ANSYS电磁场分析指南第六章3D静态磁场分析棱边单元方法.docx
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ANSYS电磁场分析指南第六章3D静态磁场分析棱边单元方法
第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法）
6.1何时使用棱边元方法
在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。
这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。
在大多数实际3-D分析中，推荐使用这种方法。
在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。
另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。
用棱边元方法分析的典型使用情况有：
·电机
·变压器
·感应加热
·螺线管电磁铁
·强场磁体
·非破坏性试验
·磁搅动
·电解装置
·粒子加速器
·医疗和地球物理仪器
《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。
这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。
对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。
物理解释为：
沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。
正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。
磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。
在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边的中间节点）上持有边通量自由度AZ。
单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。
在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。
ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。
（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。
6.2单元边方法中用到的单元
表1三维实体单元
单元
维数
形状或特性
自由度
SOLID117
3-D
六面体,20节点
中间边节点处的边通量AZ，角节点处的电标势VOLT
6.3物理模型区域的特性与设置
对于包括空气、铁、永磁体、源电流的静态磁场分析模型，可以通过设置不同区域不同材料特性来完成。
参见下表，详情在后面部分叙述。
空气
DOF:
AZ
材料特性：
mr（MURX）
铁
DOF:
AZ
材料特性：
mr（MURX）或B-H曲线（TB命令）
永磁体
DOF:
AZ
材料特性：
mr（MURX）或B-H曲线（TB命令），Hc（矫顽力矢量MGXX,MGYY,MGZZ）
注：
永磁体的极化方向由矫顽力矢量和单元坐标系共同控制。
载流绞线
型线圈
（见下图）
DOF:
AZ
材料特性：
mr（MURX）
特殊特性：
加源电流密度JS（用BFE,,JS命令）
6.4用棱边单元方法进行静态分析的步骤
用棱边元方法进行静态磁场分析的步骤如下：
1.在GUI菜单过滤项中选定Magnetic-Edge项。
GUI:
MainMenu>Preferences>Electromagnetics:
Magnetic-Edge
2.定义任务名和题目。
命令：
/FILNAME和/TITLE
GUI:
UtilityMenu>File>ChangeJobname
UtilityMenu>File>ChangeTitle
3.进入ANSYS前处理器。
命令：
/PREP7
GUI:
MainMenu>Preprocessor
4.选择SOLID117单元。
命令：
ET,,solid117
GUI:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
5.定义材料特性（与第二章类似）。
命令：
MP
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>RelativePermeability>Constant
命令：
TB
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Electromagnetics>BHCurve
6.建立模型，用MainMenu>Preprocessor>-Modeling-界面，详见《ANSYS建模与分网指南》。
7.赋予特性。
GUI:
Mainmenu>Preprocessor>-Attributes-Define
8.划分网格（用Mapped网格）。
命令：
VMESH
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped
9.进入求解器。
命令：
/SOLU
GUI:
MainMenu>Solution
10.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件。
命令：
DA
GUI:
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary
