ANSYS关于电场分析步骤及例子

ANSYS 关于电场分析的步骤和例子 电场分析要计算的典型物理量有 电场 电流密度 电荷密度 传导焦耳热 纯电场分析 包括 稳态电流传导分析 静电场分析 电路分析 静电场的分析基础是泊松方程 主要的未知量 节点自由度 是标量电位 电压 可用于电场分析的单元可用于电场分析的单元 表 1 传导杆单元 单元单元维数维数形状或特性形状或特性自由度自由度 LINK683 D 单轴 2 节点温度和电压 表 2 2 D 实体单元 单元单元维数维数形状或特性形状或特性自由度自由度 PLANE672 D 四边形 4 节点温度和电压 PLANE1212 D 四边形 8 节点电压 表 3 3 D 实体单元 单元单元 维维 数数 形状或特形状或特 性性 自由度自由度使用注意使用注意 SOLID53 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 单元单元维数维数形状或特性形状或特性自由度自由度 SHELL1573 D 四边形壳 4 节点温度和电压 表 5 特殊单元 单元单元维数维数形状或特性形状或特性自由度自由度 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 单元单元 维维 数数 形状或特性形状或特性自由度自由度 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 表 7 带电压自由度单元的反作用力 ElementElement KEYOPTKEYOPT 1 1 DOFsDOFs MaterialMaterial PropertyProperty InputInput forfor VOLTVOLT DOFDOF ReactionReaction ForceForce PLANE67 N ATEMP VOLTRSVX RSVY Electric Current Flabel AMPS LINK68N ATEMP VOLTRSVX Electric Current Flabel AMPS SOLID69 N ATEMP VOLTRSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS SHELL157 N ATEMP VOLTRSVX RSVY Electric Current Flabel AMPS PLANE53 1VOLT AZRSVX RSVY Electric Current Flabel AMPS 1 AX AY AX VOLT SOLID97 4 AX AY AZ VOLT CURR RSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS SOLID117 1AZ VOLTRSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS PLANE121 N AVOLTPERX PERY Electric Charge Flabel CHRG SOLID122 N AVOLTPERX PERY PERZ Electric Charge Flabel CHRG SOLID123 N AVOLTPERX PERY PERZ Electric Charge Flabel CHRG SOLID127 N AVOLTPERX PERY PERZ Electric Charge Flabel CHRG SOLID128 N AVOLTPERX PERY PERZ Electric Charge Flabel CHRG CIRCU124 0 12 VOLT CURR EMF N A Electric Current Flabel AMPS CIRCU125 0 or 1VOLTN A Electric Current Flabel AMPS TRANS126 N A UX VOLT UY VOLT UZ VOLT N A Electric Current Flabel AMPS 6VOLT AZRSVX RSVY Electric Current Flabel AMPS PLANE13 7 UX UY UZ VOLT PERX PERY Negative Electric Charge Flabel AMPS RSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS 0 UX UY UZ TEMP VOLT MAGPERX PERY PERZ Negative Electric Charge Flabel AMPS 1 TEMP VOLT MAG RSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS 3 UX UY UZ VOLT PERX PERY PERZ Negative Electric Charge Flabel AMPS SOLID5 9VOLTRSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS RSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS 0 UX UY UZ TEMP VOLT MAGPERX PERY PERZ Negative Electric Charge Flabel AMPS 1 TEMP VOLT MAG RSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS 3 UX UY UZ VOLT PERX PERY PERZ Negative Electric Charge Flabel AMPS SOLID98 9VOLTRSVX