ANSYS耦合场分析指南
第一章耦合场分析
1.1耦合场分析的定义
耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。
需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。
1.2耦合场分析的类型
耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。
1.2.1 顺序耦合方法
顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。
1.2.2 直接耦合方法
直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。
1.2.3 直接法与顺序法的应用场合
对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。因为两个分析之间是相对独立的。例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。
当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。它使用耦合变量一次求解得到结果。直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。
参见本手册中第五章关于声学的更多信息。
参见《ANSYS Basic Analysis Guide》中关于加载的更多信息。
1.3单位制
在ANSYS中应确保你所输入所有数据单位制的统一。可以使用任何单位制。对电磁场分析，参见《ANSYS Commands Reference》中EMUNIT命令对于自由空间中磁导率和介电常数设定的更多信息。
对微电机械系统（MEMS），用更合适的单位制建立模型会更加方便，因为MEMS部件通常大小为几微米。为方便，表1-1到1-8列出从标准的MKS转换到μMKSV 及μMSVfA及的转换系数。
表1-2热学从MKS到uMKSV的转换系数
1.自由空间的介电常数为8.854 x 10pF/μm.
表1-4磁场从MKS到uMKSV[1]的单位制转换
1.只有不变的磁导率才能用这些单位
2.自由空间的磁导率为4πx10-25TH/μm
表1-6热学从MKS 到uMSVfA的转换系数
表1-7电学从MKS到uMSVfA单位制的转换系数
1．自由空间的介电常数为8.854 x 10pF/μm.
表1-8磁场中从MKS到uMKSVfA[1]的转换系数
1.
2.自由空间的磁导率为4π x 10-28(g)(μm)/(fA)2(s)2.
1.4GUI路径及命令语言
贯穿于本手册，你将会看到对ANSYS命令及其相应GUI路径的引用。这种引用只是针对命令的名称，因为不必总是需要指定命令所有变量，指定命令变量的组合执行不同的功能。对完整的ANSYS命令的语法，查询《ANSYS Commands Reference》。
GUI路径则尽可能显示完整。因为很多情况下，选择GUI路径将执行你想要进行的操作。另外的情况，选择本手册指示的GUI路径会出现菜单会对话框；从该处，必须选择额外的选项才能适合于具体执行的任务。
对本指南中所有的分析类型，指定要模拟的材料使用直观的材料模型定义界面。这个界面使用分等级的树型材料分类，意在助你选择正确的分析模型。参见《ANSYS Basic Analysis Guide 》中的1.2.4.4 材料模型界面一节。
第二章顺序耦合场分析
2.1 什么是顺序多场耦合
顺序多场耦合是指将不同工程领域多个相互作用的综合分析，求解一个完整的工程问题。为了方便，本章把与一个工程学科求解分析相联系的过程叫做一个物理分析。当一个物理分析的输入依赖于另一个分析的结果，那么这些分析是耦合的。
有些情况只使用“单向”耦合。例如计算流过水泥墙的流场提供了对墙壁进行结构分析的压力载荷。压力引起墙的变形，反过来又会影响墙周围流场的几何形状。实际上流场的几何形状变化很小，可以忽略不计。因此就没必要再返回来计算变形后的流场。当然在此分析中，流体单元用于求解流场，结构单元用于计算应力和变形。
一个较复杂的情况是感应加热问题，交流电磁场分析计算出焦耳热生成的数据，瞬态热分析用于预测时间相关的温度解。但在两个物理分析中材料的性能都是随温度明显变化的，造成感应热问题求解的复杂性。这就需要两种物理分析的反复进行。
顺序耦合是指多个物理分析一个一个按顺序分析。第一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷。如果分析是完全耦合的，那么第二个物理分析的结果又会影响第一个物理分析的输入。全部载何可分为以下两类：
?基本物理载荷，不是其它物理分析的函数，这种载荷也叫名义边界条件；
?耦合载荷，是其它物理分析的结果。
典型ANSYS顺序耦合分析应用包括：
?热应力；
?感应加热
?感应搅拌
?稳态流体－结构耦合
?磁－结构耦合
?静电－结构耦合
?电流传导－静磁
ANSYS程序能够使用一个数据库文件进行多物理耦合分析，使用同一个有限元模型。而这些单元所代表的物理意义在不同的物理分析中是不同的，这就用到物理环境的概念。
2.2什么是物理环境？
ANSYS程序使用物理环境的概念进行顺序耦合场分析。可以将所有的操作参数及某一物理分析选项全部写入一个物理环境文件。它是一个ASCII文件，用以下方法创建：Command: PHYSICS, WRITE, TITLE, FILENAME, EXT, DIR
GUI: Main Manu: Preprocessor>Physics Environ
Main Manu: Solution>Physics Environ
针对一个具体的工作名可以定义多达9个物理环境。在physics命令中可为每一个物理环境定义一个唯一的标题。ANSYS为每一个物理环境指定唯一的编号并作为物理环境文件扩展名的一部分。建议使用标题描述分析的物理环境。这个标题应该与在/Title命令中（Utility Menu>File>Create Title）设定的标题区分开。
Physics, Write命令创建物理环境文件（例如Jobname, PH1）,并将ANSYS数据库中的如下信息写入这个文件：
?单元类型及KEYOPT设定；
?实常数；
?材料属性；
?单元坐标系
?求解分析选项；
?载荷步选项；
?约束方程；
?耦合节点集；
?施加的边界条件和载荷；
?GUI过滤设置；
?分析标题（/TITLE）；
使用PHYSICS，READ命令(Main Menu>Prepreccssor>Physics>Environ>read)读取一个物理环境文件。使用写入此物理环境文件时使用的文件名或标题（标题在物理环境文件的开头）。在读入物理环境以前，ANSYS程序将清除数据库中所有的边界条件，载荷，节点耦合，材料属性，分析选项，约束方程。
2.3一般分析步骤
进行顺序耦合场分析可使用间接法或物理环境法。
对于间接方法，使用不同的数据库和结果文件，图2－1为用间接方法的典型顺序耦合分析数据流程图。每个数据库包含合适的实体模型，单元，载荷等。可以把一个结果文件读入到另一个数据库中。但单元和节点编号在数据库和结果文件中必须是一致的。
图2－2为物理环境方法的数据流程图，对于这种方法，整个模型使用一个数据库。数据库中必须包含所有物理分析所需的节点和单元。对于每个单元或实体模型图元，必须定义一套属性编号，包括单元类型号，材料编号，实常数编号及单元坐标系编号。所有这些编号在所有物理分析中是不变的。但在每个物理环境中，每个编号对应的实际的属性是不同的，例如实常数和单元类型。模型中的某一区域在某一个物理环境中，可以是无效的，本章后面将详细解释。
图2－1间接法顺序耦合分析数据流程图
图2－2使用物理环境顺序耦合场分析数据流程
在创建ANSYS数据库时应该考虑所有物理环境的要求。在创建任何物理环境以前，要对每个面或体的区域赋予正确的单元类型编号、材料编号、实常数编号、单元坐标系编号（参阅AATT及VATT命令描述）。对于模型中某一面或体区域在不同物理环境中都是分析区域的一部分时要格外小心。例如，流体可能有磁特性。在流体分析中，流体的材料编号必须为1。如果不能这样作，必须修改必要的单元属性，再进行不同求解。要修改单元，使用如下命令：Command: Emodif
GUI: Main Menu>Preprecessor>Modify Attrib
