MAXWELL2D3D使用说明.docx

1、MAXWELL2D3D使用说明Ansoft Maxwell 2D/3D 使用说明第1章 Ansoft 主界面控制面板简介第2章 二维（2D）模型计算的操作步骤2.1 创建新工程 22.2 选择求解问题的类型 32.3 创建模型（Define Model） 42.4 设定模型材料属性（Setup Materials） 62.5 设定边界条件和激励源（Setup Boundaries/Sources） 82.6 设定求解参数（Setup Executive Parameters） 92.7 设定求解选项（Setup Solution Options） 102.8 求解(Solve) 102.9 后

2、处理（Post Process） 112.10 工程应用实例 12第3章 三维（3D）模型计算的操作步骤3.1 建模 143.2 定义材料属性 173.3 加载激励和边界条件 183.4 设置求解选项和求解 183.5 后处理 183.6 补充说明 183.7 例1 两电极电场计算 183.8 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4.1 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 Ansoft 主界面控制面板简介在Windows下安装好Ansoft软件的电磁场计算模块Maxwell之后，点击Windows的“开始”、“程序”项中的Ansoft、M

3、axwell Control Panel，可出现主界面控制面板（如下图所示），各选项的功能介绍如下。1.1 ANSOFT 介绍Ansoft公司的联系方式，产品列表和发行商。1.2 PROJECTS创建一个新的工程或调出已存在的工程。要计算一个新问题或调出过去计算过的问题应点击此项。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。1.3 TRANSLATORS 进行文件类型转换。点击后进入转换控制面板，可实现： 1. 将AutoCAD格式的文件转换成Maxwell格式。2. 转换不同版本的Maxw

4、ell文件。1.4 PRINT 打印按钮，可以对Maxwell的窗口屏幕进行打印操作。1.5 UTILITIES 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（2D）模型计算的操作步骤2.1 创建新工程选择Mexwell Control Panel (Mexwell SV)启动Ansoft软件点击PROJECTS打开工程界面（如图2.1所示）点击New进入新建工程面板（如图2.2所示）。在新建工程面板中为工程命名（Name），选择求解模块类型（如Maxwell 2D, Maxwell 3D, Maxwell SV等）。Maxwell SV为Student Version即学生

5、版，它仅能计算二维场。在这里我们选择Maxwell SV version 9来完成二维问题的计算。图2.1 工程操作界面图2.2 新建工程界面2.2 选择求解问题的类型上一步结束后，建立了新工程（或调出了原有的工程），进入执行面板（Executive Commands）如图2.3所示。面板的左边是一系列的执行菜单，在接下来的求解过程中将顺次执行它们（前面的菜单没有正确执行时后面的菜单为灰色，不能执行）。第一步，选择求解器（Solver），点击后会出现场类型选项，包括静电场（Electrostatic），稳恒磁场（Magnetostatic）和正弦时变涡流场（Eddy Current）等。选择用

6、户要求解的问题类型。第二步，选择求解区域几何类型（Drawing），包括平行平面场（XY Plane）和轴对称场（RZ Plane）。对于场域模型创建模块（Define Model），设定模型材料属性模块（Setup Materials），设定边界条件与激励源模块（Setup Boundaries/Sources），设定执行参数模块（Setup Executive Parameters），设定求解参数模块（Setup Solution Options），求解模块（Solver）与后处理模块（Post Process）将在下面分别详细说明。图2.3 执行面板（Executive Commands

7、）2.3 创建模型（Define Model）点击Define Model选项，进入模型绘制面板（2D Modeler）如图2.4所示。图2.4：模型绘制面板（2D Modeler）2.3.1 模型绘制命令项介绍File创建新文件（New）或调出已有文件（Open）及保存几何模型文件（Save）；导入和导出其他格式文件（Import）；设置打印选项（Print Setup）；打印（Print）；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

8、编辑，包括选择对象（Select）和取消选择（Deselect）、剪切（Cut）、复制（Copy）和粘贴（Paste）、删除（Clear）；定义对象属性（Attributes）；控制对象的可见性（Visibility）等。复制功能可以沿坐标轴、线或对称面复制对象。Reshape 修改物体的形状。包括对选中的物体进行按比例大小缩放（Scale Selection）；对定义圆弧的线段数进行重新设置（Edge-Number of Segments）（在画圆弧时已进行了定义）。圆弧线段的长度应小于有限元网格相应边界单元的边长，否则会带来较大的计算误差。因此，应定义较多的圆弧线段数（如对于圆周最好设18

