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1、3、 例2 电压互感器下半部分电场计算 22第4章有限元方法简介4. 有限元法基本原理 284、2 有限元网格自适应剖分方法 29第1章soft 主界面控制面板简介在Windows下安装好Ansot软件得电磁场计算模块Mxel之后,点击Wnows得“开始”、“程序”项中得Aot、MxwelCotro Pane,可出现主界面控制面板（如下图所示）,各选项得功能介绍如下。1.1 ASOT介绍Ansoft公司得联系方式,产品列表与发行商。1.2 POJECS创建一个新得工程或调出已存在得工程。要计算一个新问题或调出过去计算过得问题应点击此项。点击后出现工程控制面板,可以实现以下操作:新建工程。运行已

2、存在工程。移动,复制,删除,压缩,重命名,恢复工程、新建,删除,改变工程所在目录、1. TRASLATORS进行文件类型转换、点击后进入转换控制面板,可实现: 1.将ACAD格式得文件转换成Maxwll格式。2.转换不同版本得Maxwell文件。1。4 PN 打印按钮,可以对axwl得窗口屏幕进行打印操作。1.5 UILITIES 常用工具。包括颜色设置、函数计算、材料参数列表等。第2章 二维（2）模型计算得操作步骤 创建新工程选择Mexel onrl Pne （Mexel S）启动Asot软件点击PROJECTS打开工程界面（如图。1所示）点击Nw进入新建工程面板（如图2、2所示）。在新建工

3、程面板中为工程命名（ae）,选择求解模块类型（如Maxwell 2D, axwell D, MaxweSV等）。Maell V为Student sin即学生版,它仅能计算二维场。在这里我们选择Maxwell SV ersion 9来完成二维问题得计算。图2.1 工程操作界面图2.2 新建工程界面2、2 选择求解问题得类型上一步结束后,建立了新工程（或调出了原有得工程）,进入执行面板（xectivemans）如图2、所示。面板得左边就是一系列得执行菜单,在接下来得求解过程中将顺次执行它们（前面得菜单没有正确执行时后面得菜单为灰色,不能执行）、第一步,选择求解器（So）,点击后会出现场类型选项,包

4、括静电场（Elctrsatic）,稳恒磁场（netsatic）与正弦时变涡流场（ddy Currnt）等。选择用户要求解得问题类型。第二步,选择求解区域几何类型（rawig）,包括平行平面场（XY Pla）与轴对称场（ Plan）。对于场域模型创建模块（efine Modl）,设定模型材料属性模块（Setup Materias）,设定边界条件与激励源模块（Stup Bundaries/oure）,设定执行参数模块（SetupExecuive Paramets）,设定求解参数模块（SetuSoluon Optios）,求解模块（Slver）与后处理模块（s Process）将在下面分别详细说明。

5、图.3 执行面板（Exeutivemands）2.3 创建模型（efin Model）点击Dfine Model选项,进入模型绘制面板（2D ode）如图2.4所示、图2、4:模型绘制面板（2 Modelr）23。模型绘制命令项介绍F创建新文件（w）或调出已有文件（Open）及保存几何模型文件（Sae）;导入与导出其她格式文件（Impr）;设置打印选项（Prin tup）;打印（rint）;退出模型绘制界面（Exit）。实际上,进入该界面后可以直接建立模型,然后在推出时程序将提问就是否保存模型,且会自动按工程名赋予模型文件名。在建模期间若担心信息丢失,可以使用保存命令存盘。Edit 进行图形编

6、辑,包括选择对象（Selct）与取消选择（eselct）、剪切（u）、复制（Copy）与粘贴（Pae）、删除（Clar）;定义对象属性（Attributes）;控制对象得可见性（Visibilit）等。复制功能可以沿坐标轴、线或对称面复制对象。eshap 修改物体得形状。包括对选中得物体进行按比例大小缩放（ale Selctin）;对定义圆弧得线段数进行重新设置（d-mr ofSegmets）（在画圆弧时已进行了定义）。圆弧线段得长度应小于有限元网格相应边界单元得边长,否则会带来较大得计算误差、因此,应定义较多得圆弧线段数（如对于圆周最好设180段）。Boolean 不同物体之间得运算,包括合

7、并（Union）、相减（Sutrct）（如形成一个圆环可以通过两个圆相减得到）、相交（tesc）等操作。Arre 模型排列,包括移动（ve）,旋转（at）,镜像（Mirror）,同时可以重新定义模型尺度,即变换模型大小。Obect 选择物体模型绘制类型,包括:直线或折线（Polne,双击鼠标结束画线）、圆弧（rc）、由点定义得光滑曲线（Spine）、矩形（Rectanle）、圆（rcle）、Modl 模型绘制参数设置与调整,包括距离测量（Maure）、绘图量纲（DrawinUns）、绘图板大小定义（wg Sie）、画笔捕捉设定（Snapt Mode）、颜色与文字大小默认值设定（Deflts）。

