第九章 3D静态、谐波和瞬态分析

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1、第九章3-D静态、谐波和瞬态分析(节点法)9.1节点法(MPV)进行3D静态磁场分析3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径Main MenuPreferences Magnetic-Nodal，便于使用相应的单元和加载。与2-D静态分析同样的 方式定义物理环境，但要注意下面讨论的存在区别的地方。9.1.1选择单元类型和定义实常数对于节点法3 -D静磁分析，可选的单元为3D矢量位SOLID97单元，与2D单元不同。自 由度为：AX,AY,AZ。3D矢量位方程中，用INFIN111远场单元(AX、AY、AZ三个自由度)来为无限边界建模。9.1.1.1定义实常数对于载

2、压和载流绞线圈(只有SOLID97单元)，必须定义如下实常数：线圈横截面积(CARE)线圈总匝数(TURN)该常数表示绞线圈的实际物理横截面积，无论是否米用对称性建 模。程序假定在线圈的长度方向上横截面积是不变的。线圈总匝数，无论是否采用对称性建模。线圈的模型体积(VOLU)有限元线圈区的实际体积，而不是整个线圈的总体积。电流的方向矢量(DIRX,通过矢量的各个分量描述电流方向。对于一般单元，电流的约束方 向为(DIRX, DIRY, DIRZ) = (1,0,0).下面图1 (b)中列举了绞线 型导体的90度圆弧，可按照如下方法说明THETA方向电流：(1)说明柱状单元坐标系命令：ESYSG

3、UI： Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateElementElemDIRY, DIRZ)Attributes对称系数(CSYM)(2) 修正单元以继承新的坐标系命令：EMODIFGUI :MainMenuPreprocessor-Modeling-Move/Modify-Elements-Modify Attrib(3) 设置电流方向为(DIRX,DIRY,DIRZ) = (0,1,0)。CSYM (对称系数)*VOLU (有限元体积)就是整个线圈的总体积。填充系数(FILL)在线圈横截面中导体所占的比例，可用以调整线圈阻抗。9.1.1.2速度效应可求解运

4、动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应用和限制，在 3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。9.1.2定义分析类型用与2D静态磁场分析相同的方式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径Main MenuSolutionNew Analysis、或者用命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义一个新的静态磁场分 析；或者用ANTYPE,STATIC,REST命令来重启动一个3-D分析。如果使用了速度效应，不能在3D静态分析(ANTYPE,STATIC)中直接求解具有速度效应的 静态直流激励场，而要用具有很低频率的时谐分析(ANTY

5、PE,HARMIC)来完成。9.1.3选择方程求解器命令：EQSLVGUI： Main MenuSolutionAnalysis Options3D模型建议使用JCG或PCG法进行求解。而对于载压模型、载流模型、或有速度效应的 具有非对称矩阵的模型，只能使用波前法、JCG法、或ICCG法求解。电路激励模型只能用稀 疏矩阵法或波前法求解器。9.1.4加载和求解进入求解器：命令：/SOLUGUI： Main MenuSolution3-D静态MVP分析的载荷与2-D静态分析稍有些不同，但其菜单路径是一样的。下面是 关于3-D静态磁场分析的一些加载:9.1.4. 1磁矢量势该载荷用以定义磁力线垂直、

6、磁力线平行、远场、周期边界条件、以及强加外磁场等载 荷和边界条件，下表描述了各种边界条件相应的磁矢量势值：边界条件AX,AY,AZ值用DSYM,asym命令使A的垂直分量为0.GUI:Main磁力线垂直MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Boundary-VectorPoten-Flux Normal-On Nodes.磁力线平行令A的面内的分量为0.远场用单元INFIN111.远场为零AX=AY=AZ=0.命令：CE或CPGUI: Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnConstraint 周期性EqnMain MenuPrepr

7、ocessorCoupling/CeqnCouple DOFs外加磁场A（X,Y,Z）不等于0.如果用INFIN111号单元表示模型无限远边界，则不用定义远场为0的边界条件。用CE或CP命令或者相应的等效路径施加周期性或者循环对称条件。对于外加磁场，定义不为0的各个分量AX，AY，AZ。9.1.4.2力标志给单元组件加Maxwell表面和虚位移标志可参见第二章中的说明。9.1.4.3 电压降（VLTG）用这些载荷定义绞线圈电压降。在MKS单位制中，VLTG单位是伏特，电压降载荷只对使用了 AX，AY，AZ，CURR自由度的SOLID97单元有效。要得到正确的解，必须藕合导体所有节点的CURR自

8、由度。9.1.4.4电流段（CSG（X，Y，Z）电流段加节点电流载荷，在MKS制中，电流段单位为安培-米。9.1.4.5Maxwell 表面（MXWF）见第二章中的说明。9.1.4.6源电流密度（JS）加电流到源导体，在MKS制中，电流密度JS单位为安/米2。由于电磁分析的连续方程必须满足，所以此处施加的源电流密度必须是无散度的，这一 点必须得到保证，如果有误，则SOLID97单元会解算出错误结果，并且不给出任何警告信息!在某些情况下，源电流密度的幅值和方向都是恒定的，自然满足无散度条件，此时就可 用下面描述的BFE命令施加电流。在其它很多复杂情况下，源电流密度的分布事先是不知道 的，此时就需

