ANSYS關(guān)于電場分析步驟及例子

ANSYS 關(guān)于電場分析的步驟和例子 電場分析要計(jì)算的典型物理量有 電場 電流密度 電荷密度 傳導(dǎo)焦耳熱 純電場分析 包括 穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析 靜電場分析 電路分析 靜電場的分析基礎(chǔ)是泊松方程 主要的未知量 節(jié)點(diǎn)自由度 是標(biāo)量電位 電壓 可用于電場分析的單元可用于電場分析的單元 表 1 傳導(dǎo)桿單元 單元單元維數(shù)維數(shù)形狀或特性形狀或特性自由度自由度 LINK683 D 單軸 2 節(jié)點(diǎn)溫度和電壓 表 2 2 D 實(shí)體單元 單元單元維數(shù)維數(shù)形狀或特性形狀或特性自由度自由度 PLANE672 D 四邊形 4 節(jié)點(diǎn)溫度和電壓 PLANE1212 D 四邊形 8 節(jié)點(diǎn)電壓 表 3 3 D 實(shí)體單元 單元單元 維維 數(shù)數(shù) 形狀或特形狀或特 性性 自由度自由度使用注意使用注意 SOLID53 D 六面體 8 節(jié)點(diǎn) 每個節(jié)點(diǎn) 6 個自由度 可以 是位移 溫度 電壓 磁標(biāo) 量位 可用作熱 電耦合單 元或作為電 磁耦合 場單元 SOLID69 3 D 六面體 8 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)溫度 電壓 可用作熱 電耦合單 元 SOLID98 3 D 四面體 10 節(jié)點(diǎn) 每個節(jié)點(diǎn) 6 個自由度 可以 是位移 溫度 電壓 磁標(biāo) 量位 可用作熱 電耦合單 元或作為電 磁耦合 場單元 SOLID122 3 D 六面體 20 節(jié)點(diǎn) 電壓 SOLID123 3 D 四面體 10 節(jié)點(diǎn) 電壓 表 4 殼單元 單元單元維數(shù)維數(shù)形狀或特性形狀或特性自由度自由度 SHELL1573 D 四邊形殼 4 節(jié)點(diǎn)溫度和電壓 表 5 特殊單元 單元單元維數(shù)維數(shù)形狀或特性形狀或特性自由度自由度 MATRIX50 無 超單 元 根據(jù)結(jié)構(gòu)中包括的 單元確定 根據(jù)包含的單元類型決定 INFIN110 2 D 4 或 8 節(jié)點(diǎn) 每節(jié)點(diǎn)一個 可以是磁矢量位 溫度 電壓 INFIN111 3 D 六面體 8 或 20 節(jié) 點(diǎn) AX AY AZ 磁矢量位 溫度 標(biāo)量 電位或標(biāo)量磁位 表 6 通用電路單元 單元單元 維維 數(shù)數(shù) 形狀或特性形狀或特性自由度自由度 CIRCU124 無 通用電路單元 最多可 6 節(jié)點(diǎn) 每節(jié)點(diǎn)三個 可以是電勢 電流或 電動勢降 表 7 帶電壓自由度單元的反作用力 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 穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析簡介穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析簡介 穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析可以分析計(jì)算直流電流和電壓降產(chǎn)生的電流密度和電位分布 可以 進(jìn)行兩種加載 電壓和電流 穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析認(rèn)為電壓和電流成線性關(guān)系 即電流與所 加電壓成正比 穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析的步驟穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析的步驟 穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析有三個主要的步驟 1 建立模型 2 加載并求解 3 觀察結(jié) 1 建立模型建立模型 建立模型 定義工作文件名和標(biāo)題 命令 FILNAME TITLE GUI Utility Menu File Change Jobname Utility Menu File Change Title 在 GUI 參數(shù)選擇框中選擇 Electric 選項(xiàng) 以便能夠選擇需要的單元 GUI Main Menu Preferences Electromagnetics Electric 然后按照 ANSYS 建模與分網(wǎng)指南 中的描述定義單元類型 定義材料特性并建立幾 何模型 在電流傳導(dǎo)分析中 可以使用下列單元 LINK68 三維二節(jié)點(diǎn)熱 電線單元 PLANE67 二維四節(jié)點(diǎn)熱 電四邊形單元 SOLID5 三維八節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 熱 磁 電六面體單元 SOLID69 三維八節(jié)點(diǎn)熱 電六面體單元 SOLID98 三維十節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 熱 磁 電四面體單元 SHELL157 三維四節(jié)點(diǎn)熱 電殼單元 MATRIX50 三維超單元 單元的詳細(xì)介紹可參看前面單元表 必須只定義一種材料特性 電阻 RSVX 它可以是和溫度有關(guān)的 2 加載并求解加載并求解 此步驟定義分析類型及其選項(xiàng) 給模型加載 定義載荷步選項(xiàng)并求解 進(jìn)入進(jìn)入 SOLUTIONSOLUTION 處理器處理器 命令 SOLU SOLU GUI Main Menu Solution 定義分析類型定義分析類型 作下列任何一個操作 在 GUI 