间接法，比较适用于单向顺序耦合，例如典型的热－应力分析。而物理环境方法允许在物理环境之间快速转换，对于在多个物理分析间需要全耦合多次求解的情况非常适用。大变形的稳态－流体结构耦合问题及感应加热是需要用物理环境方法的典型应用。
注意：数据库文件的大小在多次求解的过程中会不断增长，除非采取下列措施：
?在创建物理环境之后执行SAVE命令，并在每一次物理场求解后RESUME恢复数据库。
?不要将结果写入数据库中（只写到结果文件中）。当进行后处理时需要利用SET命令将数据从结果文件读到数据库中。要激活这个选项，执行/CONFIG，NOELAB，1命令或将“NO_ELDBW=1”插入到config60.ans文件中。
2.4在物理分析之间传递载荷
LDREAD命令在耦合场分析中联系不同的物理环境，使得在第一个物理环境中的分析结果作为载荷，传递到下一个物理环境中求解。
LDREAD命令从结果文件中读取数据并作为载荷施加，下表简要地解释了当LDREAD命令读取结果数据加载到另一分析中发生的数据转换。
表
2.4.1兼容的单元类型
在不同物理环境中单元兼容的准则，有许多细则要确定。在深入了解这些细则以前，需要弄清以下几个术语：
单元基本形状：
单元的基本形状具有缺省的配置，在ANSYS单元手册中有详细描述。对于实体单元，单元基本形状包括：四边形、三角形、六面体（砖块）、四面体。
单元退化形状：
许多单元可以从基本形状退化。例如四边形单元可以退化成三角形，六面体单元可以退化成楔形单元、四面体单元或金字塔形单元
单元阶次：
ANSYS单元（P单元除外），可分为低阶（一阶）或高阶（二阶）形式。高阶单元具有中节点。低阶单元没有中间节点。有许多情况，可以生成没有中节点的高阶单元在所有的多物理环境中，单元类型必须保持相同的单元基本形状。如果一种单元允许有退化形状，在其它物理环境中对应的单元类型必须可以退化成同样的形状。例如：Solid 92（10节点四面体结构单元）与Solid 87（10节点四面体热单元）可以兼容。但Solid92与Solid90（20节点热单元）的退化的四面体单元不能兼容。
在不同物理环境中不同阶数的单元可能兼容也可能不兼容。使用LDREAD命令读取载荷可以确定单元的兼容性。此外，有些单元类型有特定的KEYOPT选项，支持低阶或高阶耦合载荷传递。
下列载荷可以从一阶或二阶单元中读取，并加载到另一个物理环境中的一阶或二阶单元上：
?体积载荷温度（TEMP）；
?体积载荷单元热生成（HGEN）；
?源电流密度(TS)；
?表面压力（PRES）；
?表面热通量（HFLU）；
?表面对流系数及环境温度（HFLM）；
需要单元阶次兼容的载荷：
?力载荷（FORC）
?反作用载荷（REAC）
以下的电磁场单元支持结构单元的一阶或二阶设定：PLANE53，PLANE121，SOLID122，SOLID123。
如果物理环境的建立需要转换单元阶次，必须初始用高阶单元划分网格。表2－2列出部分兼容的单元类型。
表2-2 物理环境中兼容的单元类型[1][2]
1．如果网格包含退化的单元形状，相应的单元类型必须允许相同的退化形状。例如，网格包括FLUID142金字塔单元，就与SOLID70单元不兼容。SOLID70单元不能退化为金字塔形状。
2．要兼容带有VOLT自由度的单元必须有相同的反力（见ANSYS Electromagnetic Field Analysis Guide中的单元兼容一节）。
3．需要力只支持一阶单元。
4．需要力时支持一阶单元需要单元KEYOPT的设定。
2.4.2可以使用的结果文件类型
在一个间接耦合场分析或物理环境耦合场分析中，要用到包含不同类型的几个结果文件类型。所有结果文件将有相同的文件名（用/Filename命令设定或Utility
Menu:>File>Change Jobnane）。区分这些结果文件，查看它们的扩展名：
2.4.3瞬态流体-结构分析
对瞬态流体-结构分析，相应于流体边界条件逐渐改变的间隔点需要进行结构分析。例如假定要执行从2.0秒执行结构分析，进口速度从0秒时的1.0in/sec渐变到4秒时的
5.0in/sec。首先在2.0秒以通常的方式执行结构分析。当执行PHYSICS，READ，FLUID时（Main Menu>Solution>Physics Environ>Read）恢复流体分析，可以重新施加瞬态渐变载荷。在第2.0秒施加进口速度为3.0in/sec然后通过执行下列命令表明这是老边界条件：
命令:FLOCHECK,2
GUI:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Flocheck
这意味着2.0秒的进口边界条件3.0in/sec是渐变的起点。然后输入最终的渐变载荷点，第四秒的速度5.0in/sec。利用下面方法指定渐变边界条件：
Command(s):FLDATA4,TIME,BC,1
GUI:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl 利用通常的SOLVE命令执行瞬态分析。
更多关于施加瞬态边界条件的信息，参见§6。
2.5使用物理环境运行一个顺序耦合场分析
本节将详细描述怎样使用物理环境进行顺序耦合场分析。
1．创建满足所有物理环境的模型，要劳记以下几点：
?ANSYS实体模型的每一个面或体，都要定义对应的单元类型、材料属性、实常数。所有的实体模型图元应当有单元类型号、实常数号、材料号及单元坐标系号。（而这些编号对应的属性，在每个物理环境中是不同的。）
?面或体的特定分组将用于两个或更多物理环境，所用模型的网格必须能满足所有物理环境。
2．创建物理环境，对每一物理过程执行这一步，作为耦合场分析的一部分。
?根据《ANSYS Analysis Guide》中的不同内容确定每个物理分析要设定的内容；
?定义每个物理过程模拟所需的单元类型（例如：FLOTRAN中ET，1，141或ET，2，142等；电磁场分析中，ET，1，13或ET，2，117等）。如果某个区域在某一物理分析中不涉及到，则设为0单元（TYPE＝0，ET，3，0），零单元在分析中将被忽略。
?定义材料属性，实常数，单元坐标系，与前面定义的属性号对应。
?将单元类型，材料，实常数及单元坐标系的编号赋予实体模型的面或体。使用AATT 命令（Main Menu>Preprocessor>Attributes>All Areas or Picked Areas）或VATT命令（Main Menu>Preprocessor>Attributes>All Volumes or Picked Volumes）。
?施加基本物理载荷及边界条件。这些条件在整个迭代过程中的每一物理环境的执行中都是相同（对于稳态问题）
?设定所有的求解选项
?给物理环境选择一个标题，执行PHYSICS，WRITE命令。例如，在流体－磁场分析中，你可以使用如下命令写入物理环境文件：
Command: PHYSICS, WRITE, FLUIDS
GUI：Main Menu>Preprecessor>Physics Environ>write
?清空数据库中当前的物理环境，准备创建下一个物理环境。通过执行PHYSICS，Clear 选项。
Command：PHYSICS, CLEAR
GUI：Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>clear
?按以上步骤准备下一个物理环境。
?执行SAVE命令保存数据及物理环境文件指针。
假设此多物理场耦合分析的工作文件名为“Induct”，并写了两个物理环境文件，这两个文件名分别为Induct.PH1和Induct.PH2。要了解PHYSICS命令的更多信息请查阅《ANSYS Commands Reference》。
3. 执行顺序耦合多物理场分析，依次进行物理分析，例如：
/solu!进行求解
physics, read, magnetics !读入磁场分析，物理环境
Solve
Finish
/solve
physics, read, fluids
LDREAD, FORCE,,,,2,,rmg !读入洛仑兹力
Solve
LDREAD中的扩展名确定读入的结果文件类型，热分析结果从Jobname.rth文件中读入，除电磁和流体以外的其他结果文件从Jobname.rst文件中读入。
2.5.1网格更新
