实用型工程软件的应用实验指导书.doc

实用型工程软件的应用实验指导书适用专业: 课程代码: 总 学 时: 16 总学分: 1 编写单位: 电气信息学院 编 写 人: 审 核 人: 审 批 人: 批准时间: 2013年 4 月 25日目 录实验一：工程电磁场有限元分析软件的学习和基本操作实验3实验二：静电场仿真实验18实验三：静磁场仿真实验25实验四：涡流场仿真实验36 电气信息专业实验中心实验一：工程电磁场有限元分析软件的学习和基本操作实验一、实验目的和任务1、学习软件Ansoft maxwell软件的使用基本方法； 2、学习软件的基本操作二、软件使用有关说明1、软件启动方法有两种：（1）、双击桌面“”（2）、从开始菜单进入。依次左击开始所有程序ansoftmaxwell15.0windows 32-bitmaxwell15.0(32-bit)，如下图所示2、创建一个新的工程（1）在Maxwell窗口中, 左键单击工具栏图标, 或选中菜单栏File New；（2）右键单击工程名, 然后选择弹出的快捷菜单栏rename项， 改变工程名为名称；（3）选中菜单栏Project Insert Maxwell 2D Design；（4）右键单击Maxwell2DDesign1，然后选择弹出的快捷菜单栏Rename项，修改工程下的设计名3、maxwell 2D界面环境Maxwell 2D操作界面如下图示，在菜单工具栏下，主要有六个工作区域。Maxwell 2D操作界面工程管理栏：可以管理一个工程文件中的不同部分或管理几个工程文件工程状态栏：在对某一物体或属性操作时，可在此看到操作的信息；工程信息栏：该栏显示工程文件在操作时的一些详细信息，例如警告提示，错误提示，求解完成等信息。工程进度栏：主要显示的是求解进度，参数化计算进度等，该进度信息通常会用红色进度条表示完成的百分比。工程树栏：在此可以看到模型中的各个部件及材料属性、坐标系统等关键信息，也方便用户对其进行分别管理。工程绘图区：用户可以在此绘制所要计算的模型，也可以在此显示计算后的场图结果和数据曲线等信息。绘图时带有笛卡尔坐标系和绘图网格，方便用户绘制模型。如果读者不小心在操作中将这几区域给关闭了，还可以在 View 菜单栏中将其对应项前的对号勾上，则对应的区域会从新显示出来。如图1-2 所示。View菜单下恢复操作区域Maxwell 2D的主要操作按钮如下图所示图(a)：从左至右分别为新建Maxwell 2D 工程，新建RMxprt 工程和新建Maxwell 3D 工程。图(b)：常用快捷按钮，有新建、打开、保存和打印等常用功能按钮。图(c)：常用视图操作按钮，有视图移动、旋转、缩放和全局视图等按钮。图 (d)：中所示的是常用绘图按钮，分为常用绘制线段、曲线、圆、圆弧和函数曲线按钮，以及常用绘制面的按钮，分为矩形面、圆面、正多边形面和椭圆面几个快捷按钮。图 (e)：是材料快捷按钮，在绘制模型前，可以点击下拉菜单事先选择好所绘模型的材料，方便按照材料进行模型绘制分组，软件默认的是真空材料。图(f):相对坐标系快捷按钮，对于永磁体充磁和特殊几何模型绘制时需要采用局部坐标系，通过使用快捷按钮可以将坐标系移动和旋转，从而生成新的局部坐标系。图(g):模型检测，求解和书写注释等按钮。在求解模型前，建议用户要先检测一下模型，看是否有错误和警告，以便在求解前排除问题，此外，还可以对所计算的模型书写备忘录，在大批量计算近似模型时，书写备忘录是个很不错的选择，方便用户查找和记录工程之间的差别。4、maxwell 2D模型绘制在下图所示的绘图菜单栏中，自上而下分别为绘制线段、绘制曲线、绘制圆弧和绘制函数曲线；绘制矩形面、绘制椭圆面、绘制圆面和绘制正多边形面域；沿路径扫描，插入已有模型；绘制面、绘制点；插入多段线等操作选项，最后灰色的按钮是创建域，多用来绘制求解域等。（1）曲线模型绘制在绘制曲线模型时，系统默认的是将封闭后的曲线自动生成面，如果用户不想让其自动生成面，可以在绘制曲线模型前，点击菜单栏中的Tools/Options/Modeler Options 项更改绘图设置，如下左图所示。单击Modeler Options 后，会自动弹出如下右图所示的界面。 