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ANSYS電場分析指南關(guān)鍵字: ANSYS電場分析CAE教程 靜電場分析（h方法）14.1 什么是靜電場分析靜電場分析用以確定由電荷分布或外加電勢所產(chǎn)生的電場和電場標(biāo)量位（電壓）分布。該分析能加二種形式的載荷：電壓和電荷密度。靜電場分析是假定為線性的，電場正比于所加電壓。靜電場分析可以使用兩種方法：h方法和p方法。本章討論傳統(tǒng)的h方法。下一章討論p方法。14.2h方法靜電場分析中所用單元h方法靜電分析使用如下ANSYS單元：表1. 二維實體單元單元維數(shù)形狀或特征自由度PLANE1212-D四邊形，8節(jié)點每個節(jié)點上的電壓表2. 三維實體單元單元維數(shù)形狀或特征自由度SOLID1223-D磚形（六面體），20節(jié)點每個節(jié)點上的電壓SOLID1233-D磚形（六面體），20節(jié)點每個節(jié)點上的電壓表3. 特殊單元單元維數(shù)形狀或特征自由度MATRIX50無(超單元)取決于構(gòu)成本單元的單元取決于構(gòu)成本單元的單元類型INFIN1102-D4或8節(jié)點每個節(jié)點1個；磁矢量位，溫度，或電位INFIN1113-D六面體，8或20節(jié)點AX、AY、AZ磁矢勢，溫度，電勢，或磁標(biāo)量勢INFIN92-D平面，無界，2節(jié)點AZ磁矢勢，溫度INFIN473-D四邊形4節(jié)點或三角形3節(jié)點AZ磁矢勢，溫度14.3h方法靜電場分析的步驟靜電場分析過程由三個主要步驟組成：1.建模2.加載和求解3.觀察結(jié)果14.3.1 建模定義工作名和標(biāo)題：命令：/FILNAME，/TITLEGUI：Utility MenuFileChange JobnameUtility MenuFileChange Title如果是GUI方式，設(shè)置分析參考框：GUI：Main MenuPreferencesElectromagnetics：Electric設(shè)置為Electric，以確保電場分析所需的單元能顯示出來。之后就可以使用ANSYS前處理器來建立模型，其過程與其它分析類似，詳見ANSYS建模和分網(wǎng)指南。對于靜電分析，必須定義材料的介電常數(shù)（PERX），它可能與溫度有關(guān)，可能是各向同性，也可能是各向異性。對于微機電系統(tǒng)（MEMS），最好能更方便地設(shè)置單位制，因為一些部件只有幾微米大小。詳見下面MKS制到MKSV制電參數(shù)換算系數(shù)和MKS制到MSVfA制電參數(shù)換算系數(shù)表表4 MKS制到MKSV制電參數(shù)換算系數(shù)表電參數(shù)MKS制量綱乘數(shù)MKSV制量綱電壓V(kg)(m)2/(A)(s)31V(kg)(m)2/(pA)(s)3電流AA1012pApA電荷C(A)(s)1012pC(pA)(s)導(dǎo)電率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3106pS/m(pA)2(s)3/(kg)(m)3電阻率m(kg)(m)3/(A)2(s)310-6Tm(kg)(m)3/(pA)2(s)3介電常數(shù)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電容F(A)2(s)4/(kg)(m)21012pF(pA)2(s)4/(kg)(m)2電場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自由空間介電常數(shù)等于8.0854E-6pF/m 表5 MKS制到MSVfA制電參數(shù)換算系數(shù)表電參數(shù)MKS 制量綱乘數(shù)MSVfA制量綱電壓V(kg)(m)2/(A)(s)31V(g)(m)2/(fA)(s)3電流AA1015fAfA電荷C(A)(s)1015fC(fA)(s)導(dǎo)電率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3109fS/m(fA)2(s)3/(g)(m)3電阻率m(Kg)(m)3/(A)2(s)310-9-(g)(m)3/(fA)2(s)3介電常數(shù)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電容F(A)2(s)4/(kg)(m)21015fF(fA)2(s)4/(g)(m)2電場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自由空間介電常數(shù)等于8.0854E-3fF/m14.3.2 加載荷和求解本步定義分析類型和選項、給模型加載、定義載荷步選項和開始求解。14.3.2.1 進(jìn)入求解處理器命令：/SOLUGUI：Main MenuSolution14.3.2.2定義分析類型選擇下列方式之一：GUI：選菜單路徑Main MenuSolutionNew Analysis并選擇靜態(tài)分析命令：ANTYPE，STATIC，NEW如果你要重新開始一個以前做過的分析（例如，分析附加載荷步），執(zhí)行命令A(yù)NTYPE，STATIC，REST。