9、0段）。Boolean 不同物体之间的运算，包括合并（Union）、相减（Subtract）（如形成一个圆环可以通过两个圆相减得到）、相交（Intersect）等操作。Arrange 模型排列，包括移动（Move），旋转（Rotate），镜像（Mirror），同时可以重新定义模型尺度，即变换模型大小。Object 选择物体模型绘制类型，包括：直线或折线（Polyline，双击鼠标结束画线）、圆弧（Arc）、由点定义的光滑曲线（Spline）、矩形（Rectangle）、圆（Circle）。Model 模型绘制参数设置与调整，包括距离测量（Measure）、绘图量纲（Drawing Units）

10、、绘图板大小定义（Drawing Sizes）、画笔捕捉设定（Snapto Mode）、颜色与文字大小默认值设定（Defaults）。Window 绘图窗口显示与坐标处理等，包括显示缩放（Change View - Zoom in, out）、坐标平移或旋转（Coordinate System）、绘图界面网格设置（Grid）、填充封闭区域（Fill Solids）。Help 提供在线帮助。2.3.2 板面快捷工具功能介绍工具条图2.5为快捷工具条的图标，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

11、体属性（包括显示物体的端点和给物体定位）、测量（包括显示所选两点的坐标与距离，两点连线与水平线的夹角）、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2.5：快捷工具条绘图区绘图区是绘制物体的区域。可以利用Window命令项中的Cascade-Subwindows选项打开多个绘图区窗口。可以调整这些窗口的位置和布局，也可以对每个窗口进行放大或缩小等操作，而其他窗口中的物体保持不变，此功能可以用来从不同的视角观察绘图区域，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的底部，显示鼠标所在位置的坐标值，其主要用途是在建模工程中直接输入

12、坐标或几何尺寸，这是建模的一个常用的办法。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的数据。注意数据输入后按Enter健生效。信息栏信息栏位于“状态栏”的上面，用来提示应进行的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：MOUSE LEFT: Select first corner point of rectangle（按鼠标左健选择（确定）矩形的第一个角点）， MOUSE RIGHT: Abort command（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U、V（X、Y）数据栏

13、中输入数据后按Enter健，信息栏显示：MOUSE LEFT: Select second corner point of rectangle （选择矩形的第二个角点），此时在dU、dV数据栏中输入矩形的宽和高按Enter健便可建立矩形。2.3.3 建模的基本操作程序小结（1） 选择Model/Drawing Plane命令，设置模型的绘制平面。选项中包括XY Plane和RZ Plane.（2） 选择Model/Drawing Size重新定义模型区域的大小。（3） 选择Model/Drawing Units来定义模型所用的单位。（4） 创建模型。建议通过画直线和圆弧来完成场域边界的建立。（

14、5） 需要的时候，利用Edit,Reshape和Arrange菜单命令修改你所建立的模型。（6） 在建立模型的过程中也可以调用Window菜单命令新建子面板，用于模型细节或其他方面的建模。（7） 保存所建立的模型，退出模型绘制面板。2.4 设定模型材料属性（Setup Materials）2.4.1 界面介绍模型材料界面分为4块（如下图所示），左上部为物体(object)和已定义的材料名(Material)列表。尚未定义的材料名为UNASSIGNED，场域背景(Background)默认设定材料为真空(Vacuum)。左下部分为Ansoft给定的或用户加入的材料库(Material)，右上部分

15、为模型图，右下部分为材料的具体参数。2.4.2 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“Assign”即可完成该物体的材料属性设定。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，然后再设定物体的材料属性。填加新材料到材料库中的步骤如下。（1） 选择Material中的Add（2） 在Material Properties下面的文本框内填入材料名。 （3） 如果需要，可选择材料名文本框下面的Perfect Conductor（良导体）， Anisotropic Material（各向异性材料）或B-H Nonlinea

16、r Material（非线性磁材料）。（4） 在材料属性参数栏中输入具体的材料属性值，包括Rel. Permittivity (相对介电常数)，Conductivity (电导率，西门子/米)，Elec. Coercivity (电矫顽力)，Elec. Retentivity (电记忆力)，Polarization (电极化强度)。对磁场计算还有Rel. Permeability相对磁导率，Magnetic Coercivity磁矫顽力，Magnetic Retentivity磁记忆力，Magnetization 磁化强度。（5） 对非线性材料，点击B-H Curve按钮，定义材料的B-H曲线