RSVY RSVZ Electric Current Flabel AMPS SOLID62 N A UX UY UZ AX AY AZ VOLT RSVX RSVY RSVZ Electic Current Flabel AMPS INFIN110 1VOLTPERX PERY Electric Charge Flabel CHRG INFIN111 2VOLTPERX PERY PERZ Electric Charge Flabel CHRG 稳态电流传导分析简介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 稳态电流传导分析的步骤稳态电流传导分析的步骤 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 1 建立模型建立模型 建立模型 定义工作文件名和标题 命令 FILNAME TITLE GUI Utility Menu File Change Jobname Utility Menu File Change Title 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 Main Menu 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 2 加载并求解加载并求解 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 进入进入 SOLUTIONSOLUTION 处理器处理器 命令 SOLU SOLU GUI Main Menu Solution 定义分析类型定义分析类型 作下列任何一个操作 在 GUI 方式下 选择路径 Main Menu Solution New Analysis 并选择 Static 分 析 如果是一个新的分析 执行下列命令 ANTYPE static newANTYPE 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 ANTYPEANTYPE 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 定义分析选项定义分析选项 选择方程求解器 系统缺省使用 Frontal 求解器 命令 EQSLVEQSLV GUI Main Menu Solution Analysis Options 加载加载 电流电流 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 F GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Excitation Current 电压电压 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 D GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Excitation Charge 备份数据 备份数据 用工具条中的 SAVE DBSAVE 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 RESUMERESUME GUI Utility Menu File Resume Jobname db 开始求解开始求解 命令 SOLVESOLVE GUI Main Menu Solution Current LS 施加其它载荷条件施加其它载荷条件 如果希望进行其他加载情况的计算 可以从这里再按照上述步骤操作即可 完成求解完成求解 命令 FINISHFINISH GUI Main Menu Finish 观看结果观看结果 ANSYS 把结果文件写入 Jobename RST 中 数据有 主数据主数据 节点电压 VOLT 导出数据导出数据 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 POST1 GUI Main Menu General Postproc 在在 POST1 中读结果中读结果 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 SETSET 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 SETSET TIMETIME GUI Utility Menu List Results Load Step Summary 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 ETABLEETABLE GUI Main menu General Postproc Element Table Define Table 命令 PLETABPLETAB GUI Main menu General Postproc Plot Results Elem Table Main menu General Postproc Element Table Plot Elem Table 命令 PRETAB GUI Main menu General Postproc List Results List Elem Table Main menu General Postproc Element Table Elem Table Data 等值线显示 命令 PLESOL PLNSOL GUI Main menu General Postproc Plot Results Element Solution Main menu General Postproc Plot Results