Ansoft第1讲

Ansoft工程软件应用实践本门课程的主要内容本门课程共计16学时,课堂讲课8学时，实验8学时。课堂教学主要按以下四大部分进行：第一讲：Ansoft简介和2D建模；第二讲：实例讲解边界条件管理器、材料管理器、网格生成器；第三讲：静电场求解器；第四讲：静磁场求解器、涡流场求解器第一讲Ansoft简介和2D建模§1.1、Ansoftmaxwell简单介绍§1.2、电磁场基本理论§1.3、有限元分析与Ansoft§1.4、边界条件§1.5、maxwell2D快速上手§1.1、Ansoftmaxwell简单介绍Ansoft公司的Maxwell是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件。包括静电场、静磁场、时变电场，时变磁场，涡流场、瞬态场和温度场计算等，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。1、特点：具有直观友好的图形用户界面。快速精确的自适应求解器和功能强大的后处理功能；具有一个完整的仿真设计环境，能自动计力、转矩、电容和电感量以及储能等物理量，能以云图、矢量图或等值线的形式绘制标量电位、电场强度、磁力线、磁通密度、能量等物理量的分布结果；强大灵活的宏命令能够方便地对模型进行修改，并具有参数分析功能。2、主要求解器模块：maxwellSV：只有2D求解器maxwell10.0：在maxwellSV版本的基础上增加了3D求解器maxwell11.0及更高版本求解器模块操作界面windows化，更容易操作；去掉了温度场求解模块，需通过有ePhysics软件来进行行温度场耦合。Ansoft求解器分类：电场求解器磁场求解器静电场求解器（Electrostatic）交流传导电场求解器（ACConduction）直流传导电场求解器（DCConduction）稳态场求解器（Magnetostatic）涡流求解器（Eddycurrent）瞬态场求解器（Transient）静电场求解器（ElectrostaticField）用于分析由静止电荷/电荷密度、直流电压源等引起的静电场。该模块直接计算标量电位，得到电场强度（E），电位移矢量（D），电场力、电场能量、转矩、电容值等。交流传导电场求解器（ACConduction）用于分析由时变电场（交流源）在导体中产生的传导电流及介电损耗问题。直流传导电场求解器（DCConduction）用于分析由恒定电场（恒定电压源）在导体中产生的传导电流及介电损耗问题。恒定（静）磁场求解器（Magnetostatic）用于分析由恒定电流、电压源、永磁体以及外部激励引起的磁场。该模块可计算磁场强度（H），电流密度（J），磁感应强度（B），磁场力、磁场能量、转矩、电感等。可用于分析直流载流线圈磁场，永磁体产生磁场等。涡流场求解器（EddyCurrent）用于分析受涡流、集肤效应、邻近效应影响的系统。它求解的频率范围可以从０到数百兆赫兹，能够计算损耗、铁损、力、转矩、电感与储能。可用于分析导体中的涡流分布。三维正弦电磁场特性等。静态场和涡流场的对比静态场由恒定电流源产生，静态场中所有的磁场量均不随时间的改变而改变。涡流场由按照正弦或余弦规律变化的电流源产生，因此涡流场中所有的磁场量要随着时间的改变而改变，但从统计意义上讲，这些磁场量是时间平稳的（随时间呈规律性变化）。我们将这样的磁场看成是准静态的电磁场。似稳条件：理想介质的似稳条件：R导体的似稳条件：瞬态场求解器（Transient）在实际电磁场中，常常会遇到电压源、电流源、外加场是无规则变化的，由此引起的电磁场称为瞬态场。瞬态场中所有的场量随时间的变化而变化，需要瞬态场求解器求解。例如：一个螺线管，激励电压在时间t内从0伏增加到U伏，此时螺线管内产生的电磁场就是瞬态场。