ANSYSss电场分析.docx
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ANSYSss电场分析
第十三章电场分析
13.1电场分析简介
电场分析就是要计算导电系统或电容系统中的电场，需要计算的典型物理量为：
· 电场 · 电流密度 · 电荷密度 · 传导焦耳热
电场分析在工程设计中有广泛应用：
汇流条、保险丝、传输线等。
很多情况下，先进行电流传导分析，或者同时进行热分析，以确定因焦耳热而导致的温度分布。
也可以在电流传导分析之后直接进行磁场分析以确定电流产生的磁场。
有关这方面的内容请参见《ANSYS耦合场分析指南》。
本章只讲单纯的电场分析，主要是稳态电流传导分析、静电场分析和电路分析。
进行电流传递分析要求ANSYS/Multiphysics或者ANSYS/Emag模块。
这两个模块还可以进行静电场和电路分析。
ANSYS以泊松方程为静电场分析的基础。
参见《ANSYS理论手册》。
主要的未知量（节点自由度）是标量电位（电压）。
其他物理量由节点电位导出。
13.2电场分析要用到的单元
表1传导杆单元
单元
维数
形状或特性
自由度
LINK68
3-D
单轴，2节点
温度和电压
表22-D实体单元
单元
维数
形状或特性
自由度
PLANE67
2-D
四边形，4节点
温度和电压
PLANE121
2-D
四边形，8节点
电压
表33-D实体单元
单元
维数
形状或特性
自由度
使用注意
SOLID5
3-D
六面体,8节点
每个节点6个自由度;可以是位移、温度、电压、磁标量位
可用作热－电耦合单元或作为电－磁耦合场单元
SOLID69
3-D
六面体,8节点
节点温度、电压
可用作热－电耦合单元
SOLID98
3-D
四面体,10节点
每个节点6个自由度;可以是位移、温度、电压、磁标量位
可用作热－电耦合单元或作为电－磁耦合场单元
SOLID122
3-D
六面体,20节点
电压
SOLID123
3-D
四面体,10节点
电压
表4壳单元
单元
维数
形状或特性
自由度
SHELL157
3-D
四边形壳，4节点
温度和电压
表5特殊单元
单元
维数
形状或特性
自由度
MATRIX50
无（超单元）
根据结构中包括的单元确定
根据包含的单元类型决定
INFIN110
2-D
4或8节点
每节点一个，可以是磁矢量位、温度、电压
INFIN111
3-D
六面体,8或20节点
AX,AY,AZ磁矢量位、温度、标量电位或标量磁位
表6通用电路单元
单元
维数
形状或特性
自由度
CIRCU124
无
通用电路单元，最多可6节点
每节点三个；可以是电势、电流或电动势降
13.3单元兼容性
有限元模型中可能含带电压自由度的单元，这些单元需要相应的反作用力。
见下表。
表7带电压自由度单元的反作用力
Element
KEYOPT
（1）
DOFs
MaterialPropertyInputforVOLTDOF
ReactionForce
PLANE67
N/A
TEMP,VOLT
RSVX,RSVY
ElectricCurrentFlabel=AMPS
LINK68
N/A
TEMP,VOLT
RSVX
ElectricCurrentFlabel=AMPS
SOLID69
N/A
TEMP,VOLT
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
SHELL157
N/A
TEMP,VOLT
RSVX,RSVY
ElectricCurrentFlabel=AMPS
PLANE53
1
VOLT,AZ
RSVX,RSVY
ElectricCurrentFlabel=AMPS
SOLID97
1
AX,AY,AX,VOLT
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
4
AX,AY,AZ,VOLT,CURR
SOLID117
1
AZ,VOLT
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
PLANE121
N/A
VOLT
PERX,PERY
ElectricChargeFlabel=CHRG
SOLID122
N/A
VOLT
PERX,PERY,PERZ
ElectricChargeFlabel=CHRG
SOLID123
N/A
VOLT
PERX,PERY,PERZ
ElectricChargeFlabel=CHRG
SOLID127
N/A
VOLT
PERX,PERY,PERZ
ElectricChargeFlabel=CHRG
SOLID128
N/A
VOLT
PERX,PERY,PERZ
ElectricChargeFlabel=CHRG
CIRCU124
0–12
VOLT,CURR,EMF
N/A
ElectricCurrentFlabel=AMPS
CIRCU125
0or1
VOLT
N/A
ElectricCurrentFlabel=AMPS
TRANS126
N/A
UX-VOLT,UY-VOLT,UZ-VOLT
N/A
ElectricCurrentFlabel=AMPS
PLANE13
6
VOLT,AZ
RSVX,RSVY
ElectricCurrentFlabel=AMPS
7
UX,UY,UZ,VOLT
PERX,PERY