Nodal Solu 矢量 箭头 显示 命令 PLVECTPLVECT GUI Main menu General Postproc Plot Results Predifined GUI Main menu General Postproc Plot Results User Defined 列表显示 命令 PRESOL PRESOL PRNSOL PRNSOL PRRSOLPRRSOL GUI Main menu General Postproc List Results Element Solution Main menu General Postproc List Results Nodal Solu Main menu General Postproc List Results Reaction Solu 其他后处理 请参见 ANSYS 基本过程手册 电流传导分析的其他例题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 静电场分析 静电场分析 h 方法 方法 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 h 方法静电场分析中所用单元方法静电场分析中所用单元 表 1 二维实体单元 单元单元维数维数形状或特征形状或特征自由度自由度 PLANE1212 D 四边形 8 节点每个节点上的电压 表 2 三维实体单元 单元单元维数维数形状或特征形状或特征自由度自由度 SOLID1223 D 砖形 六面体 20 节点每个节点上的电压 SOLID1233 D 砖形 六面体 20 节点每个节点上的电压 表 3 特殊单元 单元单元维数维数形状或特征形状或特征自由度自由度 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 INFIN1102 D 4 或 8 节点 每个节点 1 个 磁矢量位 温度 或电位 INFIN1113 D 六面体 8 或 20 节点 AX AY AZ 磁矢势 温度 电势 或磁标量势 INFIN92 D 平面 无界 2 节点 AZ 磁矢势 温度 INFIN473 D 四边形 4 节点或三角 形 3 节点 AZ 磁矢势 温度 h h 方法静电场分析的步骤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 建模建模 定义工作名和标题 命令 FILNAME TITLE GUI Utility Menu File Change Jobname Utility Menu File Change Title 如果是 GUI 方式 设置分析参考框 GUI Main Menu Preferences Electromagnetics Electric 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 MKSV 制电参数换算系数和 MKS 制到 MSVfA 制电参数换算系数表 表 4 MKS 制到 MKSV 制电参数换算系数表 电参数MKS 制量纲乘数 MKSV 制量纲 电压V kg m 2 A s 31V kg m 2 pA s 3 电流AA1012pApA 电荷C A s 1012pC pA s 导电率S m A 2 s 3 kg m 3106pS m pA 2 s 3 kg m 3 电阻率 m kg m 3 A 2 s 310 6T m kg m 3 pA 2 s 3 介电常数 1F m A 2 s 4 kg m 3106pF m pA 2 s 2 kg m 3 能量J kg m 2 s 21012pJ kg m 2 s 2 电容F A 2 s 4 kg m 21012pF pA 2 s 4 kg m 2 电场V m kg m s 3 A 10 6V m kg m s 3 pA 通量密度C m 2 A s m 21pC m 2 pA s m 2 自由空间介电常数等于 8 0854E 6pF m 表 5 MKS 制到 MSVfA 制电参数换算系数表 电参数MKS 制量纲乘数 MSVfA 制量纲 电压V kg m 2 A s 31V g m 2 fA s 3 电流AA1015fAfA 电荷C A s 1015fC fA s 导电率S m A 2 s 3 kg m 3109fS m fA 2 s 3 g m 3 电阻率 m Kg m 3 A 2 s 310 9 g m 3 fA 2 s 3 介电常数F m A 2 s 4 kg m 3109fF m fA 2 s 2 g m 3 能量J kg m 2 s 21015fJ g m 2 s 2 电容F A 2 s 4 kg m 21015fF fA 2 s 4 g m 2 电场V m kg m s 3 A 10 6V m g m s 3 fA 通量密度C m 2 A s m 2103fC m 2 fA s m 2 自由空间介电常数等于 8 0854E 3fF m 加载荷和求解加载荷和求解 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 进入求解处理器进入求解处理器 命令 SOLU SOLU GUI Main Menu Solution 定义分析类型定义分析类型 选择下列方式之一 GUI 选菜单路径 Main Menu Solution New Analysis 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 ANTYPEANTYPE STATICSTATIC RESTREST 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 定义分析选项定义分析选项 