重啟動分析的前提條件是：預(yù)先完成了一個靜電分析，且該預(yù)分析的Jobname. EMAT，Jobname. ESAV和Jobname.DB文件都存在。14.3.2.3定義分析選項可以選擇波前求解器（缺?。㈩A(yù)條件共軛梯度求解器（PCG）、雅可比共軛梯度求解器（JCG）和不完全喬列斯基共軛梯度求解器（ICCG）之一進(jìn)行求解：命令：EQSLVGUI：Main MenuSolutionAnalysis Options如果選擇JCG求解器或者PCG求解器，還可以定義一個求解器誤差值，缺省為1.0-8。14.3.2.4 加載靜電分析中的典型載荷類型有：14.3.2.4.1 電壓（VOLT）該載荷是自由度約束，用以定義在模型邊界上的已知電壓：命令：DGUI：Main MenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Boundary -Voltage-14.3.2.4.2電荷密度（CHRG）命令：FGUI：Main MenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-Charge-On Nodes14.3.2.4.3面電荷密度（CHRGS）命令：SFGUI：Main MenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-Surf Chrg Den-14.3.2.4.4 Maxwell 力標(biāo)志（MXWF）這并不是真實載荷，只是表示在該表面將計算靜電力分布，MXWF只是一個標(biāo)志。通常，MXWF定義在靠近“空氣-電介質(zhì)”交界面的空氣單元面上，ANSYS使用Maxwell應(yīng)力張量法計算力并存儲在空氣單元中，在通用后處理器中可以進(jìn)行處理。命令：FMAGBCGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Flag-Maxwell Surf-option14.3.2.4.5 無限面標(biāo)志（INF）這并不是真實載荷，只是表示無限單元的存在，INF僅僅是一個標(biāo)志。命令：SFGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Flag-Infinite Surf-option分頁14.3.2.4.6 體電荷密度（CHRGD）命令：BF，BFEGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Electric-Excitation-Charge Density-option另外，還可以用命令BFL、BFL、BFV等命令分別把體電荷密度加到實體模型的線、面和體上。14.3.2.4.7定義載荷步選項對于靜電分析，可以用其它命令將載荷加到電流傳導(dǎo)分析模型中，也能控制輸出選項和載荷步選項，詳細(xì)信息可參見第16章“分析選項和求解方法”14.3.2.4.8保存數(shù)據(jù)庫備份使用ANSYS工具條的SAVE_DB按鈕來保存一個數(shù)據(jù)庫備份。在需要的時候可以恢復(fù)模型數(shù)據(jù)：命令：RESUMEGUI：Utility MenuFileResume Jobname.db14.3.2.4.9 開始求解命令：SOLVEGUI：Main MenuSolutionCurrent LS14.3.2.4.10結(jié)束求解命令：FINISHGUI：Main MenuFinish14.3.3 觀察結(jié)果ANSYS和ANSYS/Emag程序把靜電分析結(jié)果寫到結(jié)果文件Jobname.RST中，結(jié)果中包括如下數(shù)據(jù)：主數(shù)據(jù)：節(jié)點電壓（VOLT）導(dǎo)出數(shù)據(jù)：節(jié)點和單元電場（EFX，EFY，EFZ，EFSUM）節(jié)點電通量密度（DX，DY，DZ，DSUM）節(jié)點靜電力（FMAG：分量X，Y，Z，SUM）節(jié)點感生電流段（CSGX，CSGY，CSGZ）通常在POST1通用后處理器中觀察分析結(jié)果：命令：/POST1GUI：Main MenuGeneral Postproc對于整個后處理功能的完整描述，見ANSYS基本分析過程指南。將所需結(jié)果讀入數(shù)據(jù)庫：命令：SET,TIMEGUI：Utility MenuListResultsLoad Step Summary如果所定義的時間值處并沒有計算好的結(jié)果，ANSYS將在該時刻進(jìn)行線性插值計算。