3、Ansoft仿真步骤建模设置材料属性（电导率，介电常数，磁导率等）设置激励源和边界条件自适应网格剖分后处理有限元计算选择求解器类型§1.2、电磁场基本理论1、亥姆霍兹定理在一定边界条件下，空间矢量场由它的散度和旋度唯一确定。散度：zAyAxAVSdAAdivzyxsV0limA通量闭合曲面矢量的散度描述了矢量场中任意一点的发散性质。旋度：zyxzyxlSAAAzyxeeeSldAArot0limxyzezAyA)(yzxexAzA)(zxyeyAxA)(A环量闭合曲线矢量的旋度描述了矢量场中在任意一点沿任意方向的旋转强度。2、maxwell方程组在19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人工作的基础上提出了适用于所有宏观电磁现象的数学模型，称为麦克斯韦方程组。它是电磁场理论的基础，也是工程电磁场数值分析的出发点。法拉第电磁感应定律全电流定律高斯电通定律高斯磁通定律电荷守恒定律法拉第电磁感应定律tBE（1）全电流定律tDJH（2）高斯电通定律D（3）高斯磁通定律0B（4）电荷守恒定律tJ（5）2、本构关系场量E、D、B、H之间的关系，由媒质的特性决定。对于线性介质，本构关系为：：电导率：磁导率；介电常数；:HBEJED3、达朗贝尔方程（波动方程）因为：tAE洛伦兹条件：tA达朗贝尔方程(DalangbaierEguation)222222ttJAA达朗贝尔方程的通解：)(1)(121)(vrtfrvrtfrt通解具有波动性式中具有速度的量纲，f1，f2是具有二阶连续偏导数的任意函数。1v静态场的微分方程：由时变场的达朗贝尔方程可以推导出静态场中的微分方程：JA2/2泊松方程：拉普拉斯方程：02A02问题电磁场的分析与计算通常归结为求微分方程的解。在一个复杂的工程中，很多电磁场的微分方程组都无法直接求解，我们如何求解这样的复杂问题？§1.3、有限元分析与Ansoft1、什么是有限元分析(FEA,FiniteElementAnalysis)?有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，用简单的问题代替复杂问题后再求解。基本思想：将求解域划分为若干个小的子区域，每个子区域中的未知量个数是有限的，因此称为“有限元”。求解复杂问题时，先求解各个子区域的近似解，然后将各个“有限元”的近似解加以整合，从而推导出复杂问题的解。实际系统有限元模型2、有限元分析法解的特点由于有限元分析法是将复杂系统简单化，使用简单问题代替复杂问题，因此有限元分析法的解只能是“近似解”，而不是“精确解”。提高求解精度的办法：使用最佳的简化模型，最好地“近似”实际系统。子区域划分越小（网格越细），求解的精度就越高。4.Ansoft的自适应网格剖分自适应网格剖分功能是Ansoft的一个核心功能。工程师只需要指定模型的几何形状、材料属性等，Ansoft就能够自动的进行网格剖分。工程师通过简单的设置就能够控制网格的剖分，例如可以设置有限元的最大尺寸，用以控制剖分的精细程度。在几何结构突变处、场量变化大处，剖分网格加密，其他部位较稀疏，这样既保证计算精度，也保证了计算速度。§1.4、边界条件什么是边界条件在有限元数值计算中，最终求解的是矩阵方程（微分方程组），边界条件就是该方程组的定解条件（微分方程的初值）。边界条件就是模型各个边界上的已知量。解微分方程时，满足方程组的解有无数组，但是既满足方程组又满足边界条件的数值解仅有一组。边界条件保证了求解方程组的唯一解。电磁场问题求解中，有各式各样的边界条件，概括起来一般有6类边界：边界条件的分类1、自然边界条件(NaturalBoundary)静电场的分界面条件：ttnnEEDD2112恒定磁场的分界面条件：ttnnHHBB2112自然边界条件也成为纽曼边界条件，用来描述两个相互接触的物体，在接触面上，磁场强度H的切向分量和磁感应强度B的法向分量保持连续。