在 Operation，Display，Drawing 三个选项中，选择第一Operation 选项，并将Polyline项下默认的Autimatically cover closed polyline 项前的对号去掉，去掉对号后，单击确定按钮退出，系统将不再对封闭的曲线强制生成面了例1、在笛卡尔坐标系画一个圆心（0,0）、半径为30mm的圆面，操作步骤：(1) Maxwell 2Dsolution type，弹出图示对话框（2）点击节“Geometry Mode:后面的下拉菜单，如图示（3）选取“Cartesian,XY”，点OK即可（4）DarwCircle点击坐标圆点或在右下面的坐标框输入0,0,0，然后回车，会出现dx，dy，dz对话框，分别输入30,0,0，回车即可，生成如下图所示例2、在笛卡尔坐标系画一个内半径为30mm、外半径为50mm的圆环（1）DarwCircle点击坐标圆点或在右下面的坐标框输入0,0,0，然后回车，会出现dx，dy，dz对话框，分别输入30,0,0，回车即可，生成Circle1（2）DarwCircle点击坐标圆点或在右下面的坐标框输入0,0,0，然后回车，会出现dx，dy，dz对话框，分别输入50,0,0，回车即可，生成Circle2（3）选中Circle1、Circle2（4）在绘图工作区右按右键，弹出图示工具条，依次移动光标到“EidtBooeanSubtract”（5）点击Subtract，弹出如下图所示对话框（6）交换Circel1和Circel2，如下图所示（7）点OK，即出现一个圆环面，如下图示例3、试用多种方法在2D中的XOY面内绘制一个如下图所示的面域，左下角顶点坐标为（0，0）法一：用line命令（1）Drawline；（2）在（x,y）输入（0,0）；（3）然后依次在（x，y）内输入(0，100)、回车；(50，100)、回车；(50，50)、回车；(100，50)、回车；(100， 0)、回车；(0，0)、回车。（4）再回车，即完成，如下图所示（5）点击绘图区，按ctrl+D，弹出图形合适窗口法二：用booleanUnite命令：可以绘制三个正方形或一个长方形和一个正方形作布尔加法运算，这里以长方形和正方形为例（1）Drawrectangle；（2）在（x,y）输入（0,0）,回车；（3）然后在（dx，dy）内输入(100，50)、回车，得到rectangle1；（4）Drawrectangle；（5）在（x,y）输入（0,50）,回车；（6）然后在（dx，dy）内输入(50，50)、回车，得到rectangle2；（7）点击绘图区，按ctrl+D，弹出图形合适窗口，得到如图所示（8）选中rectangle1和rectangle2；（9）右绘图工作区点击右键，弹出如下菜单（9）点击“Unite”，即完成法三 ：用booleanSubstract命令（1）Drawrectangle；（2）在（x，y）输入（0，0）,回车；（3）然后在（dx，dy）内输入(100，100)、回车，得到rectangle1；（4）Drawrectangle；（5）在（x，y）输入（50，50）,回车；（6）然后在（dx，dy）内输入(50，50)、回车，得到rectangle2；（7）点击绘图区，按ctrl+D，弹出图形合适窗口，得到如图所示（8）选中rectangle1、rectangle2（9）在绘图工作区右按右键，弹出图示工具条，依次移动光标到“EidtBooeanSubtract”（10）点击Subtract，弹出如下图所示对话框（11）点OK，即出现如下图示满足要求的图形例4、在2D中XOY面内绘制三叶玫瑰线，不使封闭曲线生成面域。其参数方程 方法：执行DrawEquation Based Curve命令，系统自动弹出参数曲线绘制窗口，如图示从上图可以看出，软件默认的参数变量为_t，在X、Y、Z 三个方向上都可以设置为_t的函数，而在Start_t 和End_t 中设置参数_t 的起始和终止范围，通过Points 项可以设置由多少个点组成该参数曲线，若设置为0 则表示由软件默认的点数组成，此时的曲线较为光滑，若该项设置过少则曲线将有多段直线组成。点击上图中X(_t)项后的按钮，则会弹出如下图所示界面。