對于線單元（LINK68），只能用以下方式得到導(dǎo)出結(jié)果：命令：ETABLEGUI：Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table命令：PLETABGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsElem TableMain MenuGeneral PostprocElement TablePlot Elem Table命令：PRETABGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsList Elem TableMain MenuGeneral PostprocElement TableElem Table Data繪制等值線圖：命令：PLESOL，PLNSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsElement SolutionMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solu繪制矢量圖：命令：PLVECTGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsPredefinedMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsUser Defined以表格的方式顯示數(shù)據(jù)：命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsElement SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsNodal SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsReaction SoluPOST1執(zhí)行許多其他后處理功能，包括按路徑和載荷條件的組合繪制結(jié)果圖。更詳細(xì)信息見ANSYS基本分析過程手冊。14.4 多導(dǎo)體系統(tǒng)提取電容靜電場分析求解的一個主要參數(shù)就是電容。在多導(dǎo)體系統(tǒng)中，包括求解自電容和互電容，以便在電路模擬中能定義等效集總電容。CMATRIX宏命令能求得多導(dǎo)體系統(tǒng)自電容和互電容。詳見ANSYS理論手冊5.10節(jié)。14.4.1 對地電容和集總電容有限元仿真計算，可以提取帶（對地）電壓降導(dǎo)體由于電荷堆積形成的“對地”電容矩陣。下面敘述一個三導(dǎo)體系統(tǒng)（一個導(dǎo)體為地）。方程式中Q1和Q2為電極1和2上的電荷，U1和U2分別為電壓降。Q1= (Cg)11(U1)+(Cg)12(U2)Q2= (Cg)12(U1)+(Cg)22(U2)式中Cg稱作為“對地電容”矩陣。這些對地電容并不表示集總電容（常用于電路分析），因為它們不涉及到二個導(dǎo)體之間的電容。使用CMATRIX宏命令能把對地電容矩陣變換成集總電容矩陣，以便用于電路仿真。圖2描述了三導(dǎo)體系統(tǒng)的等效集總電容。下面二個方程描述了感應(yīng)電荷與電壓降之間形成的集總電容：Q1=(C1)11(U1)+(C1)12(U1U2)Q2=(C1)12(U1U2)+(C1)22(U2)式中C1稱為集總電容的電容矩陣。分頁14.4.2 步驟CMATRIX宏命令將進(jìn)行多元模擬，可求得對地電容矩陣和集總電容矩陣值。為了便于CMATRIX宏命令使用，必須把導(dǎo)體節(jié)點組成節(jié)點部件，而且不要加任何載荷到模型上（電壓、電荷、電荷密度等等）。導(dǎo)體節(jié)點的部件名必須包括同樣的前綴名，后綴為數(shù)字，數(shù)字按照到系統(tǒng)中所含導(dǎo)體數(shù)目進(jìn)行編號。最高編號必須為地導(dǎo)體（零電壓）。應(yīng)用CMATRIX宏命令步驟如下：1.建模和分網(wǎng)格。導(dǎo)體假定為完全導(dǎo)電體，故導(dǎo)電體區(qū)域內(nèi)部不需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，只需對周圍的電介質(zhì)區(qū)和空氣區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點部件用導(dǎo)體表面的節(jié)點表示。2.選擇每個導(dǎo)體面上的節(jié)點，組成節(jié)點部件。命令：CMGUI:Utility Menu Select Comp/Assembly Create Component導(dǎo)體節(jié)點的部件名必須包括同樣的前綴名，后綴為數(shù)字，數(shù)字按照到系統(tǒng)中所含導(dǎo)體數(shù)目進(jìn)行編號。例如圖2中，用前綴“Cond”為三導(dǎo)體系統(tǒng)中的節(jié)點部件命名，分別命名為為“Condl”、“Cond2”和“Cond3”，最后一個部件“Cond3”應(yīng)該為表示地的節(jié)點集。3.用下列方法之一，進(jìn)入求解過程：命令：SoluGUI：Main MenuSolution4.選擇方程求解器（建議用JCG）：命令：EQSLVGUI：Main MenuSolutionAnalysis Options5.執(zhí)行CMATRIX宏：命令：CMATRIXGUI：Main Menu Solution Electromagnet Capac MatrixCMATRIX宏要求下列輸入：對稱系數(shù)（SYMFAC）：如果模型不對稱，對稱系數(shù)為1（缺?。Ｈ绻憷脤ΨQ只建一部分模型，乘以對稱系數(shù)得到正確電容值。節(jié)點部件前綴名（Condname）。定義導(dǎo)體節(jié)點部件名。上例中，前綴名為“Cond”。宏命令要求字符串前綴名用單引號。因此，本例輸入為Cond，在GUI菜單中，程序會自動處理單引號。