用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件自然发生，无需说明。
在极少数情况下，说明AZ=0还不足以表明磁力线平行边界条件，在这中情况下，可分别用D命令来指定约束。
11.加电流密度载荷（JS）。
由于电磁分析的连续方程必须满足，所以此处施加的源电流密度必须是无散的（即▽JS=0），这一点必须保证，如果有误，则SOLID117单元会解算出错误结果，并且不给出任何警告信息！
在某些情况下，源电流密度的幅值和方向都是恒定的（比如：
杆状、弧状电流源），自然满足无散条件，此时就可用下面描述的BFE命令施加电流。
在其它很多复杂情况下，源电流密度的分布事先是不知道的（比如：
两个直杆连接处弯形连接段内的电流弯曲），此时就需要先执行一个静态电流传导分析（见第13章），一旦确定下电流，就可以用LDREAD命令将其读入磁场分析中。
通常，直接把源电流密度施加到单元上。
使用下列方式之一：
命令：
BFE,JS
GUI:
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation
关于其他加载的更多信息，参看第2章“2D静态磁场分析”。
单元密度由ESYS命令在单元坐标系中设定。
12.为计算作用到导磁体上的Maxwell力和虚功力，先定义组元：
命令：
CM
GUI:
UtilityMenu>Select>comp/Assembly>CreateComponent
再加表面标志：
命令：
FMAGBC
GUI:
MainMenu>Solution-Loads-Apply>-Magnetic-Flag>CompForce/Torq
13.选择静态分析类型。
命令：
ANTYPE,static,new
GUI:
MainMenu>Solution>NewAnalysis>Static
注意：
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。
14.选择求解器，可以使用波前求解器（FRONT）（缺省值）、稀疏求解器（Sparse）、雅可比共厄梯度求解器（JCG）、及不完全Cholesky共厄梯度求解器（ICCG）。
用下列方式选择求解器：
命令：
EQSLV
GUI:
Mainmenu>Solution>AnalysisOptions
推荐使用sparse或ICCG求解器。
15.选择载荷步选项（参见16章）。
16.求解，对于非线性分析，采用两步求解：
·先斜坡载荷计算3到5子步，每步一次平衡选代
·用一个子步计算最后的解，具有5到10次平衡选代
当使用棱边单元列式时，在缺省情况下，ANSYS程序先估算待分析区域所有单元和节点。
估算时，把不需要的自由度值设置为零，使计算更快进行：
命令：
GAUGE
GVI:
MainMenu >Solution>LoadStepOpts–magnetics>–OptionsOnly–Gauging
使用棱边单元做电磁分析必须要求估算，因此，在大多数情况下，不要关闭自动估算。
用下面的命令进行两步求解：
命令：
MAGSOLV（设置OPT域为0）
GUI:
MainMenu>-Solution>-Solve-Electromagnet>-StaticAnalysis-Opt&Solv
17.退出SOLUTION处理器。
命令：
FINISH
GUI:
MainMenu>Finish
18．进行后处理，观察结果（后面介绍）。
19．用LMATRIX宏命令计算线圈系统的微分电感矩阵和总的磁链:
命令：
LMATRIX
GUI：
MainMenu>Solution>-Solve-Electromagnet>-StaticAnalysis-InductMatrix
计算电感矩阵需要几个步骤，首先将线圈单元定义为部件，定义名义电流，然后在工作点执行一次名义求解，第11章有详细介绍。
6.5观察结果
ANSYS和ANSYS/Emag程序将静态分析数据结果记入Jobname.RMG文件中，将动态分析数据结果记入Jobname.RST文件中。
数据有二类：
·主数据：
磁场自由度（AZ,VOLT）
·导出数据：
·节点磁通量密度（BX,BY,BZ,BSUM）
·节点磁场强度（HX,HY,HZ,HSUM）
·节点磁力（FMAG:
X,Y,Z分量和SUM）
·单元总电流密度（JTX,JTY,JTZ）
·单位体积生成的焦耳热（JHEAT）
·单元磁能（SENE）（仅对线性材料才有效）
等等。
关于更多的可利用的数据，参见《ANSYS单元手册》。
可以进入通用后处理器（POST1）中观察结果。
按照如下方式：
命令：
/POST1
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc
6.5.1读入结果数据：
3D单元边静态磁场分析与2D静态磁场分析的后处理基本一致。
关于后处理的相关信息参见第2章“2D静态磁场分析”。
后处理常用命令的总结见“3D时谐磁场分析（棱边元方法）”的“观察结果”一节。
用通量密度的矢量显示模式观察磁力线路径。
参见第2章“2D静态磁场分析”
在《ANSYS基本过程手册》的“通用后处理器（POST1）”和“建立几何结果显示”的相关论述中有关于带电粒子跟踪显示的介绍。
关于理论细节参见《ANSYS理论手册》第5章。
从后处理可用的数据库中，还可以计算其他感兴趣的项目（如全局磁力、力矩、源的输入能量、电感、磁力线连接和终端电压）。
ANSYS程序设置下列宏来进行这些计算：
·SENERGY宏计算电磁场中的储能
·FMAGBC宏对单元部件施加力边界条件
·FMAGSUM对单元部件上计算出的力求和
·MMF宏计算沿一路径的磁动势
·PMGTRAN宏显示瞬态电磁场的概要信息.