NegativeElectricChargeFlabel=AMPS
SOLID5
0
UX, UY,UZ,TEMP,VOLT,MAG
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
PERX,PERY,PERZ
NegativeElectricChargeFlabel=AMPS
1
TEMP,VOLT,MAG
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
3
UX,UY,UZ,VOLT
PERX,PERY,PERZ
NegativeElectricChargeFlabel=AMPS
9
VOLT
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
SOLID98
0
UX, UY,UZ,TEMP,VOLT,MAG
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
PERX,PERY,PERZ
NegativeElectricChargeFlabel=AMPS
1
TEMP,VOLT,MAG
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
3
UX,UY,UZ,VOLT
PERX,PERY,PERZ
NegativeElectricChargeFlabel=AMPS
9
VOLT
RSVX,RSVY,RSVZ
ElectricCurrentFlabel=AMPS
SOLID62
N/A
UX,UY, UZ,AX,AY,AZ,VOLT
RSVX,RSVY,RSVZ
ElecticCurrentFlabel=AMPS
INFIN110
1
VOLT
PERX,PERY
ElectricChargeFlabel=CHRG
INFIN111
2
VOLT
PERX,PERY,PERZ
ElectricChargeFlabel=CHRG
13.4稳态电流传导分析简介
稳态电流传导分析可以分析计算直流电流和电压降产生的电流密度和电位分布。
可以进行两种加载：
电压和电流。
稳态电流传导分析认为电压和电流成线性关系，即电流与所加电压成正比。
13.5稳态电流传导分析的步骤
稳态电流传导分析要确定直流电或电势降导致的电流密度分布和电势（电压）分布，在此分析中载荷有两种类型：
外加电压和电流。
假定稳态电流传导分析是线性的，即：
电流与所加电压成正比。
稳态电流传导分析有三个主要的步骤：
1.建立模型
2.加载并求解
3.观察结果。
13.5.1建立模型
建立模型，定义工作文件名和标题：
命令：
/FILNAME,/TITLE
GUI：
UtilityMenu>File>ChangeJobname
UtilityMenu>File>ChangeTitle
在GUI参数选择框中选择Electric选项。
以便能够选择需要的单元。
GUI:
MainMenu>Preferences>Electromagnetics>Electric
然后按照《ANSYS建模与分网指南》中的描述定义单元类型、定义材料特性并建立几何模型。
在电流传导分析中，可以使用下列单元：
·LINK68：
三维二节点热/电线单元
·PLANE67：
二维四节点热/电四边形单元
·SOLID5：
三维八节点结构/热/磁/电六面体单元
·SOLID69：
三维八节点热/电六面体单元
·SOLID98：
三维十节点结构/热/磁/电四面体单元
·SHELL157：
三维四节点热/电壳单元
·MATRIX50：
三维超单元
单元的详细介绍可参看前面单元表。
必须只定义一种材料特性：
电阻（RSVX），它可以是和温度有关的。
13.5.2加载并求解
此步骤定义分析类型及其选项、给模型加载、定义载荷步选项并求解：
13.5.2.1进入SOLUTION处理器
命令：
/SOLU
GUI:
MainMenu>Solution
13.5.2.2定义分析类型
作下列任何一个操作：
●在GUI方式下，选择路径：
MainMenu>Solution>NewAnalysis并选择Static分析。
●如果是一个新的分析，执行下列命令：
ANTYPE,static,new
●如果是需要重启动一个前面做过的分析（如施加了另外一种激励），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，就可以重启动分析。
13.5.2.3定义分析选项
选择方程求解器（系统缺省使用Frontal求解器）。
命令：
EQSLV
GUI:
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
13.5.2.4加载
13.5.2.4.1电流
电流（AMPS）是经常加在模型边界上的集中节点载荷（AMPS仅仅是一个载荷标志，和单位制无关），正值代表电流流入节点，负值代表流出节点。
如果是均匀电流密度分布，应该耦合节点上的VOLT自由度，再将总电流加到某一个节点上去。
命令：
F
GUI:
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>Current
13.5.2.4.2电压
电压（VOLT）是经常加在模型边界上的DOF约束，一个典型的应用是说明导体的一端电压值为零（接地端），另一端为一给定电压。