導(dǎo)體系統(tǒng)中總共的節(jié)點部件數(shù)（NUMCON），上例中，導(dǎo)體節(jié)點部件總數(shù)為“3”。地基準(zhǔn)選項（GRNDKEY）。如果模型不包含開放邊界，那么最高節(jié)點部件號表示“地”。在這種情況下，不需特殊處理，直接將“地”作為基準(zhǔn)設(shè)置為零（缺省狀態(tài)值）。如果模型中包含開放邊界（使用遠(yuǎn)場單元或Trefttz區(qū)域），而模型中無限遠(yuǎn)處又不能作為導(dǎo)體，那么可以將“地”選項設(shè)置為零（缺?。?。在某些情況下，必須把遠(yuǎn)場看作導(dǎo)體“地”（例如，在空氣中單個帶電荷球體，為了保持電荷平衡，要求無限遠(yuǎn)處作為“地”）。用INFIN111單元或Trefftz區(qū)域表示遠(yuǎn)場地時，把“地”選項設(shè)置為“1”輸入貯存電容值矩陣的文件名（Capname）。宏命令貯存所計算的三維數(shù)組對地電容和集總電容矩陣值。其中“i”和“j”列代表導(dǎo)體編號，“k”列表示對地（k=1）或集總（k=2）項。缺省名為CMATRIX。例如，CMATRIX（i,j,1）為對地項，CMATRIX（i,j,2）為集總項。宏命令也建立包含矩陣的文本文件，其擴展名為.TXT。注意：在使用CMATRIX命令前，不要施加非均勻加載。以下操作會造成非均勻加載：在節(jié)點或者實體模型上施加非0自由度值的命令(D, DA, 等)在節(jié)點、單元或者實體模型定義非0值的命令(F, BF, BFE, BFA, 等)帶非0項的CE命令CMATRIX執(zhí)行一系列求解，計算二個導(dǎo)體之間自電容和互電容，求解結(jié)果貯存在結(jié)果文件中，可以便于后處理器中使用。執(zhí)行后，給出一個信息表。如果遠(yuǎn)場單元（INFIN110和INFIN111）共享一個導(dǎo)體邊界（例如地平面），可以把地面和無限遠(yuǎn)邊界作為一個導(dǎo)體（只需要把地平面節(jié)點組成一個節(jié)點部件）。下圖圖3描述了具有合理的NUMCOND和GRNDKEY選項設(shè)置值的各種開放和閉合區(qū)域模型。后面有例題詳細(xì)介紹如何利用CMATRIX做電容計算。14.5 開放邊界的Trefftz方法模擬開放區(qū)域的一種方法是利用遠(yuǎn)場單元(INFIN110和INFIN111)，另一種方法為混合有限元Trefftz方法（稱作Trefftz方法）。Trefftz方法以邊界元方法的創(chuàng)立者名字命名。 Trefftz方法使用與有限元類似的正定剛度矩陣高效處理開放區(qū)域的邊界問題。它可處理大縱橫比的復(fù)雜面幾何體，它很易生成Trefftz完整函數(shù)系統(tǒng)。對于處理靜電問題中的開放邊界條件是一種易用而精確的方法。Trefftz方法的理論分析參見ANSYS理論手冊。本手冊有“用Trefftz方法進(jìn)行靜電場分析”的例題。分頁14.5.1概述使用Trefftz方法需要建立一個Trefftz區(qū)域，Trefftz區(qū)域由下列部分組成：在有限元區(qū)域內(nèi)的一個Trefftz源節(jié)點部件，但與有限元模型無關(guān)；帶有標(biāo)記的有限元區(qū)域的外表面；由Trefftz源節(jié)點部件和帶有標(biāo)記的有限元外表面共同創(chuàng)建的子結(jié)構(gòu)矩陣；由子結(jié)構(gòu)定義的超單元；連同子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一組約束方程；與遠(yuǎn)場單元法相比，Trefftz方法有許多優(yōu)點，也有一些缺點。Trefftz方法有如下正面特征：本方法形成對稱矩陣；處理開放邊界時，不存在理論上的限制；不存在奇異積分；未知數(shù)最少（20100個未知量就可得到可靠結(jié)果）；可用于大縱橫比邊界；允許靈活的生成格林（Greens）函數(shù)；利用Trefftz區(qū)域，可以在兩個無關(guān)聯(lián)的有限元區(qū)之間建立聯(lián)系；Tefftz方法與遠(yuǎn)場單元比較有如下優(yōu)點；通常具有更高的精確度；遠(yuǎn)場區(qū)不要求建模和劃分單元；可用于大縱橫比有限元區(qū)域，并且具有很好精度；遠(yuǎn)場單元區(qū)不必按一般有限元要求的那樣，把有限元區(qū)擴展到超出裝置模型區(qū)很多；Trefftz方法與遠(yuǎn)場單元比較有如下缺點：只能用于全對稱模型；只對三維分析有效；模型外表面單元只能是四面體單元；要求定義有限元區(qū)內(nèi)Trefftz源節(jié)點部件，并生成子結(jié)構(gòu)和約束方程（當(dāng)然，這一過程是程序自動完成）。Trefftz方法有如下限制：Trefftz節(jié)點最大數(shù)為1000；最高容許的節(jié)點號為1,000,000；最高容許的外表面節(jié)點數(shù)為100,000；外表面容許的最大單元面數(shù)（小平面）為100,000；Trefftz方法假設(shè)無限遠(yuǎn)處是0電位。因此，在處理具有不同電位的多電極系統(tǒng)時，使用本方法要注意建立不同的節(jié)點部件。