·POWERH宏计算导体的均方根（RMS）能耗
想了解更多的宏，请参见第11章“电磁场宏命令”。
6.6算例----用棱边元方法计算电机沟槽中的磁场分布（GUI）
6.6.1问题的描述：
本例题计算电机沟槽在确定电流作用下的磁场、储能、焦耳热损耗和受力等。
问题的分
析区域和沟槽导体模型分别如图1和图2所示：
本算例所用到的参数是：
几何特性
材料特性
载荷
l=0.3m
mr=1.00
I=1000Amps
d=0.1m
r=1E-8W·m
w=0.01m
6.6.2分析
假定沟槽顶部和底部的铁材料都是理想的，可加磁力线垂直条件，这无需说明，程序自动满足。
在位于x=d,z=0和z=1的开放面上，加磁力线平行边界条件，这无法自动满足，需要说明面上的边通量自由度为常数，通常使之为零。
使用MKS单位制。
（缺省值）
6.6.3目标值
体积：
Vt=d×w×l=3e-4
磁场：
Hy= i/wx/d=1e5x/dA/m
磁通：
By=mrm0H=4e-2pix/dT
电流密度：
Jz =i/（dw）=1e6A/
焦耳热损耗：
JLOSS=3.00W
总的受力：
Fx=-∫JzdV=-18.85N
能量：
SENE=.622J
6.6.4GUI实现过程
步骤1：
开始分析
1.选择UtilityMenu>File>ChangeTitle，出现改变题目对话框。
2.输入＂DCcurrentinaslot＂，然后回车。
3.选择MainMenu>Preferences，出现菜单过滤对话框。
4.选择＂Electromagnetic＂下的Magnetic-Edge，按OK。
步骤2：
定义模型参数
1.选择UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters，出现标量参数对话框。
2.输入下列参数：
l=0.3
rho=1.0e-8
d=0.1
ndiv=5
w=0.01
jx=0
i=1000
jy=0
mur=1
jz=i/d/w
3.参数输入完后，按Close。
步骤3：
定义单元类型和材料参数
1.选择MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，出现单元类型对话框。
2.按Add，出现单元类型库对话框。
3.点亮Brick117，再按OK，单元类型对话框中列出单元类型1为SOLID117。
4.按Close，关闭对话框。
5.选择MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，出现性材料特性定义对话框。
6.顺序双击Electromagnetics,RelativePermeability,Constant。
7.在＂Relativepermeability（MURX）＂域中输入mur，并点取OK。
8.顺序双击Resistivity,Constant
9.在＂Electricalresistivity（RSVX）＂域中输入rho，并点取OK。
10.选择Material>Exit
11.在ANSYS工具栏中点取SAVE_DB。
步骤4：
建立模型并划分网格
1.选择MainMenu>Preprocessor>Create>-Volumes-Block>ByDimensions，出现创建立方体（根据尺寸）对话框。
2.输入下列各值：
X10X2d
Y10Y2w
Z10Z21
3.按OK，一个矩形立方体出现在图形窗口中。
4.选择UtilityMenu>Select>Entities，出现选择实体拾取菜单。
5.将＂Nodes＂按钮改为＂Lines＂。
6.将＂ByNum/Pick＂按钮改为＂ByLocation＂。
7.点选择X坐标按钮。
8.在＂Min,Max＂域中输入d/2。
9.按OK。
10.选择MainMenu>Preprocessor>-Meshing->SizeCntrls>-Lines-AllLines，出现可以为所有选择的线控制划分单元尺寸的对话框。
11.在＂No.Ofelementdivisions＂域中输入ndiv。
12.按OK。
13.选择UtilityMenu>Select>Entities，出现选择实体对话框。
14.按SeleAll按钮，再按CANCEL。
15.选择MainMenu>Preprocessor>-Meshing->SizeCntrls>-ManualSize--Global->Size，出现全局单元尺寸控制对话框。
16.在＂NDIV＂域中输入1，再按OK。
17.选择MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped>4to6Sided，出现划分体拾取菜单。
18.按PickAll，网格开始划分。
19.选择MainMenu>Finish。
步骤5：
加边界条件及载荷
1.选择MainMenu>Solution。
2.选择UtilityMenu>Select>Entities，出现选择实体对话框。
3.将顶部的按钮设置为＂Areas＂。
4.将接下来的按钮设置为＂ByLocation＂。
5.点选择X坐标按钮。
6.在＂Min,Max＂域中输入d。
7.按OK。
8.选择UtilityMenu>Select>Entities，出现选择实体拾取菜单。
9.将顶部的按钮设置为＂Areas＂，再将接下来的按钮设置为＂ByLocation＂。
10.点选择Z坐标按钮，再点AlsoSele按钮。
11.在＂Min,Max＂域中输入0。
12.按OK。
13.重复步骤8到10。
14.在＂Min,Max＂域中输入1。
15.按OK。
16.选择MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary>-FluxPar"l-OnAreas，出现加磁力线平行边界条件拾取菜单。