方式下 選擇路徑 Main Menu Solution New Analysis 并選擇 Static 分 析 如果是一個新的分析 執(zhí)行下列命令 ANTYPE static newANTYPE static new 如果是需要重啟動一個前面做過的分析 如施加了另外一種激勵 使用命令 ANTYPEANTYPE STATIC REST 如果先前分析的結(jié)果文件Jobname EMAT Jobname ESAV 和 Jobname DB 還可用 就可以重啟動分析 定義分析選項(xiàng)定義分析選項(xiàng) 選擇方程求解器 系統(tǒng)缺省使用 Frontal 求解器 命令 EQSLVEQSLV GUI Main Menu Solution Analysis Options 加載加載 電流電流 電流 AMPS 是經(jīng)常加在模型邊界上的集中節(jié)點(diǎn)載荷 AMPS 僅僅是一個載荷標(biāo)志 和單 位制無關(guān) 正值代表電流流入節(jié)點(diǎn) 負(fù)值代表流出節(jié)點(diǎn) 如果是均勻電流密度分布 應(yīng) 該耦合節(jié)點(diǎn)上的 VOLT 自由度 再將總電流加到某一個節(jié)點(diǎn)上去 命令 F F GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Excitation Current 電壓電壓 電壓 VOLT 是經(jīng)常加在模型邊界上的 DOF 約束 一個典型的應(yīng)用是說明導(dǎo)體的一端電 壓值為零 接地端 另一端為一給定電壓 命令 D D GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Excitation Charge 備份數(shù)據(jù) 備份數(shù)據(jù) 用工具條中的 SAVE DBSAVE DB 按鈕來備份數(shù)據(jù)庫 如果計(jì)算機(jī)出錯 可以方便的恢復(fù)需要的 模型數(shù)據(jù) 恢復(fù)模型時(shí) 用下面的命令 命令 RESUMERESUME GUI Utility Menu File Resume Jobname db 開始求解開始求解 命令 SOLVESOLVE GUI Main Menu Solution Current LS 施加其它載荷條件施加其它載荷條件 如果希望進(jìn)行其他加載情況的計(jì)算 可以從這里再按照上述步驟操作即可 完成求解完成求解 命令 FINISHFINISH GUI Main Menu Finish 觀看結(jié)果觀看結(jié)果 ANSYS 把結(jié)果文件寫入 Jobename RST 中 數(shù)據(jù)有 主數(shù)據(jù)主數(shù)據(jù) 節(jié)點(diǎn)電壓 VOLT 導(dǎo)出數(shù)據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù) 節(jié)點(diǎn)和單元電場 EFX EFY EFZ EFSUM 單元電流密度 JSX JSY JSZ JSSUM 單元焦耳熱 JHEAT 節(jié)點(diǎn)感生電流 進(jìn)入后處理器 命令 POST1 POST1 GUI Main Menu General Postproc 在在 POST1 中讀結(jié)果中讀結(jié)果 在 POST1 中后處理數(shù)據(jù)時(shí) 數(shù)據(jù)庫中的模型數(shù)據(jù)一定要與結(jié)果數(shù)據(jù)相統(tǒng)一 且存在 Jobname RST 文件 用 RESUME 命令讀入模型數(shù)據(jù) 用 SETSET 命令讀入結(jié)果數(shù)據(jù) 用下列命令把希望的時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果讀入數(shù)據(jù)庫 命令 SETSET TIMETIME GUI Utility Menu List Results Load Step Summary 如果沒有數(shù)據(jù)和指定的時(shí)間點(diǎn)對應(yīng) 程序自動進(jìn)行線性插值以得到在指定的時(shí)間點(diǎn)處 的數(shù)據(jù) 處理?xiàng)U單元 LINK68 時(shí) 為了得到導(dǎo)出數(shù)據(jù) 必須使用下列命令讀結(jié)果到數(shù)據(jù)庫中 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 等值線顯示 命令 PLESOL PLNSOL GUI Main menu General Postproc Plot Results Element Solution Main menu General Postproc Plot Results Nodal Solu 矢量 箭頭 顯示 命令 PLVECTPLVECT GUI Main menu General Postproc Plot Results Predifined GUI Main menu General Postproc Plot Results User Defined 列表顯示 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 其他后處理 請參見 ANSYS 基本過程手冊 電流傳導(dǎo)分析的其他例題電流傳導(dǎo)分析的其他例題 VM117 網(wǎng)路中的電流 VM170 正方形電流環(huán)中的磁場 VM173 電線中心線溫度 靜電場分析 靜電場分析 h 方法 方法 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 h 方法靜電場分析中所用單元方法靜電場分析中所用單元 表 1 二維實(shí)體單元 單元單元維數(shù)維數(shù)形狀或特征形狀或特征自由度自由度 PLANE1212 D 四邊形 8 節(jié)點(diǎn)每個節(jié)點(diǎn)上的電壓 表 2 三維實(shí)體單元 單元單元維數(shù)維數(shù)形狀或特征形狀或特征自由度自由度 