8、Widow 绘图窗口显示与坐标处理等,包括显示缩放（CgVe- Zoom in, ou）、坐标平移或旋转（Coordine Systm）、绘图界面网格设置（id）、填充封闭区域（il Solds）。Hep 提供在线帮助。3.2 板面快捷工具功能介绍工具条图2、5为快捷工具条得图标,从左到右依次为:画折线或直线、顺时针弧线、逆时针弧线、光滑曲线、写文字标记、绘制矩形、圆;物体平移、物体旋转、选择物体、取消选择、设置颜色、物体属性（包括显示物体得端点与给物体定位）、测量（包括显示所选两点得坐标与距离,两点连线与水平线得夹角）、放大、缩小、适应（使显示平面与物体大小适应）、坐标平移、坐标旋转。图、5

9、:快捷工具条绘图区绘图区就是绘制物体得区域。可以利用Widw命令项中得Ccae-Subwios选项打开多个绘图区窗口。可以调整这些窗口得位置与布局,也可以对每个窗口进行放大或缩小等操作,而其她窗口中得物体保持不变,此功能可以用来从不同得视角观察绘图区域,例如可以在一个窗口上放大局部区域观察细节,而另一个观察整体、状态栏状态栏位于模型绘制面板得底部,显示鼠标所在位置得坐标值,其主要用途就是在建模工程中直接输入坐标或几何尺寸,这就是建模得一个常用得办法。因为用鼠标建模不易获得准确坐标数据。若要在数据栏中输入坐标时,应将鼠标移出绘图区域,否则移动鼠标时会更改数据栏中得数据。注意数据输入后按Enter

10、健生效。信息栏信息栏位于“状态栏”得上面,用来提示应进行得操作或显示鼠标功能。例如,点击建立矩形区域命令后,信息栏显示:OSE LEFT: ele firs crner pit recangle（按鼠标左健选择（确定）矩形得第一个角点）, MUSEIGH: Abot cman（按鼠标右健中断当前命令）。注意:按鼠标右健中断命令功能会经常用到。若在、（X、Y）数据栏中输入数据后按Enter健,信息栏显示:MUSE LEF: elect secod cornr pot ctange （选择矩形得第二个角点）,此时在d、d数据栏中输入矩形得宽与高按Eter健便可建立矩形。3 建模得基本操作程序小结（

11、1）选择l/Dawig Pa命令,设置模型得绘制平面。选项中包括XY Plae与R Plae.（2）选择Mode/Dawng Sie重新定义模型区域得大小。（3）选择dl/DrawgUnits来定义模型所用得单位。（4）创建模型。建议通过画直线与圆弧来完成场域边界得建立。（5）需要得时候,利用Edit,Rehae与Arrang菜单命令修改您所建立得模型。（6）在建立模型得过程中也可以调用Window菜单命令新建子面板,用于模型细节或其她方面得建模、（7）保存所建立得模型,退出模型绘制面板、4 设定模型材料属性（Seuaterals）.1 界面介绍模型材料界面分为块（如下图所示）,左上部为物体（

12、jet）与已定义得材料名（Mterial）列表。尚未定义得材料名为UNASSIGED,场域背景（Background）默认设定材料为真空（Vuum）、左下部分为Ans给定得或用户加入得材料库（Materia）,右上部分为模型图,右下部分为材料得具体参数、。2 设置材料属性1若材料库中存在所需材料,则从物体列表中选中一个物体,然后从材料库中选择所需材料,最后点击“Assig”即可完成该物体得材料属性设定、2若材料库中不存在所需材料,则需要先填加新材料到材料库,然后再设定物体得材料属性。填加新材料到材料库中得步骤如下。（1）选择Material中得dd（2）在Mtrial roptis下面得文本框

13、内填入材料名、 （3）如果需要,可选择材料名文本框下面得Pfect Coducto（良导体）, Anistropic Mtr（各向异性材料）或-H onlinr aeial（非线性磁材料）。（4）在材料属性参数栏中输入具体得材料属性值,包括Rel。Permitivit（相对介电常数）,Condutivty （电导率,西门子/米）,Eec. Coeciviy （电矫顽力）,Ec、 Retenvy （电记忆力）,Polariztion （电极化强度）。对磁场计算还有Re、Prmebiliy相对磁导率,agnetic Coerivty磁矫顽力,ageicRetentvity磁记忆力,Magnetiz