當(dāng)然，對于使用CMATRIX命令宏來提取電容，程序已經(jīng)完全考慮，已經(jīng)把無限遠(yuǎn)處設(shè)成了0電位或者接近0電位。14.5.2 步驟在3-D靜電分析中建立一個Trefftz區(qū)域，定義Trefftz區(qū)域按下列過程進(jìn)行：1）建立一個靜電區(qū)域的有限元模型（包括導(dǎo)體、介質(zhì)和四周空氣）。對有限模型加上全部必需的邊界條件（電壓、電荷、電荷密度等）2）對有限元區(qū)域的外表面加上標(biāo)志，作一個無限面來處理。加無限面標(biāo)志（INF Label）,使用如下方法：命令：SF，SFA，SFEGUI：Main MenuPreprocessorLoads-Loads- Apply-Electric- Flag-Infinite Surf-On Nodes Main MenuPreprocessorLoads-Loads- Apply-Electric- Flag-Infinite Surf-On Areas Main MenuPreprocessorTrefftz-DomainInfinite Surf-On Areas3）建立Trefftz源節(jié)點，源節(jié)點作為Trefftz 區(qū)域的未知量。這些未知量表示Trefftz方法的源電荷，用CURR自由度計算且儲存Trefftz節(jié)點上的這些源電荷。如圖4“定義 Trefftz的區(qū)域”中步驟3所示，應(yīng)在模型裝置與有限元區(qū)外表面之間設(shè)置Trefftz源節(jié)點。Trefftz源節(jié)點離模型裝置的距離應(yīng)該小于到有限元模型外表面的距離，這樣Trefftz 方法計算所得的結(jié)果會更精確。Trefftz源節(jié)點離有限元模型外表面表面越遠(yuǎn)，得到的結(jié)果越精確。例如，X方向上，Trefftz節(jié)點正好包圍模型裝置（b/c1）,有限元外邊界設(shè)置到較遠(yuǎn)距離處(a/b2)。對Y和Z方向應(yīng)用大致相同的規(guī)則。若Trefftz源節(jié)點不接近于裝置或在有限元區(qū)域表面上，會導(dǎo)致一個近似奇異解而產(chǎn)生不正確的結(jié)果。利用定義一個簡單實模型體(如六面體、球、園柱體或它們的布爾運算組合體等)，很容易地建立包圍模型裝置并在有限元區(qū)域內(nèi)的Trefftz節(jié)點。但是它應(yīng)該在有限元外表面的內(nèi)部，如圖4所示。一旦定義了簡單模型體，可以采用下列方法之一把簡單實模型劃分網(wǎng)格并建立Trefftz節(jié)點：命令：TZAMESHGUI：Main MenuPreprocessorTrefftz DomainMesh TZ Geometry用TZAMESH命令對體表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后刪除非求解單元，只留下Trefftz節(jié)點。它把 Trefftz節(jié)點組成命名為TZ-NOD的節(jié)點部件，以備在Trefftz子結(jié)構(gòu)生成中調(diào)用。Trefftz方法只要求很少的源節(jié)點。缺省時，TZAMESH命令把簡單實模型體各邊分成二段。對大縱橫比幾何體，可按規(guī)定的長度劃分實體。這二種選項在TZAMESH命令中都有效。它會提供很多Trefftz節(jié)點，但是并不是節(jié)點越多精度越高。精度也受外表面單元數(shù)和Trefftz 源項近似的影響。一般例題將不超過20到100Trefftz節(jié)點。利用下列方法，可刪除Trefftz節(jié)點：命令：CMSEL,TZ_NOD NDELE,ALLCMDELE,TZ_NODGUI：Main MenuPreprocessorTrefftz DomainDelete TZ Nodes4）建立Trefftz 子結(jié)構(gòu)、超單元、和約束方程。Trefftz方法使用有限元模型的外表面和Trefftz節(jié)點建立子結(jié)構(gòu)矩陣。用MATRIX50超單元將該矩陣組合到模型中。另外，需要一組約束方程來完善Trefftz 區(qū)域。利用TZEGEN宏命令，可自動完成建立子結(jié)構(gòu)、用超單元組合到模型、定義約束方程等過程。建立子結(jié)構(gòu)并使其以超單元的方式組合到模型中，用下列方式：命令：TZEGENGUI：Main MenuPreprocessorTrefftz Domain-Superelement-Generate TZTZEGEN命令也自動定約束方程。一旦建立了Trefftz區(qū)域，就可利用標(biāo)準(zhǔn)求解步驟來解題。如果分網(wǎng)面上的單元發(fā)生了變動或要建立一個新的Trefftz 區(qū)域，則已定義的Trefftz區(qū)域應(yīng)被刪除。在求解模型內(nèi)只能同時存在一個 Trefftz區(qū)域。