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1、第四章-瞬态磁场分析4.1什么是瞬态磁场分析瞬态磁场分析解决的既不是静态的也不是谐波的磁场，而是由电压、电流或外加场的随时间无规律变化所引起的磁场变化。在瞬态磁场分析中我们所感爱好的典型物理量是：涡流涡流致使的磁力涡流致使的能量损耗瞬态磁场分析可以是线性，也可以是非线性。4.2 2-D瞬态磁场分析中用到的单元在涡流区域，瞬态模型只能用矢量位方程描述。只能用下列单元类型来模拟涡流区。表12D实体单元单元维数形状或特性自由度PLANE132-D四边形，4节点；或三角形，3节点最多每节点4个，磁矢势(AZ)、位移、温度或时间积分电势PLANE532-D四边形，8节点；或三角形，6节点最多每节点4个，
2、磁矢势(AZ)、时间积分电势、电流或电动势降。表2通用电路单元单元维数形状或特性自由度CIRCU124无通用电路单元，最多达6节点每个节点最多有三个：电势、电流或电动势降4.3 创立2D瞬态磁场分析的物理环境犹如ANSYS其她类型分析同样，瞬态磁分析要建立物理环境、建模、给模型区域赋属性、划分网格、加边界条件和载荷、求解、然后检察成果。2D瞬态磁分析的大多数环节都相似或相似于2D静态磁场分析环节。本章讨论2D瞬态磁场分析中需要特殊解决的部分。有关2D瞬态磁场分析中如何设立GUI参照框、单元选项（KEYOPTs）、实常数、单位制与2D静态磁场分析相似，第2章已经作了具体描述。当定义材料性质时，一
3、般也采用与第2章中同样的措施。4.4 建立模型，划分网格，指定属性ANSYS建模与分网指南具体简介了建模过程。建立了模型后，对每个模型区要指定属性，即指定在第一步中定义好的单元类型、单元选项、材料特性、实常数、单元坐标系等。使用AATT或VATT命令或其等效途径来指定属性。详见第2章静态磁场分析部分。4.5 施加边界条件和励磁载荷在瞬态磁分析中，可将边界条件和载荷施加到实体模型上（核心点、线和面），也可以施加到有限元模型上（节点和单元）。加载方式与第2章静态分析类似。也可以用命令加载和施加边界条件，对2D瞬态分析还可以用加载步选项。本手册第16章对这些载荷步选择有具体描述。根据定义，瞬态分析中
4、的边界条件和载荷是时间的函数，实际分析计算时，要将“载荷时间”曲线分解成合适的载荷步，“载荷时间”曲线的每个拐点就是一种载荷步。在每一种载荷步中，不仅要定义载荷或边界条件的值，并且还要定义它们所相应的时间值和某些载荷步选项（如阶跃变化载荷或斜坡变化载荷、自动时间步长等），反复将这些载荷数据写到载荷步文献中，直到所有的载荷步结束。2D瞬态磁场分析载荷步选项的具体描述请参见第16章。4.5.1加边界条件使用PERBC2D宏，可对2D分析自动定义周期性边界条件。PERBC2D对两个周期对称面施加约束方程和定义节点耦合。使用该宏命令的方式如下：命令：PERBC2DGUI：Main Menu Prepr
5、ocessor Loads -loads-Apply -Magnetic-Boundary -Vector Poten-Periodic BCs在第11章 “磁宏”中对该宏的使用有具体描述。4.5.2加鼓励（电压载荷）此载荷给绞线圈加电压降，且只能用MKS单位制，只有对使用了AZ和CURR自由度的PLANE53单元（还需实常数）才干使用电压降载荷。命令：BFEGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Magnetic-Excitation- Voltage drop -On Elements电压降也可以用BFA命令加在实体模型的某些面上。用BFTR
6、AN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上电压降转换到有限元模型上。由于CURR代表线圈中每匝的电流，其值是唯一的，因此加载前必须将线圈所有节点的CURR自由度耦合起来（否则将导致求解错误）。命令：CPGUI:Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs4.5.3加载电流电流（AMPS）是一种节点电流载荷，它作为一种外加电流只能加到块状（实体）导体区域。它代表流过导体的总电流（电流单位），且只对2D平面和轴对称模型以及3D模型有效。在导体区，这种载荷规定2D单元PLANE13和PLANE53具有AZ和VOLT自由度。要在集肤效应区域的横截面上加
7、载一种均匀电流载荷，就必须对该截面耦合电压（VOLT）自由度：命令：CPGUI：Main Menu PreprocesserCoupling /Ceqn Couple DOFs对2D平面和轴对称模型，在集肤区选择所有节点，并耦合它们VOLT自由度，再将电流加到截面上的某个节点上：命令：F，AMPSGUI：Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-ImpressedCurrent-Main MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Excitation-Impressed Current-对于2