SOLID1223 D 磚形 六面體 20 節(jié)點(diǎn)每個節(jié)點(diǎn)上的電壓 SOLID1233 D 磚形 六面體 20 節(jié)點(diǎn)每個節(jié)點(diǎn)上的電壓 表 3 特殊單元 單元單元維數(shù)維數(shù)形狀或特征形狀或特征自由度自由度 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 D 4 或 8 節(jié)點(diǎn) 每個節(jié)點(diǎn) 1 個 磁矢量位 溫度 或電位 INFIN1113 D 六面體 8 或 20 節(jié)點(diǎn) 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(diǎn) AZ 磁矢勢 溫度 INFIN473 D 四邊形 4 節(jié)點(diǎn)或三角 形 3 節(jié)點(diǎn) AZ 磁矢勢 溫度 h h 方法靜電場分析的步驟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 建模建模 定義工作名和標(biāo)題 命令 FILNAME TITLE GUI Utility Menu File Change Jobname Utility Menu File Change Title 如果是 GUI 方式 設(shè)置分析參考框 GUI Main Menu Preferences Electromagnetics Electric 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(jī)電系統(tǒng) MEMS 最好能更方便地設(shè)置單位制 因?yàn)橐恍┎考挥袔孜⒚状?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 6T m 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 m 加載荷和求解加載荷和求解 本步定義分析類型和選項(xiàng) 給模型加載 定義載荷步選項(xiàng)和開始求解 進(jìn)入求解處理器進(jìn)入求解處理器 命令 SOLU SOLU GUI Main Menu Solution 定義分析類型定義分析類型 選擇下列方式之一 GUI 選菜單路徑 Main Menu Solution New 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 ANTYPEANTYPE STATICSTATIC RESTREST 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 定義分析選項(xiàng)定義分析選項(xiàng) 可以選擇波前求解器 缺省 預(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 EQSLV GUI Main Menu Solution Analysis 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 加載加載 靜電分析中的典型載荷類型有 14 3 2 4 114 3 2 4 1 電壓 電壓 VOLTVOLT 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 D GUI Main Menu Solution Loads Loads Apply Electric Boundary Voltage 電荷密度 電荷密度 CHRGCHRG 命令 F GUI Main Menu Solution Loads Loads Apply Electric Excitation Charge On Nodes 面電荷密度 面電荷密度 CHRGSCHRGS 命令 SF GUI Main Menu Solution Loads Loads Apply Electric Excitation Surf Chrg Den Maxwell 力標(biāo)志 力標(biāo)志 MXWF 這并不是真實(shí)載荷 只是表示在該表面將計(jì)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(jì)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 FMAGBC GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Flag Maxwell Surf option 無限面標(biāo)志 無限面標(biāo)志 INFINF 這并不是真實(shí)載荷 只是表示無限單元的存在 INF 僅僅是一個標(biāo)志 命令 SF GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Flag Infinite Surf option 體電荷密度 體電荷密度 CHRGDCHRGD 命令 BF BFE GUI Main Menu Solution Loads Apply Electric Excitation Charge Density option 另外 還可以用命令 BFLBFL BFLBFL BFVBFV 等命令分別把體電荷密度加到實(shí)體模型的線 面 和體上 定義載荷步選項(xiàng)定義載荷步選項(xiàng) 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(xiàng) 和載荷步選項(xiàng) 詳細(xì)信息可參見第 16 章 分析選項(xiàng)和求解方法 保存數(shù)據(jù)庫備份保存數(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(shí)候可以恢復(fù)模 型數(shù)據(jù) 命令 RESUME GUI Utility Menu File Resume Jobname db 開始求解開始求解 命令 SOLVE GUI Main Menu Solution Current LS 