采用下列方法可刪除Trefftz 超單元、相應(yīng)的約束方程和全部Trefftz 文件：命令：TZDELEGUI：Main MenuPreprocessorTrefftz Domain-Superelement-Delete TZTZDELE命令刪除在生成超單元過程中產(chǎn)生的全部Trefftz文件，包括如下文件：Jobname.TZN Trefftz源節(jié)點 Jobname.TZE 在有限元邊界上的Trefftz 表面Jobname. TZX 在有限元邊界上表面節(jié)點Jobname.TZM Trefftz 材料文件詳見本手冊例題“用Trefftz方法進(jìn)行靜電分析(命令方法)”分頁14.6 用h方法進(jìn)行靜電場分析的實例（GUI方式）14.6.1 問題描述本節(jié)描述如何做一個屏蔽微帶傳輸線的靜電分析，該傳輸線是由基片、微帶和屏蔽組成。微帶電勢為V1，屏蔽的電勢為V0，確定傳輸線的電容。該算例的描述見下圖。材料和幾何參數(shù)14.6.2 分析方法與建模提示通過能量和電位差的關(guān)系可以求得電容：We = 1/2C(V1-V0)2，We是靜電場能量，C為電容。在后處理器中對所有單元能量求和可以獲得靜電場的能量。后處理器中還可以畫等位線和電場矢量圖等。14.6.3 目標(biāo)結(jié)果目標(biāo)電容, pF/m 178.1步驟 1: 開始1.進(jìn)入ANSYS程序. 2.選擇菜單路徑Utility MenuFileChange Title. 3.輸入Microstrip transmission line analysis.4.點擊 OK.5.選擇Main MenuPreferences. 6.點擊Magnetic-Nodal和Electric.7.點擊 OK.步驟 2: 定義參數(shù)1.選擇Utility MenuParametersScalar Parameters.2.輸入下列參數(shù)，若發(fā)生輸入錯誤，重新輸入即可V1 = 1.5V0 = 0.53.點擊 Close步驟 3: 定義單元類型1.選擇Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete. 2.點擊 Add.3.點擊高亮度的Electrostatic和2D Quad 121.4.點擊 OK.5.點擊 Close.步驟 4: 定義材料屬性1.選擇Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models.2.在材料窗口,依次雙擊以下選項: Electromagnetics, Relative Permittivity, Constant3.MURX (Relative permeability)輸入 1,點擊OK.在定義材料的窗口的左邊區(qū)域顯示的材料號為1.4.選擇菜單路徑 EditCopy. 點擊OK。把材料1拷貝到材料2.5.在材料框中，雙擊2號材料和Permittivity (constant). 6在PERX區(qū)域輸入10, 點擊OK.7選擇菜單路徑 MaterialExit 8點擊 SAVE_DB on the ANSYS Toolbar.步驟 5: 建立幾何模型和壓縮編號1.選擇Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-Rectangle By Dimensions.2.輸入下列值(用TAB鍵，在輸入?yún)^(qū)域間切換)X1 域0X2域.5Y1域0Y2域13.點擊 Apply. 4.創(chuàng)建第2個矩形，輸入下列值：X1域.5X2域5Y1域0Y2域15.點擊 Apply. 6.創(chuàng)建第3個矩形，輸入下列值：X1域0X2域.5Y1域17.點擊 Apply.8.創(chuàng)建第4個矩形，輸入下列值：X1域.5X2域5Y1域1Y2域109.點擊 OK.10.粘接所有面, 選擇Main MenuPreprocessor-Modeling-Operate-Booleans-GlueAreas.11.點擊 Pick All.12.選擇Main MenuPreprocessorNumbering CtrlsCompress Numbers.13.設(shè)置 Item to be compressed 為 Areas.14.點擊 OK.分頁步驟 6: 為模型各個部分指定屬性為網(wǎng)格劃分作準(zhǔn)備1.選擇Utility MenuSelectEntities. 2.把頂端的選項按鈕由Nodes設(shè)置為Areas.3.把緊接著的選項按鈕設(shè)置為 By Num/Pick.4.點擊 OK. 5.通過點擊，選取面1和2. (面1和2在圖形窗口的底部) 被選中的面會改變顏色。6.點擊 OK.7.選擇Main MenuPreprocessor-Attributes-definePicked Areas. 點擊 Pick All. 8.設(shè)置Material number 為2.9.點擊 OK.10.選擇Utility MenuSelectEntities. 11.確認(rèn)兩個按鈕為 Areas 和 By Num/Pick.12.點擊 Sele All, 點擊 OK.13.點擊 Pick All.14.選擇Utility MenuSelectEntities.15.把頂部按鈕設(shè)置為 Lines.16.把底部按鈕設(shè)置為 By Location.17.點擊 Y Coordinates .18.在Min, Max 區(qū)域, 輸入1.19.點擊 Apply.20.點擊Reselect和X Coordinates按鈕21.在 Min, Max 區(qū)域, 輸入.25.22.點擊 OK.