耦合场分析经常遇到场域（静电、电磁、流体）及结构域产生大变形。这种情况下，要获得耦合场的收敛解常常有必要更新非结构区域的有限元网格，使之与已变形的结构区域重合并且在场求解与结构求解间进行递归循环。
图2-3，表明了一个典型的静电-结构耦合的问题，需要网格更新。这个问题中，梁放在接地平板的上方，给梁一个电压引起它朝接地平板偏移（由静电力引起）。随着梁的偏移静电场也在改变，随梁与接地平板的靠近作用到梁上的作用力在增加，当静电力与梁的弹性恢复力达到平衡时则达到稳定。
图2－3接地平板上的梁
要运行这个问题的模拟要求调整网格区域使之与变形的结构网格重合。在ANSYS中这种调整称为网格随移。
为实现网格随移，需要执行DAMORPH命令（修改依附于面上的单元），DVMORPH命令（随移依附于体上的单元），或DEMORPH命令（随移已选择的单元）。用RMSHKY选项定义下列三种网格随移方式之一：
?随移-程序移动场网格的节点和单元以与变形的结构网格重合。这种情况下，不生成任何新的节点和单元，也不会从场域去掉任何节点或单元。
?重新划分网格-程序去掉场区域网格，并代之以新的与变形结构一致的网格。重新划分网格并不改变结构网格。程序会连接新场网格与已有变形结构网格的节点和单元。
?随移或重新划分网格-程序试图首先对场网格进行随移。如果随移失败，程序将变换到重新划分选择场区域。这是缺省的设定。
网格随移只影响节点和单元。它不改变实体模型位置（关键点，线，面，体）。它保留节点和单元与实体模型的相关性。对选择随移的区域依附于关键点，线，面内部的节点和单元来讲随移偏移了这些图元但它们的相关性仍然保留。
应当留意经历了网格随移区域边界条件及载荷的施加。施加到节点和单元上的边界条件只有对随移选项是适当的。如果边界条件和载荷是直接施加到节点和单元上的，则DAMORPH，DVMORPH及DEMORPH命令要求在重新划分网格前将载荷及边界条件删除。直接施加到实体模型上的边界条件和载荷可以正确传递到新网格上。因为缺省的选项为随移或重新划分网格，最好只分配实体模型边界条件。
随移算法使用ANSYS形状检查逻辑估计单元是否适于随后的求解。在得到形状检查参数随移单元时会查询单元类型。有些情况随移区域的单元类型可能为零单元（类型零），这种情况下形状检查准则不如具体的分析单元类型严格。为避免这种情况，在执行随移命令前将零单元类型重新分配单元类型。
在执行随移命令前结构分析的位移结果必须在数据库中。在结构分析之后结果是在数据库中的，或从结果文件读入结果之后（后处理中的SET命令）。模型的结构节点按计算的位移移动到变形的位置。如果随后要进行结构分析，应当恢复结构的节点到原来的位置。通过选择结构节点并执行带有系数FACTOR为-1的UPCOORD命令。
Command: UPCOORD, Factor
GUI: Main Menu:>Solution>Other>Updt Node Coord
网格随移支持所有的二维四边形及三角形低、高阶单元。对二维模型所有的节点和单元必须在同一个平面。任何曲面都不支持。三维，只有下列形状随移选项才支持。
?全部为四面体单元-（支持随移及重新划分）
?全部为六面体单元-（支持随移）
?全部为楔型单元-（支持随移）
?金字塔-四面体混合单元-（支持随移）
?六面体-楔型单元-（支持随移）
网格随移对用SMRTSIZE命令选项生成的均匀大小的单元最有可能成功。高度扭曲的单元可以随移失败
图2－4梁和空气的面模型示例了侵入静电区域的梁区域。面1代表梁模型而面2代表静电模型。在这个例子中，应当选择面2进行随移。
图2－4 梁与空气区域的面模型
很多种情况下，只有模型的一部分需要随移（就是说，结构区域的中间附近的区域）。在这种情况下应当只选择结构模型中部附近区域的面或体进行随移。图2－5，梁及多个空气区域模型的面模型示例了有多个静电面的梁的例子。只有面3需要网格随移。为保证与非随移区域网格的相容，随移算法并不改变选择随移面或体边界上的节点和单元。在本例中，不应改变面2及面3界面处的节点。
图2－5梁及多个空气区域的面模型
在结构分析之后执行网格随移，执行下列命令：
命令：DAMORPH
DVMORPH
DEMORPH
GUI: Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Modify Mesh>-Phys Morphing-Areas
Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Modify Mesh>-Phys Morphing-Volumes
Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Modify Mesh>-Phys Morphing-Elements
参见§2.9一节中的例子
2.5.2 使用物理环境方法重启动一个分析
在许多顺序耦合场分析中需要重启动某个物理环境的求解。例如在感应加热中，在顺序耦合循环中要重启动瞬态热分析。对于静态非线性结构耦合场分析，重启动结构分析也有许多好处。在顺序耦合场分析中可以很方便地重启动一个分析。重启动一个分析需要此分析的EMAT、ESAV以及DB文件。可以使用/ASSIGN命令指定某一分析的EMAT及ESAV文件。数据库文件在多物理环境耦合分析中是一致的。以下是重启动过程的简要步骤：1．对于需要重启动的物理环境，在求解以前用/ASSIGN命令，指定重启动的EMAT及ESAV 文件；
2．执行重启动分析；
3．使用/ASSIGN命令重新指定用于其他物理环境分析的EMAT及ESAV文件的缺省值。
2.6定制Multiphysics求解工具
§2.5节用物理环境执行顺序耦合场分析详细表述了用物理环境处理求解顺序耦合分析。多数情况下，宏命令可以用户化这种处理。本节详细叙述对具体应用的用户化求解宏。
2.6.1静电—结构耦合求解工具
对微机电系统，由静电场产生的机械力可能很大以致于使结构产生变形。变形可以影响静电场，而且要求耦合场求解。命令宏ESSOLV是求解器工具将求解耦合的静电场及结构问题。它使用物理环境处理进行顺序分析。该宏能自动在静电场求解和结构求解间进行迭代直到场及结构达到平衡。宏用§2.5.1节中的随移步骤自动更新静电场网格以保证结构位移。
2.6.1.1要求
ESSOLV宏利用§2.5节中叙述的物理环境。因此该命令宏求解工具在求解前需要创建静电物理文件及结构物理文件。
该求解器工具可用于有四边形或三角形单元的二维模型，三维模型使用§2.5.1节中讲述的单元形状选项。该求解器工具对单元的长宽比接近1的单元效果最好。由ANSYS的SMRTSIZE产生的网格对这种模拟就是可接受的单元形状。
在求解过程中ESSOLV会对静电场区域重新划分网格。重新划分网格区域施加到节点和单元上的边界条件会丢失。因此，应当将边界条件及载荷分配到实体模型上。
对实体单元，ESSOLV命令自动检测空气-结构界面并对静电单元施加麦克斯韦尔表面标志。该标志用于初始从静电区域传力给结构区域。当用ESSOLV命令给结构壳单元时（例如SHELL63,SHELL93），在写最后的静电物理文件之前必须手工施加麦克斯韦尔标志给所有环绕壳的空气单元。用SFA命令施加麦克斯韦尔表面标志给代表壳单元的面。这会确保与壳单元两侧相邻的空气单元接受麦克斯韦尔表面标志。
注意-如果使用了低阶次的实体或壳单元，设置KEYOPT(7)=1对静电单元类型确保力的正确传递。
2.6.1.2步骤
ESSOLV命令宏的使用准备如下。
?建立包括整个静电和结构区域的实体模型。对结构及静电区域划分网格。
?通过分配合适的单元类型给划分网格区域创建静电物理环境，定义材料属性，定义实体模型边界条件及激励，选择方程求解器等。对结构区域设置单元类型为零单元(ET,,0)。写静电物理环境到物理文件(PHYSICS,WRITE)。
?清除静电物理环境(PHYSICS,CLEAR)并建立结构分析物理环境，选择正确的单元类型，定义材料属性，定义实体模型边界条件及载荷，选择方程求解器及选项等。写结构物理环境到物理文件(PHYSICS,WRITE)。
?准备实体模型或单元的部件要随移(这个步骤是一个选项，当交互处理ESSOLV命令宏时界面出现对话框可以完成此项)。对二维分析希望将经历网格随移的静电区域的面定义成一个面部件。对三维将体分类为体部件。见2.5.1节对选择的合适区域进行网格随移。