17.按PickAll。
18.选择UtilityMenu>Select>Everything。
19.选择MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation>-CurrDensity-OnElements，出现出现给单元加电流密度拾取菜单，点PickAll，出现给单元加电流密度对话框。
20.输入下列各值：
VAL1域jx
VAL2域 jy
VAL3域jz
21.按OK。
22.在ANSYS工具栏中点取SAVE_DB
步骤6：
求解
1.选择MainMenu>Solution>-Solve->Electromagnet>-StaticAnalysis-Opt&Solv，再按OK。
2.选择MainMenu>Finish。
步骤7：
对分析结果进行列表
1.选择UtilityMenu>List>Loads>BodyLoads>OnAllElements，窗口中列出所有的单元电流密度数据,阅读完毕后点取Close。
2.选择MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolution，窗口中列出单元解数据选择对话框。
3.选择＂Fluxandgradient＂和＂AllmagfieldH＂。
4.按OK，窗口中列出单元角节点处的磁场强度,阅读完毕后点取Close。
5.重复步骤2到4，只是选择＂AllFluxDensB＂，而不是＂AllmagfieldH＂，窗口中列出角节点的磁通量密度数据,阅读完毕后点取Close。
6.重复步骤2到4，只是选择＂CurrentDensity＂，窗口中列出单元形心处的电流密度,阅读完毕后点取Close。
7.重复步骤2到4，只是选择＂Energy＂和＂JouleheatJHEAT＂，窗口中列出单元内单位体积的焦耳热,阅读完毕后点取Close。
8.重复步骤2到4，只是选择＂Nodalforcedata＂和＂AllmagForcFMAG＂，窗口中列出单元角节点处的磁力,阅读完毕后点取Close。
步骤8：
对分析结果进行绘图
1.选择UtilityMenu>PlotCtrls>RedirectPlots>toScreen。
2.选择UtilityMenu>PlotCtrls>ViewSettings>ViewingDirection，出现控制视线方向对话框。
3.输入下列各值：
XV域 1
YV域0.4
ZV域 0.5
4.按OK，图形窗口中的图改变了视线方向。
5.选择UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>NodalSolution，点HSUM项，然后点OK，画出总的电场强度。
6.选择UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>NodalSolution，点BSUM项，然后点OK，画出总的电通量密度。
7.选择UtilityMenu>Plot>Results>VectorPlot，出现矢量画图对话框。
8.设置＂Loc＂域为＂ElemNodes＂。
9.设置＂EdgeElementedges＂域为＂Displayed＂。
10.按OK。
11.选择MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable，出现单元表数据对话框。
12.按Add，出现定义其他单元表项对话框。
13.设置＂Lab＂域为FX。
14.在＂Item,CompResults＂卷轴区中点＂Nodalforcedata＂和＂MagforceFMAGX＂。
15.按OK。
16.重复步骤12到15，只是在＂Lab＂域中选择JHEAT，在卷轴区中点＂Jouleheat＂和＂JouleheatJHEAT＂。
17.重复步骤12到15，只是在＂Lab＂域中选择VOL，在卷轴区中点＂Geometry＂和＂ElemVolumeVOLU＂。
18.重复步骤12到15，只是在＂Lab＂域中选择SENE，在卷轴区中点＂Energy＂和＂ElecenergySENE＂。
19.点取ElementTableData对话框的Close。
20.选择MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>Multiply，出现对单元表项作乘积运算对话框。
21.在＂LabRUserlabelforresult＂域输入JLOSS。
22.在＂LAB1＂域输入JHEAT。
23.在＂LAB2＂域输入VOL，再按OK。
24.选择MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>SumofEachItem，出现对单元表项求和运算对话框。
25.按OK，窗口中显示出用焦耳热乘以体积计算出来的总的焦耳热损耗,阅读完毕后点取Close。
步骤9：
结束分析
选择MainMenu>Finish。
6.7命令流实现：
/BATCH,LIST
/TITLE,DCCurrentinaSlot
!
The/TITLEcommanddefinesthetitle ofaproblem.Thetitleisprinted
!
ontheoutputfile andgraphicsplotspertinenttotheproblem.
!
/NOPR
!
Turnoffcommandechoprinting otherwiseyouroutputfilewillbelarge.
!
l=0.3!
length
d=0.1!
depth
w=0.01!
width
i=1000!
current
mur=1!
relativemagneticper
升级会员 