命令：
D
GUI:
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>Charge
13.5.2.5可选择的步骤：
施加载荷步选项（详见第16章）
13.5.2.6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：
命令：
RESUME
GUI:
UtilityMenu>File>ResumeJobname.db
13.5.2.7开始求解
命令：
SOLVE
GUI:
MainMenu>Solution>CurrentLS
13.5.2.8施加其它载荷条件
如果希望进行其他加载情况的计算，可以从这里再按照13.5.2.4步和13.5.2.5操作即可。
13.5.2.9完成求解
命令：
FINISH
GUI:
MainMenu>Finish
13.5.3观看结果
ANSYS把结果文件写入Jobename.RST中，数据有：
主数据：
节点电压（VOLT）
导出数据：
节点和单元电场（EFX,EFY,EFZ,EFSUM）
单元电流密度（JSX,JSY,JSZ,JSSUM）
单元焦耳热（JHEAT）
节点感生电流
进入后处理器：
命令：
/POST1
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc
对于所有的后处理函数的详细描述，参见《ANSYS基本过程手册》。
13.5.3.1在POST1中读结果
在POST1中后处理数据时，数据库中的模型数据一定要与结果数据相统一，且存在Jobname.RST文件。
用RESUME命令读入模型数据，用SET命令读入结果数据。
用下列命令把希望的时间点的结果读入数据库：
命令：
SET,TIME
GUI:
UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary
如果没有数据和指定的时间点对应，程序自动进行线性插值以得到在指定的时间点处的数据。
处理杆单元（LINK68）时，为了得到导出数据，必须使用下列命令读结果到数据库中：
命令：
ETABLE
GUI:
Mainmenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable
命令：
PLETAB
GUI:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>ElemTable
Mainmenu>GeneralPostproc>ElementTable>PlotElemTable
命令：
PRETAB
GUI:
Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>ListElemTable
Mainmenu>GeneralPostproc>ElementTable>ElemTableData
等值线显示：
命令：
PLESOL,PLNSOL
GUI:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>ElementSolution
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu
矢量（箭头）显示：
命令：
PLVECT
GUI:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>Predifined
GUI:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>UserDefined
列表显示：
命令：
PRESOL,PRNSOL,PRRSOL
GUI:
Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolution
Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolu
Mainmenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu
其他后处理，请参见《ANSYS基本过程手册》。
13.6电流传导分析的其他例题
VM117–网路中的电流
VM170–正方形电流环中的磁场
VM173–电线中心线温度
第十四章静电场分析（h方法）
14.1什么是静电场分析
静电场分析用以确定由电荷分布或外加电势所产生的电场和电场标量位（电压）分布。
该分析能加二种形式的载荷：
电压和电荷密度。
静电场分析是假定为线性的，电场正比于所加电压。
静电场分析可以使用两种方法：
h方法和p方法。
本章讨论传统的h方法。
下一章讨论p方法。
14.2h方法静电场分析中所用单元
h方法静电分析使用如下ANSYS单元：
表1.二维实体单元
单元
维数
形状或特征
自由度
PLANE121
2-D
四边形，8节点
每个节点上的电压
表2.三维实体单元
单元
维数
形状或特征
自由度
SOLID122
3-D
砖形（六面体），20节点
每个节点上的电压
SOLID123
3-D
砖形（六面体），20节点
每个节点上的电压
表3.特殊单元
单元
维数
形状或特征
自由度
MATRIX50
无（超单元）
取决于构成本单元的单元