?对不进行网格随移的区域也定义一个部件(这个步骤是一个选项，当在界面中执行ESSOLV命令时对话框中可以交互选择)。可以选择在求解中不进行随移的静电区域中的线（二维）或面（三维）。这通常是必要的如果随移集中在整个模型的一个小的区域内（见2.5.1节）。
?如果结构需要预应力，准备一个初应力文件。而且，创建一个包含在初应力文件中的单元部件。初应力文件的格式参见《ANSYS Basic Analysis Guide》中的初应力载荷一节。
?执行ESSOLV宏命令。
2.6.1.3求解
图2-6 ESSOLV宏的数据流
例题参见2.11节，静电-结构分析实例。
命令宏将会在静电和结构物理文件间以迭代的方式进行循环直到结构的变形和系统存储的静电能达到了规定的数值。缺省，求解在当前求解同上一次求解最大结构变形和存储的静电能的改变小于0.5%时收敛。可以用ESSOLV命令的ELECTOL和STRUTOL改变或去除收敛准则。
为保证模型准备充分，通过设置ESSOLV命令的MXLOOP=1可以执行单一循环分析。
成功完成问题求解后，ESSOLV宏更新结构和静电区域的节点坐标使其与结构的变形一致。返回ESSOLV前的原模型，通过RESUME命令恢复名称为_ESSOLV.DB的数据库文件。2.6.1.4后处理
在后处理中查看结构及静电结果。记住ESSOLV命令对应于结构位移更新结构几何模型及场域。相应地你将能够看到更新几何模型的结果。这可能导致不准确的位移；但是，所有计算的量都是正确的完全可以看其他结果。如果需要体现结构位移准确的数值，将结构返回到原来的基本形状，用UPCOORD，-1命令。
要对结构结果进行后处理，执行下列：
1．读入结构物理环境文件：
命令：PHYSICS,READ
GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read
2．从结构结果文件读入结果：
命令: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>Last Set
3．如果需要准确的位移结果，选择结构节点并返回结构原来的几何形状，用下列命令或菜单路径：
命令:NSEL
GUI: Utility Menu>Select>Entities
命令: UPCOORD,-1.
GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Other>Updt Node Coord
如果想要返回变形后的几何形状，执行UPCOORD，1。查看静电结果，用下列步骤。
对静电结果进行后处理，执行下列：
1．读入静电物理环境文件：
命令: PHYSICS,READ
GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read
2．读入静电结果文件采用：
命令: SET
GUI:Main Menu>General Postproc>Last Set
2.6.1.5多个ESSOLV求解
我们常常会遇到给定一定范围的电压计算结构的变形，可以利用ESSOLV命令以这种方式运行一系列求解。这种情况下，用*DO和*ENDDO构建一贯DO循环命令序列。必须定义新的载荷并重写相应的物理文件。对第二次及随后ESSOLV命令的调用RUSEKY必须设置为一个大于1的值。在两次调用ESSOLV命令之间不要用SAVE命令保存数据库。
注意每一次结构求解都是在原来基本几何形状基础上进行的。ESSOLV不会在第二次及随后的求解中自动激活重启动功能。而且，求解不会引起任何路径相关的结构响应（诸如材料属性的非线性）对激励沿路径反向。
为在第二次及随后的求解中激活重启动功能，结构重启动指令（RESTKY）应当为正（31）。对非线性结构求解，结构重启动通过从前面的收敛求解中重启动而有助于减少求解时间。
2.6.2流体—结构耦合求解工具
命令宏FSSOLV是一个求解器工具用于求解稳态计算流体与静力结构耦合的问题。不适用于动态流体-结构相互作用（FSI）问题。利用物理环境处理的顺序分析。该宏能自动在计算流体与结构求解间进行迭代，直到场和结构达到平衡。该宏只用§2.5.1节中论述的随移方法按结构位移自动更新流体区域的网格。
2.6.2.1要求
FSSOLV宏利用2.5节中论述的物理环境方法。因此，该命令宏求解器工具在求解之前已经创建了流体及结构物理环境文件。
该求解器工具可用于二维包括四边形或三角形单元单元的模型，三维模型用§2.5.1节中论述的单元形状选项。该求解器工具对单元的纵横比（单元的长宽比）接近1有最好的效果。由ANSYS的SMRTSIZE产生的网格对这种模拟就是可接受的单元形状。
FSSOLV不支持对流体区域进行网格重新划分，只支持随移。只能考虑结构有小的运动的情况。
2.6.2.2步骤
用FSSOLV宏命令需要做如下准备：
?建立包括整个流体及结构区域的试题模型。对结构及流体区域划分网格。
?通过分配合适的单元类型给已划分网格的区域，定义材料属性，定义实体模型边界条件及载荷，选择方程求解器等创建流体物理环境。对结构区域，设置单元类型为零单元（ET，0）。写流体物理环境到物理文件（PHYSICS，WRITE）。
?清除流体物理环境（PHYSICS，CLEAR）并建立结构分析的物理环境。选择合适的单元类型，定义材料属性，定义实体模型边界条件及载荷，选择方程求解器及选项等。对流体区域，设置单元类型为零单元（ET，0）。写结构物理环境到物理文件（PHYSICS，WRITE）。
?准备随移的实体模型或单元部件（这个步骤使可选的，在界面中的FSSOLV命令宏对话框中可以交互进行）。对二维分析希望将经历网格随移的静电区域的面定义成一个面部件。对三维将体分类为体部件。见§2.5.1节对选择的合适区域进行网格随移。
?对不进行网格随移的区域也定义一个部件(这个步骤是一个选项，当在界面中执行FSSOLV命令时对话框中可以交互选择)。可以选择在求解中不进行随移的静电区域中的线（二维）或面（三维）。如果随移集中在整个模型的一个小的区域内（见§2.5.1节），这通常是必要的。
?执行FSSOLV宏命令。
2.6.2.3求解
该命令宏在流体和结构物理文件间以迭代的方式进行循环直到最大结构变形及结果总的流体加到结构上力和力矩的变化达到一个规定的数值为止。缺省地，当所有三个值（结构位移，流体力及力矩的最大幅值）在当前与前一次迭代循环中相差小于0.5%求解即达到收敛。你可以利用FSSOLV命令的FORCTOL，MOMETOL及STRUTOL改变或关闭收敛准则。
缺省地，求解中最大流体总体平衡迭代数（FLDATA，ITER，EXEC命令）是由写流体物理文件时规定的。在初始的流体-结构求解之后，达到一个好的结果所需的最大流体平衡迭代数目可能减少。要指定该值，用FLUITER选项。
要确保模型的条件准备充分，可以通过FSSOLV命令的MXLOOP=1只执行一次循环分析来检验。
当成功完成问题的求解，FSSOLV宏按照结构的变形更新结构及流体区域的节点坐标命令。
要返回FSSOLV求解前的几何模型，用RESUME命令恢复名称为_FSSOLV.DB的数据库。
图2-7 FSSOLV宏的流程图表示了FSSOLV命令的数据流。
本章之后有一个利用FSSOLV宏的稳态流体-结构分析实例。该例子计算了一个细铝梁侵入流动的水通道内的变形。FSSOLV求解利用流体和结构的缺省收敛容差经过六次循环达到收敛。收敛结果显示梁尖端的变形与初始结构解相比变形超过20%，这揭示出递归式求解这种问题的重要性。该例子参见§2.12 一节。
2.6.2.4后处理
可以利用通用后处理器查看结构及流体分析的结果。记住FSSOLV按照位移更新结构及流体区域的模型。因此，会看到结果显示在更新的模型上。这对位移的表示是不准确的；然而，所有其他计算量是正确的可以查看。如果需要结构位移的准确表示，通过UPCOORD，-1返回到原来的模型。
查看结构物理环境文件，执行下列：
1．读入结构物理环境文件：
命令: PHYSICS,READ
GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read
2．读入结构结果文件：
命令: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>Last Set
3．如果要求位移的准确表示，选择结构节点并用下列命令或菜单路径返回到原来结构的模型：
命令:NSEL
GUI: Utility Menu>Select>Entities
命令: UPCOORD,-1.
GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Other>Updt Node Coord
后处理流体分析结果，执行下列：
1．读入流体物理环境文件：
命令: PHYSICS,READ
GUI: Main Menu>Preprocessor>Physics Environ>Read
2．读入流体结果文件：
命令: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>Last Set
2.6.2.5多个FSSOLV求解
经常会遇到要计算一系列流体力作用的结构变形。可以利用FSSOLV命令按这种方式进行顺序求解。这种情况下，利用*DO及*ENDDO命令构建一个DO循环命令序列。必须定义新的载荷并写相应的物理文件。对第二次及随后引用FSSOLV，RUSEKY必须设置为一个大于1的数。在FSSOLV调用间不要用SAVE命令保存数据库。
注意每一次结构求解都是从原始形状开始的。FSSOLV不会在第二次及随后的求解中自动激活重启动功能。因此，求解不会引起任何路径相关的结构响应（诸如材料属性的非线性）对激励沿路径反向。
为在第二次及随后的求解中激活重启动功能，结构重启动键（RESTKY）应当取正值。对非线性结构求解，结构重启动通过从前面的收敛求解中重启动而有助于减少求解时间。
2.7 使用间接方法进行热—应力分析的实例
本节描述了一个利用间接方法进行热-应力分析的简单例子
2.7.1 问题描述
一个长厚壁双层圆管，内壁温度为Ti，外壁温度为To，其他参数如下图所示。求解温度沿径向的分布，轴向应力及环向应力。
= .65 x 10= 1.35 x 10
= 0.3 = 0.33
间接方法进行本问题分析基本步骤如下：
1．定义并求解热分析问题；
2．回到前处理(/PREP7)。转换单元类型，添加材料属性，设定结构边界条件；3．从热分析结果文件中读入温度；
4．求解结构问题。
以下为上述问题的命令流。文字前有（！）为注释。
/batch,list
/show
/title,thermal stress in concentric cylinders - indirect method
/prep7
et,1,plane77,,,1! PLANE77 axisymmetric option
mp,kxx,1,2.2! Steel conductivity
mp,kxx,2,10.8! Aluminum conductivity
rectng,.1875,.4,0,.05! Model
rectng,.4,.6,0,.05
aglue,all
numcmp,area
asel,s,area,,1!Assign attributes to solid model
aatt,1,1,1
asel,s,area,,2
aatt,2,1,1
asel,all
esize,.05
amesh,all! Mesh model
nsel,s,loc,x,.1875
d,all,temp,200! Apply thermal loads
nsel,s,loc,x,.6
d,all,temp,70
nsel.all
finish
/solu
solve
finish
/post1
path,radial,2! Define path name and number of path points
ppath,1,,.1875! Define path by location
ppath,2,,.6
pdef,temp,temp! Interpret temperature to path
第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法） 6.1何时使用棱边元方法 在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。在大多数实际3-D 分析中，推荐使用这种方法。在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。 用棱边元方法分析的典型使用情况有： ·电机 ·变压器 ·感应加热 ·螺线管电磁铁 ·强场磁体 ·非破坏性试验 ·磁搅动 ·电解装置 ·粒子加速器 ·医疗和地球物理仪器 《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。 对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。 在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边
的中间节点）上持有边通量自由度AZ。单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。 ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。 6.2单元边方法中用到的单元 表 1三维实体单元 6.3物理模型区域的特性与设置 对于包括空气、铁、永磁体、源电流的静态磁场分析模型，可以通过设置不同区域不同材料特性来完成。参见下表，详情在后面部分叙述。
基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析 发表时间：2007-9-11 作者: 黄劭刚夏永洪张景明来源: 万方数据 关键字: APDL语言同步发电机电磁场有限元 介绍了应用ANSYS自带的APDL编程语言进行软件开发，将该软件应用于同步发电机空载磁场分析中，在电机的电磁场计算中实现了电机的自动旋转、自动施加载荷的功能，使用、修改方便，并且计算速度快。通过对电磁场计算结果的后处理，得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。样机测试结果验证了分析结果的正确。 1 前言 ANSYS软件是一个功能强大、灵活的，融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。广泛用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程等一般工业及科学研究领域的设计分析。 在实际的电机电磁场分析中，电机的转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小以及铁磁材料均已确定，但是当转子相对十定子齿槽的位置不同时一，其计算结果也不相同。为了分析电机电磁场问题，若把定、转子相对位置固定不变进行求解，再对电磁场计算结果进行傅立叶级数分解来计算电机绕组的电势则误差太大。为此，需要对定、转子不同位置时一分别进行计算，然后通过电磁场的计算结果求出电机何个定子齿部磁通随转角变化的关系，然后根据磁通的变化率求出电机基波绕组的电势。ANSYS软件是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，应用ANSYS软件来分析电机电磁场是非常有效的。但是当采用ANSYS软件的图形用户界面( GUI)操作方式时，每次定、转子之间的旋转、网格剖分、施加载荷进行求解、查看计算结果等都需要人工进行重复操作，使用起来非常繁琐，并且效率低。为此，木文采用ANSYS软件的APDL语言编写的软件对同步发电机的空载磁场进行研究，实现了电机定、转子之间的自动旋转，自动网格剖分，自动施加载荷以及自动求解的功能。整个电磁场分析过程无需人工进行干预，使用方便，便于修改，并且大大提高了计算速度。通过对同步发电机电磁场计算结果进行后处理，得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。 2 软件实现 ANSYS软件提供了图形用户界面与命令流两种方式来分析电机电磁场问题。在电机电磁场计算中，命令流方式和图形用户界面方式相比，具有以下优点:(1)通用性好，对于同系列、同型号的电机电磁场计算只要对电机的尺寸参数进行修改即可，而采用ANSYS的图形用户界面方式进行电机电磁场计算，每次计算都要重新输入图形，没有通用性;(2)通过合理应用ANSYS的APDL语言编写一个两重循环程序就可实现转子自动旋转和自动施加励磁电流的功能，与ANSYS 的图形用户界面方式相比，减少了人机交互的次数，缩短了计算时间。 2.1软件编写
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 Menu>Preferences> 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。 对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：
速度效应 可求解运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 Menu>Solution>New 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(ANTYPE,HARMIC)来完成。 9.1.3 选择方程求解器 命令：EQSLV GUI：Main Menu>Solution>Analysis Options 3D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：/SOLU GUI：Main Menu>Solution 3-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： 该载荷用以定义磁力线垂直、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：