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 Main Menu Solution Analysis Options 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 加载加载 静电分析中的典型载荷类型有 14 3 2 4 114 3 2 4 1 电压 电压 VOLTVOLT 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 Main Menu Solution Loads Loads Apply Electric Boundary Voltage 电荷密度 电荷密度 CHRGCHRG 命令 F GUI Main Menu Solution Loads Loads Apply Electric Excitation Charge On Nodes 面电荷密度 面电荷密度 CHRGSCHRGS 命令 SF GUI Main Menu Solution Loads Loads Apply Electric Excitation Surf Chrg Den Maxwell 力标志 力标志 MXWF 这并不是真实载荷 只是表示在该表面将计算静电力分布 MXWF 只是一个标志 通常 MXWF 定义在靠近 空气 电介质 交界面的空气单元面上 ANSYS 使用 Maxwell 应力张量法 计算力并存储在空气单元中 在通用后处理器中可以进行处理 命令 FMAGBC GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Flag Maxwell Surf option 无限面标志 无限面标志 INFINF 这并不是真实载荷 只是表示无限单元的存在 INF 仅仅是一个标志 命令 SF GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Flag Infinite Surf option 体电荷密度 体电荷密度 CHRGDCHRGD 命令 BF BFE GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Excitation Charge Density option 另外 还可以用命令 BFLBFL BFLBFL BFVBFV 等命令分别把体电荷密度加到实体模型的线 面 和体上 定义载荷步选项定义载荷步选项 对于静电分析 可以用其它命令将载荷加到电流传导分析模型中 也能控制输出选项 和载荷步选项 详细信息可参见第 16 章 分析选项和求解方法 保存数据库备份保存数据库备份 使用 ANSYS 工具条的 SAVE DB 按钮来保存一个数据库备份 在需要的时候可以恢复模 型数据 命令 RESUME GUI Utility Menu File Resume Jobname db 开始求解开始求解 命令 SOLVE GUI Main Menu Solution Current LS 结束求解结束求解 命令 FINISH GUI Main Menu Finish 观察结果观察结果 ANSYS 和 ANSYS Emag 程序把静电分析结果写到结果文件 Jobname RST 中 结果中包括 如下数据 主数据主数据 节点电压 VOLT 导出数据导出数据 节点和单元电场 EFX EFY EFZ EFSUM 节点电通量密度 DX DY DZ DSUM 节点静电力 FMAG 分量 X Y Z SUM 节点感生电流段 CSGX CSGY CSGZ 通常在 POST1 通用后处理器中观察分析结果 命令 POST1 GUI Main Menu General Postproc 对于整个后处理功能的完整描述 见 ANSYS 基本分析过程指南 将所需结果读入数据库 命令 SET TIME GUI Utility Menu List Results Load Step Summary 如果所定义的时间值处并没有计算好的结果 ANSYS 将在该时刻进行线性插值计算 对于线单元 LINK68 只能用以下方式得到导出结果 命令 ETABLE GUI Main Menu General Postproc Element Table Define Table 命令 PLETAB GUI Main Menu General Postproc Plot Results Elem Table Main Menu General Postproc Element Table Plot Elem Table 命令 PRETAB GUI Main Menu General Postproc List Results List Elem Table Main Menu General Postproc Element Table Elem Table Data 绘制等值线图 命令 PLESOL PLNSOL GUI Main Menu General Postproc Plot Results Element Solution Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu 绘制矢量图 命令 PLVECT GUI Main Menu General Postproc Plot Results Predefined Main Menu General Postproc Plot Results User Defined 以表格的方式显示数据 命令 PRESOL PRNSOL PRRSOL GUI Main Menu General Postproc List Results Element Solution Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution Main Menu General Postproc List Results Reaction Solu POST1 执行许多其他后处理功能 包括按路径和载荷条件的组合绘制结果图 更详细信 息见 ANSYS 基本分析过程手册 多导体系统提取电容 很像翻译的多导体系统提取电容 很像翻译的 HELP 故我把它全部故我把它全部 copy 过来 过来 14 414 4静电场分析求解的一个主要参数就是电容 在多导体系统中 包括求解自电容 和互电容 以便在电路模拟中能定义等效集总电容 CMATRIX 宏命令能求得多导体系统自 电容和互电容 详见 ANSYS 理论手册 5 10 节 14 4 114 4 1 对地电容和集总电容对地电容和集总电容 有限元仿真计算 可以提取带 对地 电压降导体由于电荷堆积形成的 对地 电容 矩阵 下面叙述一个三导体系统 一个导体为地 方程式中 Q1和 Q2为电极 1 和 2 上的电 荷 U1和 U2分别为电压降 Q1 Cg 11 U1 Cg 12 U2 Q2 Cg 12 U1 Cg 22 U2 式中 Cg 称作为 对地电容 矩阵 这些对地电容并不表示集总电容 常用于电路分析 因为它们不涉及到二个导体之间的电容 使用 CMATRIX 宏命令能把对地电容矩阵变换成 集总电容矩阵 以便用于电路仿真 图 2 描述了三导体系统的等效集总电容 下面二个方程描述了感应电荷与电压降之间 形成的集总电容 Q1 C1 11 U1 C1 12 U1 U2 Q2 C1 12 U1 U2 C1 22 U2 式中 C1称为 集总电容 的电容矩阵 14 4 214 4 2 步骤步骤 CMATRIXCMATRIX 宏命令将进行多元模拟 可求得对地电容矩阵和集总电容矩阵值 为了便于 CMATRIXCMATRIX 宏命令使用 必须把导体节点组成节点部件 而且不要加任何载荷到模型上 电 压 电荷 电荷密度等等 导体节点的部件名必须包括同样的前缀名 后缀为数字 数 字按照 到系统中所含导体数目进行编号 最高编号必须为地导体 零电压 应用 CMATRIXCMATRIX 宏命令步骤如下 1 建模和分网格 导体假定为完全导电体 故导电体区域内部不需要进行网格划分 只需对周围的电介质区和空气区进行网格划分 节点部件用导体表面的节点表示 2 选择每个导体面上的节点 组成节点部件 命令 CM GUI Utility Menu Select Comp Assembly Create Component 导体节点的部件名必须包括同样的前缀名 后缀为数字 数字按照 到系统中所含导 体数目进行编号 例如图 2 中 用前缀 Cond 为三导体系统中的节点部件命名 分别命 名为为 Condl Cond2 和 Cond3 最后一个部件 Cond3 应该为表示地的节点 集 3 用下列方法之一 进入求解过程 命令 Solu GUI Main Menu Solution 4 选择方程求解器 建议用 JCG 命令 EQSLV GUI Main Menu Solution Analysis Options 5 执行 CMATRIX 宏 命令 CMATRIX GUI Main Menu Solution Electromagnet Capac Matrix CMATRIXCMATRIX 宏要求下列输入 对称系数 SYMFAC 如果模型不对称 对称系数为 1 缺省 如果你利用对 称只建一部分模型 乘以对称系数得到正确电容值 节点部件前缀名 Condname 定义导体节点部件名 上例中 前缀名为 Cond 宏命令要求字符串前缀名用单引号 因此 本例输入为 Cond 在 GUI 菜单 中 程序会自动处理单引号 导体系统中总共的节点部件数 NUMCON 上例中 导体节点部件总数为 3 地基准选项 GRNDKEY 如果模型不包含开放边界 那么最高节点部件号表 示 地 在这种情况下 不需特殊处理 直接将 地 作为基准设置为零 缺省状态值 如果模型中包含开放边界 使用远场单元或 Trefttz 区域 而模型中无限远处又不能 作为导体 那么可以将 地 选项设置为零 缺省 在某些情况下 必须把远场看作导 体 地 例如 在空气中单个带电荷球体 为了保持电荷平衡 要求无限远处作为 地 用 INFIN111 单元或 Trefftz 区域表示远场地时 把 地 选项设置为 1 输入贮存电容值矩阵的文件名 Capname 宏命令贮存所计算的三维数组对地 电容和集总电容矩阵值 其中 i 和 j 列代表导体编号 k 列表示对地 k 1 或 集总 k 2 项 缺省名为 CMATRIX 例如 CMATRIX i j 1 为对地项 CMATRIX i j 2 为集总项 宏命令也建立包含矩阵的文本文件 其扩展名为 TXT 注意 注意 在使用 CMATRIX 命令前 不要施加非均匀加载 以下操作会造成非均匀加载 在节点或者实体模型上施加非 0 自由度值的命令 D DA 等 在节点 单元或者实体模型定义非 0 值的命令 F BF BFE BFA 等 带非 0 项的 CECE 命令 CMATRIXCMATRIX 执行一系列求解 计算二个导体之间自电容和互电容 求解结果贮存在结果 文件中 可以便于后处理器中使用 执行后 给出一个信息表 如果远场单元 INFIN110 和 INFIN111 共享一个导体边界 例如地平面 可以把地 面和无限远边界作为一个导体 只需要把地平面节点组成一个节点部件 下图图 3 描述了具有合理的 NUMCOND 和 GRNDKEY 选项设置值的各种开放和闭合区域 模型 后面有例题详细介绍如何利用 CMATRIXCMATRIX 做电容计算 14 514 5 开放边界的开放边界的 Trefftz 方法方法 模拟开放区域的一种方法是利用远场单元 INFIN110 和 INFIN111 另一种方法为混 合有限元 Trefftz 方法 称作 Trefftz 方法 Trefftz 