步驟7: 劃分模型1.選擇Main MenuPreprocessor-Meshing-Size Cntrls-Lines-All Lines. 2.在No. of element divisions 區(qū)域, 輸入8.3.點擊 OK.4.選擇Utility MenuSelectEntities. 5.確認(rèn)頂部按鈕設(shè)置為Lines.6.設(shè)置下面的按鈕為By Num/Pick.7.點擊From Full .8.點擊 Sele All, 點擊 OK. 9.點擊 Pick All.10.選擇Main MenuPreprocessorMeshTool. 11.點擊 Smart Size 按鈕.12.將SmartSizing滑塊移動到3.13.確認(rèn)Mesh 對象設(shè)置為Areas.14.點擊shape：Tri按鈕.15.點擊MESH 按鈕. 16.點擊 Pick All. 17.點擊 Close 步驟8: 施加邊界條件和載荷1.選擇Utility MenuSelectEntities.2.設(shè)置頂部按鈕為Nodes.3.設(shè)置下面的按鈕為By Location.4.點擊Y Coordinates和From Full 按鈕.5.在Min, Max區(qū)域, 輸入1.6.點擊 Apply.7.點擊X Coordinates和Reselect 按鈕.8.在Min, Max區(qū)域, 輸入0,.5.9.點擊 OK.10.選擇Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Electric- Boundary-Voltage-On Nodes. 11.點擊 Pick All.12.在Value of voltage (VOLT)區(qū)域, 輸入V1.13.點擊 OK.14.選擇Utility MenuSelectEntities. 15.確認(rèn)上面的兩個按鈕設(shè)置為Nodes 和By Location.16.點擊 Y Coordinates 和From Full 按鈕.17.在Min, Max 區(qū)域, 輸入0.18.點擊 Apply.19.點擊 Also Sele 按鈕.20.在 Min, Max 區(qū)域, 輸入10.21.點擊 Apply.22.點擊 X Coordinates 按鈕.23.在Min, Max 區(qū)域, 輸入5.24.點擊 OK.25.選擇Main MenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Electric- Boundary-Voltage-On Nodes. 26.點擊 Pick All. 27.在 Value of voltage (VOLT) 區(qū)域, 輸入V0.28.點擊 OK.步驟9: 對面進(jìn)行縮放1.選擇Utility MenuSelectEntities. 2.確認(rèn)頂部的按鈕設(shè)置為Nodes, 下面的按鈕設(shè)置為 By Num/Pick, 和 From Full。3.點擊Sele All 按鈕,點擊OK.點擊 Pick All.4.選擇Main MenuPreprocessor-Modeling-OperateScaleAreas.5.點擊 Pick All. 6.在 RX, RY, RZ Scale Factors 區(qū)域, 輸入下列值：RX field.01RY field.01RZ field07.在Items to be scaled 區(qū)域, 設(shè)置按鈕為 Areas and mesh.8.在Existing areas will be 區(qū)域, 設(shè)置按鈕為Moved.9.點擊 OK.10.選擇Main MenuFinish.分頁步驟 10: 求解1.選擇Main MenuSolution-Solve-Current LS.2.點擊 Close.3.點擊 OK開始求解.求解后要彈出一個提示信息，點擊 Close.4.選擇Main MenuFinish.步驟 11: 存儲分析結(jié)果1.選擇Main MenuGeneral PostprocElement Tabledefine Table. 2.點擊 Add.3.在User label for item 區(qū)域, 輸入SENE.4.在Results data item 區(qū)域, 點亮Energy (當(dāng)左邊的Energy顯示為高亮度時，右邊的Elec energy SENE自動顯示為高亮度)5.點擊 OK.6.點擊 Add.7.在User label for item 區(qū)域, 輸入EFX.8.在Results data item 區(qū)域, 點亮Flux & gradient 和 Elecfield EFX.。9.點擊 OK.10.點擊 Add.11.在 User label for item 區(qū)域, 輸入EFY.12.在Results data item 區(qū)域, 點亮Flux & gradient和Elec field EFY.。13.點擊 OK. 14.點擊 Close15.點擊 SAVE_DB步驟 12: 畫結(jié)果圖1.選擇Utility MenuPlotCtrlsNumbering. 2.設(shè)置Numbering shown with 區(qū)域為Colors only.3.