回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： -磁通密度?能量损耗 -磁场强度?磁漏 ?磁力及磁矩? S-参数 ?阻抗?品质因子Q ?电感?回波损耗 ?涡流?本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场 1.2ANSYS 如何完成电磁场分析计算 ANSYSU Maxwell 方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知 量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根 ANSY 电磁场分析指南第一章 发表时间： 2007-9-20 作者 : 安世亚太 来源 : e-works 关键字 : ANSYS 电磁场分析 CAE 教程 第一章磁场分析概述 1.1 磁场分析对象 利用ANSYS/Ema 或ANSYS/Multiphysics 模块中的电磁场分析功能，ANSYS 可分析计算下列的设备中的电磁场，如： 电力发电机 磁带及磁盘驱动器 变压器 波导 螺线管传动器 谐振腔 电动机 连接器 磁成像系统 天线辐射 图像显示设备传感器 滤波器
据用户所选择的单元类型和单元选项的不同， ANSYS+算的自由度可以是标量磁 位、矢量磁位或边界通量。 1.3 静态、谐波、瞬态磁场分析 利用ANSY 测以完成下列磁场分析： ?2-D 静态磁场分析，分析直流电（DC ）或永磁体所产生的磁场，用矢量位方 程。参见本书“二维静态磁场分析” ?2-D 谐波磁场分析，分析低频交流电流（AC ）或交流电压所产生的磁场，用 矢量位方程。参见本书“二维谐波磁场分析” ?2 -D 瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包 含永磁体的效应，用矢量位方程。参见本书“二维瞬态磁场分析” ?3-D 静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。 参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）” ?3-D 静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。 参见本书“三维静态磁场分析（棱边元方法）” ?3-D 谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。建议 尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法） ?3-D 瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用 棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维瞬态磁场 分析（棱边元方法）” 3-D 静态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法 ?基于节点方法的3-D 谐波磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法 的 3-D 谐波磁场分析” 1.4 关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 什么时候选择2-D 模型，什么时候选择3-D 模型？标量位方法和矢量位方 法有何不同？棱边元方法和基于节点的方法求解 3-D 问题又有什么区别？在下面 将进行详细比较。 1.4.12-D 分析和 3-D 分析比较 3-D 分析就是用 3-D 模型模拟被分析的结构。现实生活中大多数结构需要 3- D 模型来进行模拟。然而3-D 模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。 所以，若 ?基于节点方法的 的 3-D 静态磁场分析” ?基于节点方法的 的 3-D 瞬态磁场分析” 3-D 瞬态磁场分析， 用矢量位方法。参见“基于节点方法
第十六章电路分析 16.1 什么是电路分析 电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定： 源的类型分析方法 交流（AC）谐波分析 直流（DC）静态分析 随时间变化瞬态分析 要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS程序对于电路分析有如下性能： ·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析 ·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合 ·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析 ·支持直流、交流和时间瞬态模拟 ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，： ·螺线管线圈 ·变压器 ·交流机械 16.2 使用CIRCU124单元 ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。 注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS 单元手册》。 16.2.1 可用CIRCU124单元模拟的电路元件
对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。 表1CIRCU124单元能模拟的电路元件 注意：全部的电路选项如上表和下图图1所示，ANSYS的电路建模程序自动生成下列实常数：R15（图形偏置，GOFFST）和R16（单元识别号，ID）。本章下一节将详细讨论电路建模程序。 下图显示了利用不同的KEYOPT（1）设置建立的不同电路元件，那些靠近元件标志的节点是“浮动”节点（即它们并不直接连接到电路中）。 16.2.2 CIRCU124单元的载荷类型 对于独立电流源和独立电压源可用CIRCU124单元KEYOPT（2）选项来设置激励形式，可以定义电流或电压的正弦、脉冲、指数或分段线性激励。详细的载荷函数图和相应的实常数请参见《ANSYS单元手册》。 16.2.3 将FEA（有限元）区耦合到电路区 可将电路分析的三种元件耦合到FEA区，图2所示的这三种元件直接连接到有限元模型的导体上（耦合是在矩阵中进行耦合的，因此只能为线性的）：
期末大作业 题目：简单直流致动器 ANSYS电磁场分析及与ansoft仿真分析结果比较作者姓名：柴飞龙 学科（专业）：机械工程 学号：21225169 所在院系：机械工程学系 提交日期2013 年 1 月
1、 背景简述： ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用软件有限元分析软件，是现代产品设计中的高级CAE 工具之一。而ansoft Maxwell 软件是一款专门分析电磁场的分析软件，如传感器、调节器、电动机、变压器等。 本人在实验室做的课题涉及到电机仿真，用的较多的是ansoft 软件，因为其对电机仿真的功能更强大，电机功能模块更多，界面友好。 现就对一电磁场应用实例，用ANSYS 进行仿真分析，得到的结果与ansoft 得到的结果进行简单核对比较。 2、 问题描述： 简单直流致动器由2个实体圆柱铁芯，中间被空气隙分开的部件组成，线圈中心点处于空气隙中心。衔铁是导磁材料，导磁率为常数（即线性材料，r μ=1000），线圈是可视为均匀材料，空气区为自由空间（1=r μ），匝数为2000，线圈励磁为直流电流：2A 。模型为轴对称。 3、 ANSYS 仿真操作步骤： 第一步：Main menu>preferences
第二步：定义所有物理区的单元类型为PLANE53 Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete 第三步：设置单元行为 模拟模型的轴对称形状，选择Options（选项） 第四步：定义材料 Preprocessor>Material Props> ?定义空气为1号材料(MURX = 1) ?定义衔铁为2号材料(MURX = 1000) ?定义线圈为3号材料(自由空间导磁率，MURX=1)
三维螺线管静态磁场分析 要求计算螺线管，如下图所示，衔铁所受磁力，线圈为直流激励，产生力驱动衔铁。线圈电流为6A，500匝。由于对称性，只分析1/4的模型，如图1所示： 图1螺线管制动器 在仿真分析时，空气相对磁导系数为1.0；使用智能网格划分（LVL=8）；设定全部面为通量平行，这是自然边界条件，自动得到满足。因为是采用的1/4对称模型，所以磁力的计算结果要乘以4。
施加边界条件： ! /SOLU D,2,MAG,0 ! !SOLVE ! ALLSEL,ALL MAGSOLV,3,,,,,1 FINISH ! 建立的模型如下图所示：
对模型进行智能网格划分，如下图所示： 仿真分析所得磁场强度分布图为：
衔铁所受磁力分布图为： 衔铁所受磁力分布图为：
计算所得衔铁所受磁力为： SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-X Force-Y Force-Z ARM 0.14339E+02 0.11359E+02 -0.12846E+02 ___________________________________________________ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-X Force-Y Force-Z ARM 0.79007E+01 0.55769E+01 -0.11511E+02 _____________________________________________________ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system.
