ANSYS电场分析教程

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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。本章探讨传统的h方法。下一章探讨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PLANE121维数2-D形状或特征四边形，8节点表2.三维实体单元自由度每个节点上的电压单元维数形状或特征砖形（六面体），20节点砖形（六面体），20节点表3.特别单元自由度每个节点上的电压每个节点上的电压SOLID1223-DSOLID1233-D单元维数形状或特征自由度无(超单取决于构成本单元的取决于构成本单元的单元类型MATRIX50元)单元INFIN1102-D4或8节点每个节点1个；磁矢量位，温度，或电位INFIN111INFIN9INFIN47AX、AY、AZ磁矢势，温度，电势，3-D六面体，8或20节点或磁标量势2-D3-D平面，无界，2节点AZ磁矢势，温度四边形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.观测结果14.3.1建模定义工作名和标题：

命令：/FILNAME，/TITLE

GUI：UtilityMenu>File>ChangeJobnameUtilityMenu>File>ChangeTitle假使是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，必需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），最好能更便利地设置单位制，由于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电压电流电荷导电率电阻率介电常数1能量电容电场MKS制VACS/mΩmF/mJFV/m2量纲(kg)(m)/(A)(s)A(A)(s)333323乘数μMKSV制1101061212量纲(kg)(μm)/(pA)(s)pA(pA)(s)(pA)(s)/(kg)(μm)(kg)(μm)/(pA)(s)(pA)(s)/(kg)(μm)(kg)(μm)/(s)(pA)(s)/(kg)(μm)(kg)(μm)/(s)(pA)32422222332323323VpApCpS/μmTΩμmpF/μmpJpFV/μmpC/(μm)2(A)(s)/(kg)(m)10(kg)(m)/(A)(s)10(A)(s)/(kg)(m)10(kg)(m)/(s)2422224632-61012-612(A)(s)/(kg)(m)10(kg)(m)/(s)(A)10(A)(s)/(m)-6

3通量密度C/(m)221(pA)(s)/(μm)2自由空间介电常数等于8.0854EpF/μm

表5．MKS制到μMSVfA制电参数换算系数表电参数MKS制电压电流电荷导电率电阻率介电常数能量电容电场VACS/mΩmF/mJFV/m2量纲(kg)(m)/(A)(s)A(A)(s)3323乘数μMSVfA制1101091515量纲(g)(μm)/(fA)(s)fA(fA)(s)(fA)(s)/(g)(μm)(g)(μm)/(fA)(s)(fA)(s)/(g)(μm)(g)(μm)/(s)(fA)(s)/(g)(μm)(g)(μm)/(s)(fA)32422222332323323VfAfCfS/μm--fF/μmfJfFV/μmfC/(μm)2(A)(s)/(kg)(m)10(Kg)(m)/(A)(s)10(A)(s)/(kg)(m)10(kg)(m)/(s)242222439323-91015-6315(A)(s)/(kg)(m)10(kg)(m)/(s)(A)10(A)(s)/(m)23通量密度C/(m)210(fA)(s)/(μm)2自由空间介电常数等于8.0854EfF/μm14.3.2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>Solution14.3.2.2定义分析类型选择以下方式之一：

·GUI：选菜单路径MainMenu>Solution>NewAnalysis并选择静态分析·命令：ANTYPE，STATIC，NEW

·假使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

假使选择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。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-OnNodes14.3.2.4.3面电荷密度（CHRGS）命令：SF

GUI：MainMenu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Excitation-SurfChrgDen-14.3.2.4.4Maxwell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。寻常，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：MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Flag>-MaxwellSurf-option14.3.2.4.5无限面标志（INF）

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

-8

-3

GUI：MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Flag>-InfiniteSurf-option分页

14.3.2.4.6体电荷密度（CHRGD）命令：BF，BFE

GUI：MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-ChargeDensity-option

另外，还可以用命令BFL、BFL、BFV等命令分别把体电荷密度加到实体模型的线、面和体上。14.3.2.4.7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‖

14.3.2.4.8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：UtilityMenu>File>ResumeJobname.db14.3.2.4.9开始求解命令：SOLVE

GUI：MainMenu>Solution>CurrentLS14.3.2.4.10终止求解命令：FINISH

GUI：MainMenu>Finish14.3.3观测结果

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：节点电压（VOLT）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）寻常在POST1通用后处理器中观测分析结果：命令：/POST1

GUI：MainMenu>GeneralPostproc

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：UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary

假使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：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

绘制等值线图：

命令：PLESOL，PLNSOL

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ElementSolution

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu

绘制矢量图：命令：PLVECT

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Predefined

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>UserDefined

以表格的方式显示数据：

命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOL

GUI：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolution

MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolutionMainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu

POST1执行大量其他后处理功能，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。

14.4多导体系统提取电容

静电场分析求解的一个主