取决于构成本单元的单元类型
INFIN110
2-D
4或8节点
每个节点1个；磁矢量位，温度，或电位
INFIN111
3-D
六面体，8或20节点
AX、AY、AZ磁矢势，温度，电势，或磁标量势
INFIN9
2-D
平面，无界，2节点
AZ磁矢势，温度
INFIN47
3-D
四边形4节点或三角形3节点
AZ磁矢势，温度
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
UtilityMenu>File>ChangeTitle
如果是GUI方式，设置分析参考框：
GUI：
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µMKSV制电参数换算系数和MKS制到µMSVfA制电参数换算系数表
表4．MKS制到µMKSV制电参数换算系数表
电参数
MKS制
量纲
乘数
µMKSV制
量纲
电压
V
（kg）（m）2/（A）（s）3
1
V
（kg）（µm）2/（pA）（s）3
电流
A
A
1012
pA
pA
电荷
C
（A）（s）
1012
pC
（pA）（s）
导电率
S/m
（A）2（s）3/（kg）（m）3
106
pS/µm
（pA）2（s）3/（kg）（µm）3
电阻率
Ωm
（kg）（m）3/（A）2（s）3
10-6
TΩµm
（kg）（µm）3/（pA）2（s）3
介电常数1
F/m
（A）2（s）4/（kg）（m）3
106
pF/µm
（pA）2（s）2/（kg）（µm）3
能量
J
（kg）（m）2/（s）2
1012
pJ
（kg）（µm）2/（s）2
电容
F
（A）2（s）4/（kg）（m）2
1012
pF
（pA）2（s）4/（kg）（µm）2
电场
V/m
（kg）（m）/（s）3（A）
10-6
V/µm
（kg）（µm）/（s）3（pA）
通量密度
C/（m）2
（A）（s）/（m）2
1
pC/（µm）2
（pA）（s）/（µm）2
自由空间介电常数等于8.0854E-6pF/µm
表5．MKS制到µMSVfA制电参数换算系数表
电参数
MKS制
量纲
乘数
µMSVfA制
量纲
电压
V
（kg）（m）2/（A）（s）3
1
V
（g）（µm）2/（fA）（s）3
电流
A
A
1015
fA
fA
电荷
C
（A）（s）
1015
fC
（fA）（s）
导电率
S/m
（A）2（s）3/（kg）（m）3
109
fS/µm
（fA）2（s）3/（g）（µm）3
电阻率
Ωm
（Kg）（m）3/（A）2（s）3
10-9
--
（g）（µm）3/（fA）2（s）3
介电常数
F/m
（A）2（s）4/（kg）（m）3
109
fF/µm
（fA）2（s）2/（g）（µm）3
能量
J
（kg）（m）2/（s）2
1015
fJ
（g）（µm）2/（s）2
电容
F
（A）2（s）4/（kg）（m）2
1015
fF
（fA）2（s）4/（g）（µm）2
电场
V/m
（kg）（m）/（s）3（A）
10-6
V/µm
（g）（µm）/（s）3（fA）
通量密度
C/（m）2
（A）（s）/（m）2
103
fC/（µm）2
（fA）（s）/（µm）2
自由空间介电常数等于8.0854E-3fF/µm
14.3.2加载荷和求解
本步定义分析类型和选项、给模型加载、定义载荷步选项和开始求解。
14.3.2.1进入求解处理器
命令：
/SOLU
GUI：
MainMenu>Solution
14.3.2.2定义分析类型
选择下列方式之一：
·GUI：
选菜单路径MainMenu>Solution>NewAnalysis并选择静态分析
·命令：
ANTYPE，STATIC，NEW
·如果你要重新开始一个以前做过的分析（例如，分析附加载荷步），执行命令ANTYPE，STATIC，REST。
重启动分析的前提条件是：
预先完成了一个静电分析，且该预分析的Jobname.EMAT，Jobname.ESAV和Jobname.DB文件都存在。
14.3.2.3定义分析选项
可以选择波前求解器（缺省）、预条件共轭梯度求解器（PCG）、雅可比共轭梯度求解器（JCG）和不完全乔列斯基共轭梯度求解器（ICCG）之一进行求解：
命令：
EQSLV
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
如果选择JCG求解器或者PCG求解器，还可以定义一个求解器误差值，缺省为1.0-8。
14.3.2.4加载
静电分析中的典型载荷类型有：
14.3.2.4.1电压（VOLT）
该载荷是自由度约束，用以定义在模型边界上的已知电压：
命令：
D
GUI：
MainMenu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-
14.3.2.4.2电荷密度（CHRG）
命令：
F
GUI：
MainMenu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-Charge-OnNodes
14.3.2.4.3面电荷密度（CHRGS）
命令：
SF
GUI：
MainMenu>Solution>Loads>-Loads-Ap
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