整理ANSYS电磁场分析指南第五章3D静态磁场分析标量法.docx
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整理ANSYS电磁场分析指南第五章3D静态磁场分析标量法
第五章3-D静态磁场分析(标量法)
5.1在3-D静态磁场分析(标量法)中要用到的单元
表1三维实体单元:
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,分析选项,施加载荷。
2.备份数据
命令:
SAVE
GUI:
UtilityMenu>File>SaveasJobname.db
注意:
如果在求解后或后处理时,使用BIOT选项并且使用SAVE命令,根据毕奥-萨发特定律计算的数据存储在数据库中。
但如果执行了退出操作,数据会丢失。
若希望退出后,保存这些数据,则在使用SAVE命令后,执行/EXIT,NOSAVE命令。
也可以通过执行/EXIT,SOLU命令退出ANSYS程序,并且存储所有求解数据,包括毕奥-萨发特计算。
否则,在执行RESUME操作后,毕奥-萨发特计算的数据会丢失。
(结果中为0值)
3.定义磁场分析选项,进行两步求解:
命令:
MAGSOLV(设OPT域为3)
GUI:
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Magnetics>-StaticAnaly-OptandSolv
4.完成求解
命令:
FINISH
GUI:
MainMenu>Finish
5.3.15用GSP法求解
如果模型中又有多连通铁区又有电流源时,GSP方法是最佳方法。
与RSP方法和DSP方法不同的是,GSP方法需三步求解:
·在第一个载荷步中,只对铁区求近似解;
·在第二个载荷步中,只对空气求近似解;
·在第三个载荷步中,计算最终解。
按照下列步骤进行GSP方法求解:
1.进入SOLUTION求解器,按照后面讲述的“检查分析结果(RSP,DSP,或GSP方法分析)”,定义分析类型,分析选项,施加载荷。
确认铁区中至少一个节点的标量位被定义为0值。
2.备份数据
命令:
SAVE
GUI:
UtilityMenu>File>SaveasJobname.db
注意:
如果在求解后或后处理时,使用BIOT选项并且使用SAVE命令,根据毕奥-萨发特定律计算的数据存储在数据库中。
但如果执行了退出操作,数据会丢失。
若希望退出后,保存这些数据,则在使用SAVE命令后,执