點擊 OK.4.選擇Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu. 5.在Item to be contoured 區(qū)域, 點亮DOF solution和Elec poten VOLT.。6.點擊 OK. 7.選擇Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Vector Plot-User-defined. 8.在Item 區(qū)域, 輸入EFX.9.在Lab2 區(qū)域, 輸入EFY.10.點擊 OK. 步驟13: 進(jìn)行電容計算1.選擇Main MenuGeneral PostprocElement TableSum of Each Item. 2.點擊 OK. 一個彈出窗口會顯式所有單元表及其值。3.點擊 Close4.選擇Utility MenuParametersGet Scalar Data. 5.在Type of data to be retrieved 區(qū)域, 點亮Results data和Elem table sums.6.點擊 OK.彈出的對話框顯式求和的單元表值。7.在Name of parameter to be defined, 區(qū)域, 輸入W.8.設(shè)置Element table item 區(qū)域為SENE.9.點擊 OK.10.選擇Utility MenuParametersScalar Parameters. 11.輸入下列值：C = (w*2)/(V1-V0)*2)C = (C*2)*1e12)12.點擊 Close.13.選擇Utility MenuListStatusParametersNamed Parameter. 14.在Name of parameter 區(qū)域, 點亮C.15.點擊 OK. 彈出窗口顯式C的值。16.點擊 Close關(guān)閉彈出窗口。分頁步驟 14: 完成分析選擇Main MenuFinish. 點擊 QUIT，選擇一種退出方式并點擊 OK.分頁14.7 命令流實現(xiàn)/BATCH,LIST/PREP7/TITLE, MICROSTRIP TRANSMISSION LINE ANALYSISET,1,PLANE121! USE 2-D 8-NODE ELECTROSTATIC ELEMENTV1=1.5! DEFINE STRIP POTENTIALV0=0.5! DEFINE GROUND POTENTIALMP,PERX,1,1! FREE SPACE RELATIVE PERMITTIVITYMP,PERX,2,10! SUBSTRATE RELATIVE PERMITTIVITYRECTNG,0,.5,0,1RECTNG,.5,5,0,1RECTNG,0,.5,1,10RECTNG,.5,5,1,10AGLUE,ALLNUMCMP,AREAASEL,S,AREA,1,2AATT,2ASEL,ALL! SET AREA ATTRIBUTES FOR AIRLSEL,S,LOC,Y,1LSEL,R,LOC,X,.25LESIZE,ALL,8LSEL,ALLSMRTSIZE,3MSHAPE,1! Triangle meshAMESH,ALLNSEL,S,LOC,Y,1! SELECT NODES ON MICROSTRIPNSEL,R,LOC,X,0,.5 D,ALL,VOLT,V1! APPLY STRIP POTENTIALNSEL,S,LOC,Y,0 NSEL,A,LOC,Y,10 NSEL,A,LOC,X,5! SELECT EXTERIOR NODESD,ALL,VOLT,V0! APPLY GROUND POTENTIALNSEL,ALLARSCALE,ALL,.01,.01,0,0,1! SCALE MODEL TO METERSFINISH/SOLUTIONSOLVEFINISH/POST1ETABLE,SENE,SENE! STORE ELECTROSTATIC ENERGYETABLE,EFX,EF,X! STORE POTENTIAL FIELD GRADIENTSETABLE,EFY,EF,Y/NUMBER,1PLNSOL,VOLT! DISPLAY EQUIPOTENTIAL LINESPLVECT,EFX,EFY! DISPLAY VECTOR ELECTRIC FIELD (VECTOR)SSUM! SUM ENERGY*GET,W,SSUM,ITEM,SENE! GET ENERGY AS WC=(W*2)/(V1-V0)*2)! CALCULATE CAPACITANCE (F/M)C=(C*2)*1E12)! FULL GEOMETRY CAPACITANCE (PF/M)*STATUS,C! DISPLAY CAPACITANCEFINISH14.8 電容計算實例(命令流)下面是一個如何利用ANSYS命令進(jìn)行電容矩陣計算的實例，也能通過相應(yīng)的ANSYS GUI菜單路徑進(jìn)行分析。關(guān)于導(dǎo)體系統(tǒng)求取電容的詳細(xì)情況見本手冊“多導(dǎo)體系統(tǒng)求解電容”部分。14.8.1 問題描述本題為一個無限接地板上面放置二個長圓柱導(dǎo)體，計算導(dǎo)體和地之間的自電容和互電容系