17、。（6） 对于材料的属性，也可以用函数的方法赋值，具体做法是点击Functions按钮，在弹处的对话框中输入函数的名称和表达式，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Enter。模型材料定义界面2.4.3 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的。一种典型的情况是，对于一个闭合的场域问题（如由第一类边界包围的一个电场区域）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：选择要排除的物体，点击Exclude。可Include来恢复物体。2.5 设定边界条件和激励源（Setup Boundaries/Sources

18、）2.5.1 界面介绍边界条件和激励源的界面如下图所示，左侧为已经设定的边界激励条件（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的赋值区域。2.5.2 基本操作步骤1. 选择要赋值的边界或物体，方法：点击Edit/Select/Edge（Object/By 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是激励源，方法：点击Assign/Boundary/Value设置边界值、Boundary/Symmetry设置对称边界值、Boundary/Balloon设置开域场边

19、界，Assign/Source/Solid设置激励源（电荷或电流）。Symmetry设置对称边界值分为奇对称(Odd)和偶对称(Even)。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，电场问题为电位的法向导数或电场强度的法向分量为零，磁场问题为磁场强度的切向为零或磁力线垂直于对称边界。如对于下图所示的一个电场问题，设大圆边界电位值为10V，小圆为5V，左侧边界(Edge)为奇对称，其它三条边界设为Balloon。电位分布如图所示。从电位结果可以看出，实际问题是左侧有一个对称模型，但大圆电位值-10V，小圆为-5V。3. 键入边界或激励数

20、值。也可以用函数赋值，具体做法与上面讲到的用函数设定模型材料属性的方法类似。4. 点击Assign保存设置并退出。然后点击File/Exit/Yes退出界面。2.5.3 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. 对于包含在其他物体内部的物体，用鼠标点击不能进行选择时，可以利用Edit/Visibility隐藏外面的物体，然后再选择；但最好是利用物体的名称(By Name)进行选择。3. 对于背景(Background)，也可以和其他物体一样处理，可以单独选择它的各个边(Edge)，也可以作为整体(Object)选择，根据不同的情况加载不同的边界条件。4

21、. 要想改变已设定过的边界或物体，应先删除原来的设定，即在界面左侧的列表中选中物体名然后按Del键。2.6 设定求解参数（Setup Executive Parameters）该步骤用来完成以下几个集总参数的求解设定。1. 施加在一个物体或一组物体上的电磁力 (Force)。2. 施加在一个物体或一组物体上的力矩 (Torque)。3. 电容、电感、电阻值，对于多个物体给出分布参数矩阵(Matrix)。4. 铁心损耗 (Core Loss)5. 磁链 (Flux Lines)设定方法或过程为：首先点击Setup Executive Parameters下相应的参数项进入设定面板，然后选择所要计

22、算的物体。例如，若模型中有5个物体，想要计算所有物体间的电容，则应全部选定，也可仅选其中的2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的受力（力矩），也可以先创建一个group，然后选择此group包含的物体，以实现合力（力矩）的计算。选择一个物体后要按右下角的Include Selected Objects: Yes，然后物体列表中的名字后变为Yes。2.7 设定求解选项（Setup Solution Options）该部分可以设置网格剖分、方程求解精度和求解方法等。Ansoft具有网格自适应功能，这是该软件的一大优点，自适应技术可以实现网格单元的合理分布，从而可以

23、提高计算精度。自适应网格细分是一个迭代过程，程序先生成一个单元较少的初始(Initial)网格网格，然后计算场量，根据场量分布细分一些区域的网格，然后再计算场，依次循环。该部分的具体内容如下。1. Starting Mesh: 自适应迭代过程的起始网格。该选项的第一部分为设置迭代过程是从初始网格开始(Initial)，还是从已经迭代计算过的当前网格开始(Current)。很显然，设置为Current是在上次已计算结果的基础上继续迭待，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。该选项的第二部分为人工网格处理(Manual Mesh)，点击

24、该项后进入网格处理界面，其中最常用的功能是网格细分(Refine)，利用该命令可以实现点(Point)、面(Area)、物体(Object)的网格细分，选择Point后光标变为十字，然后按左键便细分光标附近的网格，按Area后光标也变为十字，按一下左键后拖拉鼠标到一个位置再按一次左键定义一个矩形区域，区域内的网格将被细分。2. Solver Residual: 方程求解器余量误差控制，一般利用默认值1e-5即可。3. Solver Choice: 求解器计算方法选择，一般选自动(Auto)方式即可。4. Solve for: 求解目的。计算场Fields，计算参数Parameters（上一步设