結(jié)束求解結(jié)束求解 命令 FINISH GUI Main Menu Finish 觀察結(jié)果觀察結(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)主數(shù)據(jù) 節(jié)點(diǎn)電壓 VOLT 導(dǎo)出數(shù)據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù) 節(jié)點(diǎn)和單元電場 EFX EFY EFZ EFSUM 節(jié)點(diǎn)電通量密度 DX DY DZ DSUM 節(jié)點(diǎn)靜電力 FMAG 分量 X Y Z SUM 節(jié)點(diǎn)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 POST1 GUI Main Menu General 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 TIME GUI Utility Menu List Results Load Step Summary 如果所定義的時(shí)間值處并沒有計(jì)算好的結(jié)果 ANSYS 將在該時(shí)刻進(jìn)行線性插值計(jì)算 對于線單元 LINK68 只能用以下方式得到導(dǎo)出結(jié)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 繪制等值線圖 命令 PLESOL PLNSOL GUI Main Menu General Postproc Plot Results Element Solution Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu 繪制矢量圖 命令 PLVECT GUI Main Menu General Postproc Plot Results Predefined Main Menu General Postproc Plot Results User Defined 以表格的方式顯示數(shù)據(jù) 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 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 多導(dǎo)體系統(tǒng)提取電容 很像翻譯的多導(dǎo)體系統(tǒng)提取電容 很像翻譯的 HELP 故我把它全部故我把它全部 copy 過來 過來 14 414 4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 4 114 4 1 對地電容和集總電容對地電容和集總電容 有限元仿真計(jì)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?yàn)樗鼈儾簧婕暗蕉€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 U1 U2 Q2 C1 12 U1 U2 C1 22 U2 式中 C1稱為 集總電容 的電容矩陣 14 4 214 4 2 步驟步驟 CMATRIXCMATRIX 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 CMATRIXCMATRIX 宏命令使用 必須把導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)組成節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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 CMATRIXCMATRIX 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(diǎn)部件用導(dǎo)體表面的節(jié)點(diǎn)表示 2 選擇每個導(dǎo)體面上的節(jié)點(diǎn) 組成節(jié)點(diǎn)部件 命令 CM GUI Utility Menu Select Comp Assembly Create Component 導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn) 集 3 用下列方法之一 進(jìn)入求解過程 命令 Solu GUI Main Menu Solution 4 選擇方程求解器 建議用 JCG 命令 EQSLV GUI Main Menu Solution Analysis Options 5 執(zhí)行 CMATRIX 宏 命令 CMATRIX GUI Main Menu Solution Electromagnet Capac Matrix CMATRIXCMATRIX 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 缺省 如果你利用對 稱只建一部分模型 乘以對稱系數(shù)得到正確電容值 節(jié)點(diǎn)部件前綴名 Condname 定義導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)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(diǎn)部件數(shù) NUMCON 上例中 導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)部件總數(shù)為 3 地基準(zhǔn)選項(xiàng) GRNDKEY 如果模型不包含開放邊界 那么最高節(jié)點(diǎn)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(xiàng)設(shè)置為零 缺省 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(shí) 把 地 