骤来解题。

如果分网面上的单元发生了变动或要建立一个新的Trefftz区域，则已定义的Trefftz区域应被删除。

在求解模型内只能同时存在一个Trefftz区域。

采用下列方法可删除Trefftz超单元、相应的约束方程和全部Trefftz文件：

TZDELE

-Superelement-DeleteTZ

TZDELE命令删除在生成超单元过程中产生的全部Trefftz文件，包括如下文件：

Jobname.TZN——Trefftz源节点

Jobname.TZE——在有限元边界上的Trefftz表面

Jobname.TZX——在有限元边界上表面节点

Jobname.TZM——Trefftz材料文件

详见本手册例题“用Trefftz方法进行静电分析（命令方法）”

14.6用h方法进行静电场分析的实例（GUI方式）

14.6.1问题描述

本节描述如何做一个屏蔽微带传输线的静电分析，该传输线是由基片、微带和屏蔽组成。

微带电势为V1，屏蔽的电势为V0，确定传输线的电容。

该算例的描述见下图。

材料和几何参数

14.6.2分析方法与建模提示

通过能量和电位差的关系可以求得电容：

We=1/2C（V1-V0）2，We是静电场能量，C为电容。

在后处理器中对所有单元能量求和可以获得静电场的能量。

后处理器中还可以画等位线和电场矢量图等。

14.6.3目标结果

目标

电容,pF/m

178.1

步骤1:

开始

1.进入ANSYS程序.

2.选择菜单路径UtilityMenu>

ChangeTitle.

3.输入"

Microstriptransmissionlineanalysis."

4.点击OK.

5.选择MainMenu>

Preferences.

6.点击Magnetic-Nodal和Electric.

7.点击OK.

步骤2:

定义参数

1.选择UtilityMenu>

Parameters>

ScalarParameters.

2.输入下列参数，若发生输入错误，重新输入即可

V1=1.5

V0=0.5

3.点击Close

步骤3:

定义单元类型

1.选择MainMenu>

ElementType>

Add/Edit/Delete.

2.点击Add.

3.点击高亮度的"

Electrostatic"

和"

2DQuad121."

5.点击Close.

步骤4:

定义材料属性

MaterialProps>

MaterialModels.

2.在材料窗口,依次双击以下选项:

Electromagnetics,RelativePermittivity,Constant

3.MURX（Relativepermeability）输入1,点击OK.在定义材料的窗口的左边区域显示的材料号为1.

4.选择菜单路径Edit>

Copy.点击OK。

把材料1拷贝到材料2.

5.在材料框中，双击2号材料和Permittivity（constant）.

6．在PERX区域输入10,点击OK.

7．选择菜单路径Material>

Exit

8．点击SAVE_DBontheANSYSToolbar.

步骤5:

建立几何模型和压缩编号

-Modeling-Create>

-Areas-Rectangle>

ByDimensions.

2.输入下列值（用TAB键，在输入区域间切换）

X1域

X2域

.5

Y1域

Y2域

3.点击Apply.

4.创建第2个矩形，输入下列值：

X1域

5

5.点击Apply.

6.创建第3个矩形，输入下列值：

7.点击Apply.