ANSYS非线形分析指南基本过程 第四章耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 第1页
ANSYS热分析指南 第一章简介 1.1热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，我们一般关心的参数有： 温度的分布 热量的增加或损失 热梯度 热流密度 热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。 1.2ANSYS中的热分析 ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、 ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。 ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。1.2.1对流 热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。 1.2.2辐射 ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题： 辐射杆单元（LINK31） 使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）
在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析 使用Radiosity求解器方法 有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。 1.2.3特殊的问题 除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。 1.3热分析的类型 ANSYS支持两种类型的热分析： 1．稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。 2．瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。 1.4耦合场分析 ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热—结构、热－电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYS Coupled-Field Analysis Guide》。 1.5关于菜单路径和命令语法 在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYS Commands Reference》。 菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能；但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。 第二章基础知识 2.1符号与单位
第十四章 静电场分析（h方法） 14.1 什么是静电场分析 静电场分析用以确定由电荷分布或外加电势所产生的电场和电场标量位（电压）分布。该分析能加二种形式的载荷：电压和电荷密度。 静电场分析是假定为线性的，电场正比于所加电压。 静电场分析可以使用两种方法：h方法和p方法。本章讨论传统的h方法。下一章讨论p方法。 14.2 h方法静电场分析中所用单元 h方法静电分析使用如下ANSYS单元： 表1. 二维实体单元 单元维数形状或特征自由度 PLANE1212-D四边形，8节点每个节点上的电压 表2. 三维实体单元 单元维数形状或特征自由度 SOLID1223-D砖形（六面体），20节点每个节点上的电压 SOLID1233-D砖形（六面体），20节点每个节点上的电压 表3. 特殊单元 单元维数形状或特征自由度 MATRIX50无(超单元)取决于构成本单元的单元取决于构成本单元的单元类型 INFIN1102-D4或8节点每个节点1个；磁矢量位，温度，或电位 INFIN1113-D六面体，8或20节点AX、AY、AZ磁矢势，温度，电势，或磁标量势 INFIN92-D平面，无界，2节点AZ磁矢势，温度INFIN473-D四边形4节点或三角形3节点AZ磁矢势，温度 14.3 h方法静电场分析的步骤 静电场分析过程由三个主要步骤组成： 1.建模 2.加载和求解 3.观察结果 14.3.1 建模 定义工作名和标题： 命令：/FILNAME，/TITLE GUI：Utility Menu>File>Change Jobname Utility Menu>File>Change Title 如果是GUI方式，设置分析参考框：
ANSYS非线形分析指南基本过程 耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 第1页
第四章耦合场分析 耦合场分析的定义 耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。 耦合场分析的类型 耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。 序贯耦合解法 序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。 直接耦合解法 1
直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。 何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法 对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。 直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁场耦合分析。求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。 1
第十一章磁宏 11.1 什么是电磁宏 电磁宏是ANSYS宏命令，其主要功能是帮助用户方便地建立分析模型、方便地获取想要观察的分析结果。目前，ANSYS提供了下列宏命令，可用于电磁场分析： ·CMATRIX：计算导体间自有和共有电容系数 ·CURR2D：计算二维导电体内电流 ·EMAGERR：计算在静电或电磁场分析中的相对误差 ·EMF：沿预定路径计算电动力（emf）或电压降 ·FLUXV：计算通过闭合回路的通量 ·FMAGBC：对一个单元组件加力边界条件 ·FMAGSUM：对单元组件进行电磁力求和计算 ·FOR2D：计算一个体上的磁力 ·HFSWEEP：在一个频率范围内对高频电磁波导进行时谐响应分析，并进行 相应的后处理计算 ·HMAGSOLV：定义2-D谐波电磁求解选项并进行谐波求解 ·IMPD：计算同轴电磁设备在一个特定参考面上的阻抗 ·LMATRIX：计算任意一组导体间的电感矩阵 ·MAGSOLV：对静态分析定义磁分析选项并开始求解 ·MMF：沿一条路径计算磁动力 ·PERBC2D：对2—D平面分析施加周期性约束 ·PLF2D：生成等势的等值线图 ·PMGTRAN：对瞬态分析的电磁结果求和 ·POWERH：在导体内计算均方根（RMS）能量损失
·QFACT：根据高频模态分析结果计算高频电磁谐振器件的品质因子 ·RACE：定义一个“跑道形”电流源 ·REFLCOEF：计算同轴电磁设备的电压反射系数、驻波比、和回波损失 ·SENERGY：计算单元中储存的磁能或共能 ·SPARM：计算同轴波导或TE10模式矩形波导两个端口间的反射参数 ·TORQ2D：计算在磁场中物体上的力矩 ·TORQC2D：基于一个圆形环路计算在磁场中物体上的力矩 ·TORQSUM：对2-D平面问题中单元部件上的Maxwell力矩和虚功力矩求和 本章对这些宏有详细描述。在ANSYS命令手册和理论手册对这些宏有更详细的描述。 下面的表格列出了这些电磁宏的使用范畴。
ANSYS电磁场分析指南第十六章 发表时间：2007-9-20 作者: 安世亚太来源: e-works 关键字: ANSYS 电磁场分析 CAE教程 第十六章电路分析 16.1 什么是电路分析 电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定：源的类型分析方法 交流（AC）谐波分析 直流（DC）静态分析 随时间变化瞬态分析 要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS 程序对于电路分析有如下性能： ·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析 ·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合 ·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析 ·支持直流、交流和时间瞬态模拟 ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，： ·螺线管线圈 ·变压器 ·交流机械 16.2 使用CIRCU124单元 ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。 注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS单元手册》。 16.2.1 可用CIRCU124单元模拟的电路元件 对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。
A N S Y S电磁场分析指南第一章磁场分析概 述
第一章磁场分析概述 1.1磁场分析对象 利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS 可分析计算下列的设备中的电磁场，如： ·电力发电机·磁带及磁盘驱动器 ·变压器·波导 ·螺线管传动器·谐振腔 ·电动机·连接器 ·磁成像系统·天线辐射 ·图像显示设备传感器·滤波器 ·回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： ·磁通密度·能量损耗 ·磁场强度·磁漏 ·磁力及磁矩· S-参数 ·阻抗·品质因子Q ·电感·回波损耗 ·涡流·本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。 1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算 ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。 1.3静态、谐波、瞬态磁场分析