選項(xiàng)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(jì)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(xiàng) 缺省名為 CMATRIX 例如 CMATRIX i j 1 為對地項(xiàng) CMATRIX i j 2 為集總項(xiàng) 宏命令也建立包含矩陣的文本文件 其擴(kuò)展名為 TXT 注意 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(diǎn)或者實(shí)體模型上施加非 0 自由度值的命令 D DA 等 在節(jié)點(diǎn) 單元或者實(shí)體模型定義非 0 值的命令 F BF BFE BFA 等 帶非 0 項(xiàng)的 CECE 命令 CMATRIXCMATRIX 執(zhí)行一系列求解 計(jì)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(diǎn)組成一個節(jié)點(diǎn)部件 下圖圖 3 描述了具有合理的 NUMCOND 和 GRNDKEY 選項(xiàng)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 CMATRIXCMATRIX 做電容計(jì)算 14 514 5 開放邊界的開放邊界的 Trefftz 方法方法 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 14 5 114 5 1 概述概述 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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn) 也有一些缺點(diǎn) 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(shí) 不存在理論上的限制 不存在奇異積分 未知數(shù)最少 20 100 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(diǎn) 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(kuò)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(diǎn) 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(diǎn)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(diǎn)最大數(shù)為 1000 最高容許的節(jié)點(diǎn)號為 1 000 000 最高容許的外表面節(jié)點(diǎn)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(shí) 使 用本方法要注意建立不同的節(jié)點(diǎn)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 5 214 5 2 步驟步驟 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 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 源節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn)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(jì)算且儲存 Trefftz 節(jié)點(diǎn)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(diǎn) Trefftz 源節(jié)點(diǎn)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(jì)算所得的結(jié)果會更精確 Trefftz 源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)正好包圍模型裝置 b c 1 有限元外邊界設(shè)置到較遠(yuǎn)距離處 a b 2 對 Y 和 Z 方向應(yīng)用大致相同的規(guī)則 若 Trefftz 源節(jié)點(diǎn)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(shí)模型體 如六面體 球 園柱體或它們的布爾運(yùn)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(diǎn) 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(shí)模型劃分網(wǎng)格并建立 Trefftz 節(jié)點(diǎn) 命令 TZAMESH GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Mesh TZ Geometry 用 TZAMESHTZAMESH 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(diǎn) 它把 Trefftz 節(jié)點(diǎn)組成命名為 TZ NOD 的節(jié)點(diǎn)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(diǎn) 缺省時(shí) TZAMESH 命令把簡單實(shí)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(shí)體 這二種選項(xiàng)在 TZAMESH 命令中都有效 它會提供很多 Trefftz 節(jié)點(diǎn) 但是并不是節(jié)點(diǎn)越多精度越高 精度也受外表面單元數(shù)和 Trefftz 源項(xiàng)近似的影響 一般例題將不超過 20 到 100Trefftz 節(jié)點(diǎn) 