在上图中 X(t)=项后一栏为X 方向参数方程输入栏，可以在此直接输入关于_t 的参数方程。Insert Function 项是输入系统自带的内置函数，点击右侧的下拉箭头就可以看到非常丰富的内置函数，包括三角函数、反三角函数、取绝对值、求余、指数和对数等，基本满足常用计算需求。在下拉菜单里选择相应的函数，然后再点击Insert Function 按钮就可以直接将内置函数填入参数方程栏内。Insert Operator 项是插入数学运算和逻辑操作，在该下拉菜单中包括常用的与、或、非、点乘、叉乘等操作，同样先点击右侧的箭头，在从中选择相应的数学操作，然后单击Insert Operator 按钮即可。Insert Quantity 项是插入参数项，系统默认的参数名称为_t。在 X 向参数方程表达式中写入5*sin(3*_t)*cos(_t)，并点击OK 按钮退出设定界面。与之相似的是 Y(_t)项，点击上图中 Y(_t)栏后的按钮，在弹出的Y 方向参数方程对话框中输入5*sin(3*_t)*sin(_t)并点击OK 退出设定窗口。由于需要在 XOY 平面内绘制三叶玫瑰线，所以在Z 方向上可以设定为Y(_t)=0。同时，参数_t 的初始值设定为0，而终止值设定为PI，即实现在0 度至 弧度内绘制曲线。为了使曲线看起来更加光滑逼真，在Points 项中填写为0，由软件自动设置采样点个数。所有参数输入完毕后下图所示。注：如何将其生成面域？1、选中封闭曲线2、执行ModelerSurfaceCover lines命令，如下所示3、生成曲面，如下图示三、实验仪器、设备及材料计算机1台，Ansof Maxwell V15软件1套。四、重点和难点1、软件的基本操作；2、简单几何模型的建立；3、布尔运算五、实验内容1、熟悉从Ansoft Maxwell 软件启动的全过程，并写出详细操作步骤2、建立一个工程设计：项目名：shiyan1，设计名：自己姓名（拼音），内容：内半径为5mm、外半径为10mm的圆环面。3、在项目名：shiyan1下寻建立设计名：自己姓名1（拼音），内容：用多种方法建立如下图所示图形4、在项目名：shiyan1下寻建立设计名：自己姓名2（拼音），内容：在2D中XOY面内绘制三叶玫瑰线，不使封闭曲线生成面域。其参数方程 5、在项目名：shiyan1下寻建立设计名：自己姓名3（拼音），内容：平板电容器模型，上下两极板尺寸：25mm25mm2mm，极间距5mm。六、实验报告要求写出详细操作步骤七、实验注意事项在实验前要预习，熟悉Ansoft maxwell 的启动及基本操作方法。 电气信息专业实验中心实验二：静电场仿真实验一、实验目的和任务1、学习软件Ansoft maxwell V15软件的使用方法； 2、学习静电场相关的基本理论；3、学习场处理器中计算器的使用；4、通过对电容进行仿真实验分析，进一步熟悉Ansoft maxwell 15软件的应用。二、静电场相关理论从本质上讲电磁场的数值方法可分为两大类：场域分割法，包括有限差分法和有限元法；等效源法，包括边界元法、表面电荷法和模拟电荷法。由于有限元法适用于有边界的、多层介质、边界形状比较复杂的电场问题的计算，且通用性强，计算精度比较高。结合电容分压环的实际情况，采用有限元方法进行数值计算。为此选用Ansoft公司的有限元软件包Maxwell 软件对电容分压环建立有限元模型，对其电场和高、低压臂电容进行计算。对于电容分压环，采用有限元法的好处在于：首先，有限元算法的系数矩阵对称、正定且具有稀疏性，采用非零元素压缩存贮解有限元方程，可节约大量的计算机内存和CPU时间；其次，电容分压环由多种材料组成，有较多媒质交界面，采用有限元法计算时，第二类边界条件和不具有面电流密度的媒质交界条件可不作任何处理；第三，有限元法的网格几何剖分灵活。在二维静电场中，电荷作为源，在它的周围产生电场，并且通过电场给其他电荷以作用力。空间中相对于观察者静止的电荷所产生的电场为静电场。静电场的问题大体可以分为两类。一类是已知电荷分布，直接求解区域的电场强度和电位，这属于分布问题，这类问题可以通过库仑定律和高斯定理直接求解。但是，更多、更有实际意义的却是另一类问题边值型问题。它是已知边界上(如导体表面，介质分界面等)的电位、电荷(或位函数在边界上的法向导数)等条件，求解区域的电场和电位。