利用ANSYS可以完成下列磁场分析： ·2-D静态磁场分析，分析直流电(DC)或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书“二维静态磁场分析” ·2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流(AC)或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。参见本书“二维谐波磁场分析” ·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的效应，用矢量位方程。参见本书“二维瞬态磁场分析” ·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）” ·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。参见本书“三维静态磁场分析（棱边元方法）” ·3-D谐波磁场分析，分析低频交流电所产生的磁场，用棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维谐波磁场分析（棱边元方法）” ·3-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用棱边单元法。建议尽量用这种方法求解谐波磁场分析。参见本书“三维瞬态磁场分析（棱边元方法）” ·基于节点方法的3-D静态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D静态磁场分析” ·基于节点方法的3-D谐波磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D谐波磁场分析” ·基于节点方法的3-D瞬态磁场分析，用矢量位方法。参见“基于节点方法的3-D瞬态磁场分析” 1.4关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 什么时候选择2－D模型，什么时候选择3－D模型？标量位方法和矢量位方法有何不同？棱边元方法和基于节点的方法求解3-D问题又有什么区别？在下面将进行详细比较。 1.4.12-D分析和3-D分析比较 3-D分析就是用3-D模型模拟被分析的结构。现实生活中大多数结构需要3-D模型来进行模拟。然而3-D模型对建模的复杂度和计算的时间都有较高要求。所以，若有可能，请尽量考虑用2-D模型来进行建模求解。
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ANSYS电磁场分析指南（共17章） ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述： ANSYS电磁场分析指南第二章 2-D静态磁场分析： ANSYS电磁场分析指南第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析： ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）： ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）： ANSYS电磁场分析指南第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）： ANSYS电磁场分析指南第九章 3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）： ANSYS电磁场分析指南第十章高频电磁场分析： ANSYS电磁场分析指南第十一章磁宏： ANSYS电磁场分析指南第十二章远场单元： ANSYS电磁场分析指南第十三章电场分析： ANSYS电磁场分析指南第十四章静电场分析（h方法）：ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析（P方法）：ANSYS电磁场分析指南第十六章电路分析： ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法：
第一章磁场分析概述 磁场分析对象 利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如： ·电力发电机·磁带及磁盘驱动器 ·变压器·波导 ·螺线管传动器·谐振腔 ·电动机·连接器 ·磁成像系统·天线辐射 ·图像显示设备传感器·滤波器 ·回旋加速器 在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： ·磁通密度·能量损耗 ·磁场强度·磁漏 ·磁力及磁矩· S-参数 ·阻抗·品质因子Q ·电感·回波损耗 ·涡流·本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。 如何完成电磁场分析计算
第15章耦合场分析典型工程实例 本章重点通过实例讲解介绍ANSYS耦合分析在工程上的一些典型应用。 章要要点 如何解决热-结构耦合问题 耦合场分析典型工程实例 本章案例 包含焊缝的金属板热膨胀分析 现代办公楼层内空调布局对室内温度分布的影响研究
15.1工程实例一——包含焊缝的金属板热膨胀分析 该工程实例问题说明及分析如下：某一平板由钢板和铁板焊接而成，焊接材料为铜，平板尺寸为1×1×0.2，横截面结构如图15-1所示。平板的初始温度为800℃，将平板放置于空气中进行冷却，周围空气温度为30℃，对流系数为110W/（m2g℃）。求10分钟后平板内部的温度场及应力场分布（材料参数见表15-1）。 图15-1 平板横截面结构示意图 表15-1 材料性能参数 温度℃弹性 模量 Gpa 屈服 强度 Gpa 切变 模量 Gpa 导热系数 W/(m·℃) 线膨胀系 数℃-1 比热容J/ （kg·℃） 密度kg/m3泊松比 钢 30 206 1.4 20.6 66.6 1.06E-05 460 7800 0.3 200 192 1.33 19.8 400 175 1.15 18.3 600 153 0.92 15.6 800 125 0.68 11.2 铜 30 103 0.9 10.3 383 1.75E-05 390 8900 0.3 200 99 0.85 0.98 400 90 0.75 0.89 600 79 0.62 0.75 800 58 0.45 0.52 铁 30 118 1.04 1.18 46.5 5.87E-06 450 7000 0.3 200 93 0.91 0.86 400 93 0.91 0.86 600 75 0.76 0.69 800 52 0.56 0.51 该问题属于瞬态热应力问题，选择整体平板建立几何模型，选取SOLID5热-结构耦合单 元进行求解。
CP, nset, lab,node1,node2,……node17 定义或改变耦合节点自由度 PREP7: Coupled DOF nset：耦合组编号 设置如下： n：随机设置数量 HIGH：使用最高定义的耦合数量（如果Lab=all，此为默认值）。该选项用于在已有组中增加节点。 NEXT：将定义的最高耦合数量增加1。该项用于在现有组未改变时自动定义耦合组。Lab: 耦合节点的自由度。定义类型随NSET所选类型改变： 结构类：UX, UY, or UZ (位移); ROTX, ROTY, or ROTZ (角度)； 热分析类：TEMP, TBOT, TE2, TE3, . . ., TTOP (温度)； 流体分析类: PRES (压力); VX, VY, or VZ (速率)； 电子类: VOLT (电压); EMF (电场耦合值); CURR (电流). 磁分析类: MAG (标量磁位差); AX, AY, or AZ (矢量磁位差); CURR (电流). Explicit analysis labels: UX, UY, or UZ (位移)。 node1~node17: 待耦合的节点号。 输入相同的节点号会被忽略。如果某一节点号为负，则此节点从该耦合组中删去。如果node1=all,则所有选中节点加入该耦合组。 注意： 1，不同自由度类型将生成不同编号 2，不可将同一自由度用于多套耦合组 耦合自由度的结果是耦合组中的一个元素与另一个元素有相同的属性。耦合可以用于模型不同的结点和联结效果。一般定义耦合可以使用约束公式（CE）。对结构分析而言，耦合节点由节点方向定义。耦合的结果是，这些节点在指定的结点坐标方向上有相同的位移。对于一组没有定义位移的耦合节点，可能会产生应力弯矩，这些弯矩不是由作用力产生的。对特定节点的实际自由度是由元素类型（ET）所指定的。例如，BEAM3的自由度是UX，UY和ROTZ。对标量场分析，该命令用于耦合节点的温度、压力、电压等等。 对显式动力分析，耦合只能用位移参数（UX、UY和UZ）。由于不允许旋转位移（ROTX、ROTY、ROTZ），CP命令不可用于对刚体模型的显式分析，因为其中包含旋转特性。如果用了CP，可能会导致非物理响应。 一组耦合节点，如果坐标不重合，或者没有分布在一条与约束自由度同方向的直线上，会产生虚假的弯矩约束。(错误的原文：如果有一组没有定义的耦合节点，或没有定义耦合位移，会产生假的弯矩约束。)如果结构旋转，弯矩可能产生耦合组中由耦合力产生。这个弯矩与实际作用力无关，而只考虑应力和作用力不会得到满意结果。然而要注意，对显式动力分析来说，假弯矩不会产生。确切来说，只有应力和作用力可以在模型中产生弯矩。因此，在显式分析中，对耦合节点来说大量的节点位移依靠耦合中心的位移，位移的方向则依靠实际的弯矩。这在某些情况下可能产生非物理反应。 附加的耦合节点由指定耦合产生。自由度数可以由耦合定义，但是不可以定义两次。Such an appearance would indicate that at least two sets were in fact part of a single larger set（这句不理解）.耦合组的第一自由度是“主要”自由度。耦合组的其它自由度会从求解矩阵中消除，
ANSYS电磁场分析指南（共17章） ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述： ANSYS电磁场分析指南第二章2-D静态磁场分析： ANSYS电磁场分析指南第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析： ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）： ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）： ANSYS电磁场分析指南第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）： ANSYS电磁场分析指南第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）： ANSYS电磁场分析指南第十章高频电磁场分析： ANSYS电磁场分析指南第十一章磁宏： ANSYS电磁场分析指南第十二章远场单元： ANSYS电磁场分析指南第十三章电场分析： ANSYS电磁场分析指南第十四章静电场分析（h方法）：ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析（P方法）：ANSYS电磁场分析指南第十六章电路分析： ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法：
第一章磁场分析概述 1.1磁场分析对象 利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：·电力发电机·磁带及磁盘驱动器 ·变压器·波导 ·螺线管传动器·谐振腔 ·电动机·连接器 ·磁成像系统·天线辐射 ·图像显示设备传感器·滤波器·回旋加速器
在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为： ·磁通密度·能量损耗 ·磁场强度·磁漏 ·磁力及磁矩· S-参数 ·阻抗·品质因子Q ·电感·回波损耗 ·涡流·本征频率 存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算 ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。 1.3静态、谐波、瞬态磁场分析 利用ANSYS可以完成下列磁场分析：