25、定求解参数时所设定的内容，如电容，电感，电阻，力，力矩等）。5. 是否要利用自适应技术，若是则选中Adaptive Analysis。然后要设定每部细分百分数或每步约增加的单元百分数(Percent refinement per pass)，一般设定30%为亦；设定自适应迭代终止判据或控制参量(Stopping Criterion)，要求的总步数(Number of required passes)和误差百分数(Percent error)。该误差只是相邻两次迭代的总能量计算误差，并不表示场量的计算误差。一般应设定一个较下的数值（如0.01），然后有迭代次数控制终止，因次数和误差只要一个条件满

26、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的计算时间。2.8 求解(Solve)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。当然如果前面的设置有错误的话，求解将不能正常完成。选择右上角的Profile按钮，在Command/Info窗口中显示求解到每一步的信息；点击右上角的Convergence（收敛）按钮，可以观察每一个求解步长的信息，包括剖分单元数，总能量值和能量误差；点击右上角的Solutions及其内部的相应项(如Force)，可以显示相应量的求解收敛情况。2.9 后处

27、理（Post Process）求解完成后，点击Post Process进入结果输出、图形显示和分析界面。这里仅介绍最常用的一些功能。在进入后处理界面后，选择Plot菜单的Mesh选项，可以绘制计算过程中的网格剖分情况，了解剖分单元的分布。但显示网格之前一定要选择要显示的部分，具体要通过Edit/Select来选择。选择Plot菜单的Field选项进行结果场图的绘制，此时会弹出一个Create New Plot的界面（如下图所示为电场问题的界面），界面从左到右分成三个部分，第一个部分是绘制的场量(Plot Quantity)，包括电压phi（画等位线）、电场强度的幅值mag E、电位移mag D

28、（画场量分布云图）、电场强度和电位移矢量E Vector和D Vector（画矢量图）还有能量分布图；第二部分是绘制的区域，包括点(Point)、线(Line)和面(Surface)；第三部分是绘制区所属的范围。在每项中都选择一个项目后可按OK键。在Plot菜单下还有Visibility和Delete，点击后将给出已显示的场图列表。图形显示方式是重叠覆盖式，要想显示哪个场图（已被遮盖的场图）可选择Visibility然后点击场图名字，每点击一次Visibility状态将在Yes/No之间变换。Delete用来删除场图以释放内存空间。值的注意的是，在后处理界面中可以象创建场域模型界面那样曾加几何

29、模型，其目的是为了进行模型上的场量显示，如要想观察沿一条线上的场分布，而该线段在场域建模时有没有建立，则可以在此建立。2.10 工程应用实例一平行板电容器，极板厚2mm，宽100mm，极间距50mm，所充介质的相对介电常数为5。计算电场、电容值和极板所受的力。1. 点击PROJECTS/New创建一个新的项目，命名为：Example1，Type: Maxwell SV Version 9 (或其它2D版本)，点击OK. 2. Solver: Electrostatic; Drawing: XY Plane.3. 点击Define Model/Draw Model。选择Model/Drawing

30、 Size设置Minima: X=-70, Y=-40; Maxima: x=70, Y=40。建立大一点Background是为了考虑电容器的端部，实际上还可以选择更大的Background以减小外边界对计算精度的影响。4. 点击Window/Grid设为dU、dV均为1。5. 点击Object/Rectangle (或绘制矩形快捷键)，在点(-50, 25)处点击左键, 释放左键后向右上方移动鼠标至dU=100, dV=2处点击左键，然后改变物体的名字和颜色（如果觉着必要），点OK退出建立上极板。也可以利用界面下边的坐标文本框输入数据，而不用鼠标。点击Object/Rectangle绘制下极板（建议利用界面下边的坐标文本框而不用鼠标）。点击Object/Rectangle绘制电容器内部区域，即角点为(-50,-25)(50,25)的矩形用来设定介质参数。6. 点击File/Exit/Yes7. 进入Setup Materials定义物体的材料属性。将background定义为真空vacuum（默认值）；点击Object1, 从材料列表中找到并点击Copper, 按Assign；类似地设定Object2。对Object3需要增加一种