静电场满足的基本方程就是泊松方程和拉普拉斯方程，静电场边值问题的定解就是拉普拉斯方程或泊松方程满足给定边界条件时的解。A. 静电场求解方程的导出静电场是有源无旋场，maxwell方程组及本构关系为 （1） （2） （3）对于式（3），由矢量恒等式可知，如果一个矢量场的旋度为零，那么该矢量场可以表示为一个标量场的梯度，由此引入标量电势，即 (3.4)这里的负号表示电场方向指向电势下降最快的方向。其中，E是电场强度；D是电位移矢量，也称为电通密度；是标量电势；为电荷密度；为材料的介电常数。将式（3）和式(4)代入式（2）有 （5）式（5）是Maxwell 2D静电场求解器进行有限元求解所使用的基本方程。B. 电容求解简单地说，电容表示某一结构中储存的静电能量的表达式为 （6）从而，电容的计算公式为 （7）（1）与电荷和电压相关的电容电容矩阵表示导体组的电压和电量之间关系。对于图1所示的3个导体组成的系统，有Conductor1Conductor3Conductor2C10C20C12C13C23C30图1 三个导体组成的系统 （8）令 （9）则式（8）可以写成 （10）上面电容矩阵给出了三个接地导体电量和电压之间的关系，电容矩阵为维，如果有n个导体，那么电容矩阵将为维。如果导体1施加1V电压，导体2、3施加0V电压，电容矩阵式（8）变为 （11）矩阵中对角线上的元素是一个导体相对于其他导体电容的总和，这些项表示导体的电容。在数值上等于一个导体施加1V电压，其他导体接地时，该导体上的电量为 （12）非对角线上的元素（如）在数值上等于系统中一个导体施加1V电压，在其他导体上感应的电荷量。举例来说，其数值等于导体1施加1V电压，其他导体接地，也就是在导体2上感应的电荷量。非对角线上元素是相关两个导体间电容的相反数。矩阵中的第一列表示导体1和其他两个导体的电容；第二列表示导体2和其他两个导体的电容，依此类推。（2）与电流和时变电压相关的电容 电容也可以表示图2所示的导体系统中电流与时变电压的关系。图2 具有时变电压的3个导体系统时变电压源在每条线上产生的电流与电压具有以下关系 （13）上式中如果设定和为零，则关系式变为 （14）当时变电压源作用在线1上，在线2和3上有感应电流。（3）电容矩阵的计算2D静电场求解器通过一系列的静电模拟来计算某一结构的电容矩阵。在每一次场模拟过程中，给一个导体施加1V电压，其他导体接地。因此对于一个包含n个导体的系统，自动进行n次电场模拟。两个导体i和j的电容可以通过下式获得 （15）式中，为导体i和j之间的静电储能；是作用在导体i上1V电压产生的电通密度；是作用在导体j上1V电压产生的电场强度。（4）简单电容器的计算方法平行板电容器设极板内表面的面积为S，两极板的距离为d，其间充满相对介电常数为的电介质，两极板间电容为，表明电容只取决于电容器的结构。圆柱形电容器设内外圆柱电极面的半径分别为R1和R2，圆柱长为L，两柱面之间充满相对介电常数为的电介质，忽略边缘效应，认为电容器是无限长同轴上的一段，圆柱形电容器的电容为。同心导体球壳设内外球壳电极的半径分别为R1和R2，中间充满相对介电常数为的电介质，其同心导体球壳电容器的电容为孤立导体孤立导体：对于一个孤立导体，可以认为它与无限远处的另一导体组成一个电容器。这样的电容器的电容叫做这个导体的孤立电容。比如，对一个空气中的半径为R的孤立导体可以认为它与一个半径为无穷大的同心导体球壳组成一个电容器。假设孤立导体球带电荷Q，则该导体与无限远处的电位差为：，得到。（5）电容的串、并联对于一个电容器，当内部分层和分块填充不同介质时，可等效为电容器的串联或并联计算总电容，如图所示。 （a）等效为两个平行板电容器串联 （b） 等效为两个平行板电容器并联 （c）等效为两个圆柱电容器串联 （d）等效为两个圆柱电容器并联 三、实验仪器、设备及材料计算机1台，Ansof Maxwell 软件1套。五、重点和难点1、进一步学习Ansoft maxwell软件；2、几何模型的建立、材料属性的指定或生成、源及边界条件的定义；3、电容的仿真计算4、后处理分析。六、实验步骤1、在XY坐标系构建一个平板电容器：极板厚度为2mm，宽度50mm，材料为理想导体；极板间距5mm；