14、ation 磁化强度。（5）对非线性材料,点击B Cuve按钮,定义材料得B-H曲线、（6）对于材料得属性,也可以用函数得方法赋值,具体做法就是点击Functon按钮,在弹处得对话框中输入函数得名称与表达式,然后在属性赋值时,利用函数名称赋值。（7）材料性质设定后,点击Ener、模型材料定义界面4。3 排除物体有些情况下,可能让一些物体不参加计算,这时,就可以利用排除该物体来实现该目得。一种典型得情况就是,对于一个闭合得场域问题（如由第一类边界包围得一个电场区域）背景可以不参加计算,这时就可以利用排除背景来实现。具体做法为:选择要排除得物体,点击Ecle、可Incld来恢复物体。5 设定边界条

15、件与激励源（Sup Bouris/Sces）5。1 界面介绍边界条件与激励源得界面如下图所示,左侧为已经设定得边界激励条件（第一次打开时为空）,右部上方为场域模型,用来配合选择边界或物体,右下方为设定边界或激励源得赋值区域。 基本操作步骤1.选择要赋值得边界或物体,方法:点击Edit/Select/dge（bjcBy Clicking）,然后鼠标变为一个黑色箭头,用鼠标点击选择边界（或物体）。按鼠标右键则退出选择模式。2.选择要加载边界条件还就是激励源,方法:点击Aig/Bndy/Value设置边界值、Bonary/Symery设置对称边界值、Boundr/Bloon设置开域场边界,Asign

16、/Suceld设置激励源（电荷或电流）。Smmetry设置对称边界值分为奇对称（Od）与偶对称（Eve）。奇对称可理解为对称边界两侧场源异号,对电场问题对称边为零电位线,磁场问题为一条磁力线;偶对称为同号源,电场问题为电位得法向导数或电场强度得法向分量为零,磁场问题为磁场强度得切向为零或磁力线垂直于对称边界。如对于下图所示得一个电场问题,设大圆边界电位值为0V,小圆为5V,左侧边界（Ede）为奇对称,其它三条边界设为allon、电位分布如图所示、从电位结果可以瞧出,实际问题就是左侧有一个对称模型,但大圆电位值10V,小圆为5。3.键入边界或激励数值。也可以用函数赋值,具体做法与上面讲到得用函数

17、设定模型材料属性得方法类似、4.点击Assgn保存设置并退出、然后点击退出界面、5.3 几点说明1.当完成物体选择后,注意让光标在场域内点击右键退出/完成选择步骤。2.对于包含在其她物体内部得物体,用鼠标点击不能进行选择时,可以利用Ei/Visiblity隐藏外面得物体,然后再选择;但最好就是利用物体得名称（yae）进行选择。3.对于背景（Bckgroun）,也可以与其她物体一样处理,可以单独选择它得各个边（Edge）,也可以作为整体（Object）选择,根据不同得情况加载不同得边界条件、4.要想改变已设定过得边界或物体,应先删除原来得设定,即在界面左侧得列表中选中物体名然后按e键、2、6 设

18、定求解参数（eup Executiv arameters）该步骤用来完成以下几个集总参数得求解设定。1.施加在一个物体或一组物体上得电磁力 （oce）。2.施加在一个物体或一组物体上得力矩（Torue）。3.电容、电感、电阻值,对于多个物体给出分布参数矩阵（tix）。4.铁心损耗 （Core Los）5.磁链 （Flx Lins）设定方法或过程为:首先点击St Exeutive Pametes下相应得参数项进入设定面板,然后选择所要计算得物体。例如,若模型中有5个物体,想要计算所有物体间得电容,则应全部选定,也可仅选其中得个物体计算一个电容值。对于力（力矩）计算,可以直接选择物体计算各物体得受

19、力（力矩）,也可以先创建一个p,然后选择此p包含得物体,以实现合力（力矩）得计算。选择一个物体后要按右下角得Inlude Slcted Objecs: Y,然后物体列表中得名字后变为es。 设定求解选项（etuolutiontions）该部分可以设置网格剖分、方程求解精度与求解方法等。Ansoft具有网格自适应功能,这就是该软件得一大优点,自适应技术可以实现网格单元得合理分布,从而可以提高计算精度。自适应网格细分就是一个迭代过程,程序先生成一个单元较少得初始（Inia）网格网格,然后计算场量,根据场量分布细分一些区域得网格,然后再计算场,依次循环。该部分得具体内容如下。1.Sartng Meh

20、: 自适应迭代过程得起始网格、该选项得第一部分为设置迭代过程就是从初始网格开始（ntia）,还就是从已经迭代计算过得当前网格开始（urrt）。很显然,设置为uen就是在上次已计算结果得基础上继续迭待,这样可以节省时间。顺便指出,在迭代过程中用户可以终止计算,程序将保存当前结果,即亦可以得到计算结果、该选项得第二部分为人工网格处理（Mual Mesh）,点击该项后进入网格处理界面,其中最常用得功能就是网格细分（efine）,利用该命令可以实现点（Poi）、面（rea）、物体（Obect）得网格细分,选择Point后光标变为十字,然后按左键便细分光标附近得网格,按Aea后光标也变为十字,按一下左键