利用下列方法 可刪除 Trefftz 節(jié)點(diǎn) 命令 CMSEL TZ NOD NDELE ALL CMDELE TZ NOD GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Delete TZ Nodes 4 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(diǎn)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 TZEGEN GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Superelement Generate TZ TZEGEN 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(shí)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 TZDELE GUI Main Menu Preprocessor Trefftz Domain Superelement Delete TZ TZDELE 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(diǎn) 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(diǎn) 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 CALL 下面竟然是例子 下面竟然是例子 HELP 中的 怎么辦 也中的 怎么辦 也 copy 吧吧 14 614 6 用用 h h 方法進(jìn)行靜電場分析的實(shí)例 方法進(jìn)行靜電場分析的實(shí)例 GUIGUI 方式 方式 14 6 114 6 1 問題描述問題描述 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)材料和幾何參數(shù) 14 6 214 6 2 分析方法與建模提示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 6 314 6 3 目標(biāo)結(jié)果目標(biāo)結(jié)果 目標(biāo)目標(biāo) 電容 pF m 178 1 步驟步驟 1 1 開始開始 1 進(jìn)入 ANSYS 程序 2 選擇菜單路徑 Utility Menu File Change Title 3 輸入 Microstrip transmission line analysis 4 點(diǎn)擊 OK 5 選擇 Main Menu Preferences 6 點(diǎn)擊 Magnetic Nodal 和 Electric 7 點(diǎn)擊 OK 步驟步驟 2 2 定義參數(shù)定義參數(shù) 1 選擇 Utility Menu Parameters Scalar 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 5 V0 0 5 3 點(diǎn)擊 Close 步驟步驟 3 3 定義單元類型定義單元類型 1 選擇 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 2 點(diǎn)擊 Add 3 點(diǎn)擊高亮度的 Electrostatic 和 2D Quad 121 4 點(diǎn)擊 OK 5 點(diǎn)擊 Close 步驟步驟 4 4 定義材料屬性定義材料屬性 1 選擇 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 2 在材料窗口 依次雙擊以下選項(xiàng) Electromagnetics Relative Permittivity Constant 3 MURX Relative permeability 輸入 1 點(diǎn)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 Edit Copy 點(diǎn)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(diǎn)擊 OK 7 選擇菜單路徑 Material Exit 8 點(diǎn)擊 SAVE DB on the ANSYS Toolbar 步驟步驟 5 5 建立幾何模型和壓縮編號建立幾何模型和壓縮編號 1 選擇 Main Menu Preprocessor 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0 X2 域 5 Y1 域0 Y2 域1 3 點(diǎn)擊 Apply 4 創(chuàng)建第 2 個矩形 輸入下列值 X1 域 5 X2 域5 Y1 域0 Y2 域1 5 點(diǎn)擊 Apply 6 創(chuàng)建第 3 個矩形 輸入下列值 X1 域0 X2 域 5 Y1 域1 7 點(diǎn)擊 Apply 8 創(chuàng)建第 4 個矩形 輸入下列值 X1 域 5 X2 域5 Y1 域1 Y2 域10 9 點(diǎn)擊 OK 10 粘接所有面 選擇 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Glue Areas 11 點(diǎn)擊 Pick All 12 選擇 Main Menu Preprocessor Numbering Ctrls Compress Numbers 13 設(shè)置 Item to be compressed 為 Areas 14 點(diǎn)擊 OK 步步驟驟 6 6 為模型各個部分指定屬性為網(wǎng)格劃分作準(zhǔn)備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 Menu Select Entities 2 把頂端的選項(xiàng)按鈕由 Nodes 設(shè)置為 Areas 3 把緊接著的選項(xiàng)按鈕設(shè)置為 By