9、要先执行一个静态电流传导分析（见第13章），一旦确定下电流，就可以用LDREAD 命令将其读入磁场分析中。9.1.4.7磁虚位移见第二章中的说明。9.1.5备份数据用工具条中的SAVE_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：RESUMEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.db9.1.6求解对非线性分析，求解分为二步：1. 将载荷以斜坡加载的方式加到3到5个子步上去，每个子步用一次平衡迭代；2. 在一个子步中求得最终解，这个子步需10次平衡迭代。通过下面的命令完成：命令：MAGSOLV （将OPT域

10、设为零）GUI： Main MenuSolution-Solve-Electromagnet-Static Analysis-Opt &Solv9.1.7完成求解离开求解器：命令：FINISHGUI:Main MenuFinish9.1.8计算电感矩阵和磁链使用LMATRIX宏命令可以计算线圈系统的微分电感矩阵和每个线圈的总磁链：命令：LMATRIXGUI： Main MenuSolution-Solve-Electromagnet-Static Analysis-InductMatrix计算电感矩阵需要几个步骤，首先将线圈单元定义为部件，定义名义电流，然后在工作 点执行一次名义求解，第11章

11、有详细介绍。9.2后处理ANSYS和ANSYS/Emag程序将3D静态磁场分析的数据结果写入到Jobname.RMG文件中，结 果数据包括：主数据：节点自由度(AX,AY,AZ,CURR)导出数据：节点磁通量密度(BX,BY,BZ,BSUM)节点磁场强度(HX,HY,HZ,HSUM)节点磁力(FMAG: X,Y分量和SUM)节点感生电流段(CSGX,CSGY,CSGZ)单元源电流密度(JSX,JSY,JSZ)单位体积生成的焦耳热(JHEAT)等等。进入通用后处理器/POST1，进行下列后处理操作:命令：/POST1GUI: Main MenuGeneral Postproc9.2.1从结果文件

12、中读入数据9.2.1.1通量线3-D矢量分析得不到通量线(磁力线)，但可利用磁通密度矢量显示来观察通量路径。9.2.1.2等值图显示、矢量显示、列表显示、电磁力详见第二章。9.2.1.3带电粒子示踪在ANSYS基本过程指南的第5章和第12章中还详细介绍了怎样以图形的方式显示带电粒子在磁场中的轨迹9.2.1.4线圈电组和电感对于载压和载流线圈，可以计算线圈电阻和电感。每个单元都存储有电阻和电感值，对 这些值求和就得到导体模型区的总电阻和总电感。这通过单元表来实现，先选择导体单元， 再用ETABLE, tablename, NMISC, n命令或它的等效菜单路径（n=16为电阻，17为电感），最

13、后用SSUM命令或它的等效菜单路径对这些数据进行求和。对于载压线圈（SOLID97的KEYOPT（1）=2）或电路耦合线圈（SOLID97的KEYOPT（1）=3）所 计算的电感值仅在下列情况有效：线性问题（导磁率为常数）；模型没有永磁体；模型只有一个线圈。由多线圈组成的系统采用LMATRIX宏来计算微分电感矩阵和每个线圈的总磁链oLMATRIX 宏的详情参见11章。9.2.2计算其它选项可以从后处理数据中计算许多其它感兴趣的项（例如总力、力矩、源输入能、电感、磁 链和端电压）。ANSYS为这些计算提供了如下宏命令：-EMAGERR宏：计算静电场或电磁场分析中的相对误差。-FLUXV宏：计算通

14、过一条封闭曲线的通量。-FMAGSUM宏：对单元组件上电磁力求和。MMF宏：计算沿一条路径的磁动势。-SENERGY宏：确定存储的磁能或共能。这些宏更详细讨论见第十一章“磁宏”9.3节点法（MPV ） 3D谐波磁场分析像ANSYS分析的其他类型一样，谐波磁分析要定义物理环境、建模、加载和求解、然后 观察结果。3 -D谐波磁分析的大部分过程都与2 -D谐波分析过程类似。9.4建立3 -D谐波磁分析的物理环境除了以下将要描述的内容外，节点法3-D谐波分析的过程与第二章内所描述的过程类似。节点法3 -D谐波分析使用SOLID62、SOLID97和CIRCU124单元。在ANSYS基本分析过程指南和A

15、NSYS建模和分网指南中对模型的建立有详细的介绍。当 你定义材料性质时，通常使用在第2章中所讨论的相同方法，即使用ANSYS材料库中现存的材 料性质或ANSYS用户自定义的材料性质。9.4.1使用自由度来控制3D分析中导体上终端条件当进行一个节点法3-D谐波分析时，ANSYS程序提供一些选项来控制导体上终端条件。这 些选项包括在导体区增加不同的自由度（DOFs）。在节点法3-D分析中，对于导体和终端，存 在二种自由度选项：9.4.1.1 AX，AY，AZ，VOLT 选项具有AX、AY、AZ、VOLT自由度设置的导体能模拟短路和开路二种情况。VOLT自由度表示 时间积分电势。使用这种自由度设置，建立合适的感应（涡流）电流方向，电流将平行于未 定义的导体边界和垂直于等电势边界流动。可按下述方式建立短路条件：在导体对称平面定义VOLT=0，这表示没有网路电位。对不接入电路的3-D结构，在一个节点处设置VOLT=0。赋予合理的磁通量平行或垂直边界条件。可按下述方式