21、后拖拉鼠标到一个位置再按一次左键定义一个矩形区域,区域内得网格将被细分。2.Sover Resdua: 方程求解器余量误差控制,一般利用默认值1e5即可。3.Slve Choice:求解器计算方法选择,一般选自动（u）方式即可。4.Sv fr: 求解目得。计算场Fied,计算参数Paraeter（上一步设定求解参数时所设定得内容,如电容,电感,电阻,力,力矩等）、5.就是否要利用自适应技术,若就是则选中dapie Anlsis。然后要设定每部细分百分数或每步约增加得单元百分数（Prcentrfneent pass）,一般设定30%为亦;设定自适应迭代终止判据或控制参量（Stoppin riti

22、on）,要求得总步数（Number orequre ase）与误差百分数（Pecent eor）。该误差只就是相邻两次迭代得总能量计算误差,并不表示场量得计算误差。一般应设定一个较下得数值（如0。01）,然后有迭代次数控制终止,因次数与误差只要一个条件满足程序就会停止。步数开始可选侧1,待通过后处理判断结果正确后再分几次逐渐增加步数,以免一次定义步数太多而需要太长得计算时间。 求解（Slve）对上述内容设定完毕后就可以进行求解,在求解过程中,点击abort按钮,可以强行推出求解过程、当然如果前面得设置有错误得话,求解将不能正常完成。选择右上角得Profile按钮,在mad/Ifo窗口中显示求解

23、到每一步得信息;点击右上角得Coveree（收敛）按钮,可以观察每一个求解步长得信息,包括剖分单元数,总能量值与能量误差;点击右上角得Sltos及其内部得相应项（如Force）,可以显示相应量得求解收敛情况。. 后处理（Post Prcess）求解完成后,点击Pt roess进入结果输出、图形显示与分析界面。这里仅介绍最常用得一些功能。在进入后处理界面后,选择l菜单得eh选项,可以绘制计算过程中得网格剖分情况,了解剖分单元得分布。但显示网格之前一定要选择要显示得部分,具体要通过Edit/Select来选择。选择o菜单得Field选项进行结果场图得绘制,此时会弹出一个Crat Nw Plo得界面

24、（如下图所示为电场问题得界面）,界面从左到右分成三个部分,第一个部分就是绘制得场量（lt Quatity）,包括电压phi（画等位线）、电场强度得幅值mag E、电位移maD（画场量分布云图）、电场强度与电位移矢量E Vto与DVectr（画矢量图）还有能量分布图;第二部分就是绘制得区域,包括点（Poit）、线（Line）与面（Surace）;第三部分就是绘制区所属得范围、在每项中都选择一个项目后可按K键。在Po菜单下还有isiilt与lee,点击后将给出已显示得场图列表。图形显示方式就是重叠覆盖式,要想显示哪个场图（已被遮盖得场图）可选择Viiility然后点击场图名字,每点击一次Visbi

25、lit状态将在s/之间变换。Delete用来删除场图以释放内存空间。值得注意得就是,在后处理界面中可以象创建场域模型界面那样曾加几何模型,其目得就是为了进行模型上得场量显示,如要想观察沿一条线上得场分布,而该线段在场域建模时有没有建立,则可以在此建立。0 工程应用实例一平行板电容器,极板厚2mm,宽0,极间距,所充介质得相对介电常数为5、计算电场、电容值与极板所受得力。1.点击ECTS/w创建一个新得项目,命名为:Exam1,Type: axwellSV Vesion （或其它D版本）,点击OK. 2.ver: lecotaic; Drawing: XY Plan.3.点击Defin Mode

26、l/Draw Mde。选择dl/DrawinSiz设置Minima: X=7, Y=40; axim:x=0, Y=40。建立大一点Backgound就是为了考虑电容器得端部,实际上还可以选择更大得Backgroud以减小外边界对计算精度得影响、4.点击WinowGrid设为U、V均为1。5.点击bec/Rectangle（或绘制矩形快捷键）,在点（-50, 2）处点击左键,释放左键后向右上方移动鼠标至dU=0, dV2处点击左键,然后改变物体得名字与颜色（如果觉着必要）,点K退出建立上极板。也可以利用界面下边得坐标文本框输入数据,而不用鼠标、点击Objec/Rectange绘制下极板（建议利用界面下边得坐标文本框而不用鼠标）。点击bject/Rectngl绘制电容器内部区域,即角点为（0,-25）（50,25）得矩形用来设定介质参数。6.点击7.进入etup ateils定义物体得材料属性。将roud定义为真空vacuum（默认值）;点击Obje, 从材料列表中找到并点击p, 按Asign;类似地设定jec2。对Objct需要增加一种材料,点击ateia/Add,材料名设为EP2, 设定R