8、D模型，此外一种加外电流的措施是加一种均匀电流密度（JS体载荷，用BFE命令或其等效菜单途径），其值为集肤区总电流除以横截面积。也可用BFA命令将源电流密度加在实体模型的面上。用BFTRAN或SBCTRAN命令可以把施加在实体模型上源电流密度转换到有限元模型上。4.5.4其她载荷还可以加矢量势载荷、时间积分标量势载荷、电流节载荷、Maxwell表面载荷、源电流密度载荷和虚位移载荷等，详见第2章“2D静态磁场分析”。4.6 求解4.6.1进入SOLUTION解决器命令：/SOLUGUI:Main MenuSolution4.6.2定义分析类型命令：ANTYPE,transient,newGUI:
9、Main MenuSolutionNew Analysis如果想重启动一种前面做过的分析（例如：重启动一种未收敛分析或求解其他工况），可用命令ANTYPE，TRANSIENT，REST。只有当已经完毕了一种瞬态磁分析并且文献Jobname.EMAT、Jobname.ESAV和Jobname.DB都存在的状况下，才干做重启动分析。4.6.3定义分析选项一方面选择求解措施：命令：TRNOPTGUI:Main MenuSolutionNew AnalysisTransient瞬态磁场分析需要用“全波措施（full）”求解。另一方面，选择求解器：命令：EQSLVGUI:Main MenuSolutio
10、nAnalysis Options可以选用下列求解器：wSparse solverwFrontal solver (缺省)wJacobi Conjugate Gradient (JCG) solverwJCG out-of-memory solverwIncomplete Cholesky Conjugate Gradient (ICCG) solverwPreconditioned Conjugate Gradient (PCG) solverwPCG out-of-memory solver电压鼓励模型或涉及速度效应的模型由于产生了非对称矩阵，只能使用sparse solver、front
11、al solver、JCG solver或ICCG solver，电路鼓励模型只能使用sparse solver或frontal solver。4.6.4载荷步选项4.6.4.1时间选项该选项阐明载荷步结束时的时间。命令：TIMEGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/FrequencTime - Time StepMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime - Time Step4.6.4.2子步数或时间步步长积分时间步为时间积分历程中所用的时间增量，可直接通过DELTIM
12、命令（或它的等效菜单途径）来定义，或者间接通过NSUBST命令（或它的等效菜单途径）来定义。时间步步长决定了求解精度，时间步长越小，精度就越高。当载荷浮现较大的阶跃时，紧跟其后的第一种时间积分步长是尤为核心的。通过减小时间步步长，可以减少求解大阶跃变化（如温度过热加载）时的误差。注意：时间步步长也不能过小，特别是在建立初始化条件时。太小的数值会使ANSYS在计算时产生数值误差。例如，如果使用不不小于1E-10的时间步步长会产生数值误差。如选择阶跃(Stepped)加载模式，程序在第一种子步上就加上所有载荷并始终保持常数，如选择斜坡(Ramped)加载模式，程序在每个子步上增长载荷值。命令：NS
13、UBST,DELTIMGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime - Time Step4.6.4.3自动时间步长也叫时间步优化，它使程序自动调节两个子步间的载荷增量，还可以在求解过程中根据材料响应状况增长或减小时间步长。在大多数状况下，你需要打开这个选项，此外为
14、了更好地控制时间步步长的变化幅度，还要输入积分时间步的上限和下限。值得注意的是：时间步优化对CURR自由度（载压导体）或EMF自由度（电路供电模型）无效。命令：AUTOTSGUI: Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime - Time Step4.6.5非线性选项只有当
15、模型中存在非线性时，才有必要定义非线性选项。4.6.5.1 Newton-Raphson选项这些选项定义非线性求解过程中切向矩阵的更新频率，可用的选项有：程序自动选择（缺省设立）全措施（Full）修正法（Modified）初刚度法（Initial-stiffness）在非线性分析中，推荐使用Full Newton-Raphson选项。自适应下降选项可以加快瞬态问题的收敛。下列方式定义Newton-Raphson选项：命令：NROPTGUI:Main MenusolutionAnalysis Options4.6.5.2平衡迭代数该选项使得在每一种子步都能得到一种收敛解。缺省值为25次迭代，但应当根据所解决问题的非线性度高下合适增长这个数值。对线性瞬态分析，只需1次迭代。命令：NEQITGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Options-Nonlinear Equi