自然边界条件无需用户自行定义，软件在求解的时候会自动添加到两个物体的接触边界上。2、狄里克莱边界条件（矢量磁位边界条件）(VectorPotentialBoundary)常数zA矢量磁位边界条件主要施加在求解域或计算模型的边线上。该边界条件定义边线上的所有点都满足公式：方向的矢量磁位坐标系下为ZXYzA的理想绝缘情况。时，描述的是模型边线当常数0如果计算的模型具有对称性，则可以通过使用对称边界条件来达到缩小计算模型区域的目的，从而提高求解速度。3、对称边界条件（SymmetryBoundary）对称边界条件分为奇对称条件和偶对称条件。奇对称边界可以模拟一个设备的对称面，在对称面的两侧电荷、电位、电流满足大小相等、方向相反。奇对称条件偶对称边界可以模拟一个设备的对称面，在对称面的两侧电荷、电位、电流满足大小相等、方向相同。偶对称条件4、诺伊曼边界条件（Neumann)又称为第二类边界条件，它规定了边界处的法向导数分布。即法向导数为0。默认边界条件，不需用户指定。默认边界条件，不需用户指定。5、主从边界（MasterandSlaveBoundary）模拟周期性结构的对称面（例如旋转电机的几何模型），使主边界和从边界场量具有相同的幅度，相同或相反的方向。6、气球边界边界（BallonBoundary）气球边界边界是maxwell求解器常见的边界条件，常常指定在求解区域的外边界处，用于模拟绝缘系统。气球边界有两个可选项：电荷-在无穷远处净电荷为0（经常用于电容计算）；电压-在无穷远处电压为0。§1.5、maxwell2D快速上手1、软件启动启动AnsoftMaxwell软件有两种方法：§1.5、maxwell2D快速上手直接在桌面上双击图标方法一：从开始菜单进入。依次左击开始所有程序ansoftmaxwell15.0windows32-bitmaxwell15.0(32-bit)方法二：2、创建一个新的工程（2）右键单击工程名,然后选择弹出的快捷菜单栏rename项，改变工程名；（1）在Maxwell窗口中,左键单击工具栏􀀒图标,或选中菜单栏FileNew；或者点击工具栏中的快捷键：（4）右键单击Maxwell2DDesign1，然后选择弹出的快捷菜单栏Rename项，修改工程下的设计名。（3）点击菜单栏ProjectInsertMaxwell2DDesign，在工程中插入Maxwell2D设计；或单击工具栏左下方的快捷键：3、maxwell界面环境Maxwell操作界面如下图示，在菜单工具栏下，主要有七个工作区域。工程管理属性表单工程树工程信息工程进度绘图区坐标输入工程管理栏：可以管理一个工程文件中的不同部分或管理几个工程文件。属性表单：在表单中可以显示或修改绘图区中的模型属性，例如：模型名称、颜色、模型材料等；模型的属性信息绘制模型的命令信息属性表单：在表单中可以显示或修改绘图区中的模型属性，例如：模型名称、颜色、模型材料等；模型的属性信息SolveInside：是否求解模型的内部。Modle：勾选，说明软件会自动求解整个模型以及模型的外部区域；否则软件将忽略模型外部的网格并不对其求解工程信息栏：该栏显示工程文件在操作时的一些详细信息，例如警告提示，错误提示，求解完成等信息。工程进度栏：主要显示的是求解进度，参数化计算进度等，该进度信息通常会用红色进度条表示完成的百分比。工程树栏：在此可以看到模型中的各个部件及材料属性、坐标系统等关键信息，也方便用户对其进行分别管理。工程树区的说明工程树栏是以树形结构来管理绘图区中绘制的模型。绘图区的所有模型按照所绑定的材料进行分类管理。绘图区的每个模型下的子树中汇集了生成这个模型的所有命令（操作）。如果读者不小心在操作中将这几区域给关闭了，还可以在View菜单栏中将其对应项前的对号勾上，则对应的区域会从新显示出来。如图1-2所示。图1-2View菜单下