方法以边界元方法的创立者名字命名 Trefftz 方法使用与有限元类似的正定刚度矩阵高效处理开放区域的边界问题 它可处理 大纵横比的复杂面几何体 它很易生成 Trefftz 完整函数系统 对于处理静电问题中的开放 边界条件是一种易用而精确的方法 Trefftz 方法的理论分析参见 ANSYS 理论手册 本 手册有 用 Trefftz 方法进行静电场分析 的例题 14 5 114 5 1 概述概述 使用 Trefftz 方法需要建立一个 Trefftz 区域 Trefftz 区域由下列部分组成 在有限元区域内的一个 Trefftz 源节点部件 但与有限元模型无关 带有标记的有限元区域的外表面 由 Trefftz 源节点部件和带有标记的有限元外表面共同创建的子结构矩阵 由子结构定义的超单元 连同子结构产生的一组约束方程 与远场单元法相比 Trefftz 方法有许多优点 也有一些缺点 Trefftz 方法有如下正面特征 本方法形成对称矩阵 处理开放边界时 不存在理论上的限制 不存在奇异积分 未知数最少 20 100 个未知量就可得到可靠结果 可用于大纵横比边界 允许灵活的生成格林 Greens 函数 利用 Trefftz 区域 可以在两个无关联的有限元区之间建立联系 Tefftz 方法与远场单元比较有如下优点 通常具有更高的精确度 远场区不要求建模和划分单元 可用于大纵横比有限元区域 并且具有很好精度 远场单元区不必按一般有限元要求的那样 把有限元区扩展到超出装置模型区很多 Trefftz 方法与远场单元比较有如下缺点 只能用于全对称模型 只对三维分析有效 模型外表面单元只能是四面体单元 要求定义有限元区内 Trefftz 源节点部件 并生成子结构和约束方程 当然 这一 过程是程序自动完成 Trefftz 方法有如下限制 Trefftz 节点最大数为 1000 最高容许的节点号为 1 000 000 最高容许的外表面节点数为 100 000 外表面容许的最大单元面数 小平面 为 100 000 Trefftz 方法假设无限远处是 0 电位 因此 在处理具有不同电位的多电极系统时 使 用本方法要注意建立不同的节点部件 当然 对于使用 CMATRIX 命令宏来提取电容 程序 已经完全考虑 已经把无限远处设成了 0 电位或者接近 0 电位 14 5 214 5 2 步骤步骤 在 3 D 静电分析中建立一个 Trefftz 区域 定义 Trefftz 区域按下列过程进行 1 建立一个静电区域的有限元模型 包括导体 介质和四周空气 对有限模型加上 全部必需的边界条件 电压 电荷 电荷密度等 2 对有限元区域的外表面加上标志 作一个无限面来处理 加无限面标志 INF Label 使用如下方法 命令 SF SFA SFE GUI Main Menu Preprocessor Loads Loads Apply Electric Flag Infinite Surf On Nodes Main Menu Preprocessor Loads Loads Apply Electric Flag Infinite Surf On Areas Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Infinite Surf On Areas 3 建立 Trefftz 源节点 源节点作为 Trefftz 区域的未知量 这些未知量表示 Trefftz 方法的源电荷 用 CURR 自由度计算且储存 Trefftz 节点上的这些源电荷 如图 4 定义 Trefftz 的区域 中步骤 3 所示 应在模型装置与有限元区外表面之间 设置 Trefftz 源节点 Trefftz 源节点离模型装置的距离应该小于到有限元模型外表面的 距离 这样 Trefftz 方法计算所得的结果会更精确 Trefftz 源节点离有限元模型外表面 表面越远 得到的结果越精确 例如 X 方向上 Trefftz 节点正好包围模型装置 b c 1 有限元外边界设置到较远距离处 a b 2 对 Y 和 Z 方向应用大致相同的规则 若 Trefftz 源节点不接近于装置或在有限元区域表面上 会导致一个近似奇异解而产生不 正确的结果 利用定义一个简单实模型体 如六面体 球 园柱体或它们的布尔运算组合体等 很 容易地建立包围模型装置并在有限元区域内的 Trefftz 节点 但是它应该在有限元外表面 的内部 如图 4 所示 一旦定义了简单模型体 可以采用下列方法之一把简单实模型划分网格并建立 Trefftz 节点 命令 TZAMESH GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Mesh TZ Geometry 用 TZAMESHTZAMESH 命令对体表面进行网格划分 然后删除非求解单元 只留下 Trefftz 节点 它把 Trefftz 节点组成命名为 TZ NOD 的节点部件 以备在 Trefftz 子结构生成中调用 Trefftz 方法只要求很少的源节点 缺省时 TZAMESH 命令把简单实模型体各边分成二 段 对大纵横比几何体 可按规定的长度划分实体 这二种选项在 TZAMESH 命令中都有效 它会提供很多 Trefftz 节点 但是并不是节点越多精度越高 精度也受外表面单元数和 Trefftz 源项近似的影响 一般例题将不超过 20 到 100Trefftz 节点 利用下列方法 可删除 Trefftz 节点 命令 CMSEL TZ NOD NDELE ALL CMDELE TZ NOD GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Delete TZ Nodes 4 建立 Trefftz 子结构 超单元 和约束方程 Trefftz 方法使用有限元模型的外表 面和 Trefftz 节点建立子结构矩阵 用 MATRIX50 超单元将该矩阵组合到模型中 另外 需 要一组约束方程来完善 Trefftz 区域 利用 TZEGEN 宏命令 可自动完成建立子结构 用 超单元组合到模型 定义约束方程等过程 建立子结构并使其以超单元的方式组合到模型中 用下列方式 命令 TZEGEN GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Superelement Generate TZ TZEGEN 命令也自动定约束方程 一旦建立了 Trefftz 区域 就可利用标准求解步骤来解题 如果分网面上的单元发生了变动或要建立一个新的 Trefftz 区域 则已定义的 Trefftz 区域应被删除 在求解模型内只能同时存在一个 Trefftz 区域 采用下列方法可删除 Trefftz 超单元 相应的约束方程和全部 Trefftz 文件 命令 TZDELE GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Superelement Delete TZ TZDELE 命令删除在生成超单元过程中产生的全部 Trefftz 文件 包括如下文件 Jobname TZN Trefftz 源节点 Jobname TZE 在有限元边界上的 Trefftz 表面 Jobname TZX 在有限元边界上表面节点 Jobname TZM Trefftz 材料文件 详见本手册例题 用 Trefftz 方法进行静电分析 命令方法 CALL 下面竟然是例子 下面竟然是例子 HELP 中的 怎么办 也中的 怎么办 也 copy 吧吧 14 614 6 用用 h h 方法进行静电场分析的实例 方法进行静电场分析的实例 GUIGUI 方式 方式 14 6 114 6 1 问题描述问题描述 本节描述如何做一个屏蔽微带传输线的静电分析 该传输线是由基片 微带和屏蔽组 成 微带电势为 V1 屏蔽的电势为 V0 确定传输线的电容 该算例的描述见下图 材料和几何参数材料和几何参数 14 6 214 6 2 分析方法与建模提示分析方法与建模提示 通过能量和电位差的关系可以求得电容 We 1 2C V1 V0 2 We 是静电场能量 C 为 电容 在后处理器中对所有单元能量求和可以获得静电场的能量 后处理器中还可以画等位线和电场矢量图等 14 6 314 6 3 目标结果目标结果 目标目标 电容 pF m 178 1 步骤步骤 1 1 开始开始 1 进入 ANSYS 程序 2 选择菜单路径 Utility Menu File Change Title 3 输入 Microstrip transmission line analysis 4 点击 OK 5 选择 Main Menu Preferences 6 点击 Magnetic Nodal 和 Electric 7 点击 OK 步骤步骤 2 2 定义参数定义参数 1 选择 Utility Menu Parameters Scalar Parameters 2 输入下列参数 若发生输入错误 重新输入即可 V1 1 5 V0 0 5 3 点击 Close 步骤步骤 3 3 定义单元类型定义单元类型 1 选择 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 2 点击 Add 3 点击高亮度的 Electrostatic 和 2D Quad 121 4 点击 OK 5 点击 Close 步骤步骤 4 4 定义材料属性定义材料属性 1 选择 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 2 在材料窗口 依次双击以下选项 Electromagnetics Relative Permittivity Constant 3 MURX Relative permeability 输入 1 点击 OK 在定义材料的窗口的左边区域显示的材 料号为 1 4 选择菜单路径 Edit Copy 点击 OK 把材料 1 拷贝到材料 2 5 在材料框中 双击 2 号材料和 Permittivity constant 6 在 PERX 区域输入 10 点击 OK 7 选择菜单路径 Material Exit 8 点击 SAVE DB on the ANSYS Toolbar 步骤步骤 5 5 建立几何模型和压缩编号建立几何模型和压缩编号 1 选择 Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions 2 输入下列值 用 TAB 键 在输入区域间切换 X1 域0 X2 域 5 Y1 域0 Y2 域1 3 点击 Apply 4 创建第 2 个矩形 输入下列值 X1 域 5 X2 域5 Y1 域0 Y2 域1 5 点击 Apply 6 创建第 3 个矩形 输入下列值 X1 域0 X2 域 5 Y1 域1 7 点击 Apply 8 创建第 4 个矩形 输入下列值 X1 域 5 X2 域5 Y1 域1 Y2 域10 9 点击 OK 10 粘接所有面 选择 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Glue Areas 11 点击 Pick All 12 选择 Main Menu Preprocessor Numbering Ctrls Compress Numbers 13 设置 Item to be compressed 为 Areas 14 点击 OK 步步骤骤 6 6 为模型各个部分指定属性为网格划分作准备为模型各个部分指定属性为网格划分作准备 1 选择 Utility Menu Select Entities 2 把顶端的选项按钮由 Nodes 设置为 Areas 3 把紧接着的选项按钮设置为 By