变压器温度场的有限元分析
华北科技学院
机制B091班
220 kV大容量油浸式电力变压器温度场的有限元分析
随着电力建设的不断发展，电力设备朝着大型化方向发展，但大型变压器在内部温升控制方面一直是近年来困扰变压器制造企业的技术难题之一。如何开发合适的温度场计算技术，准确地计算变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度，从而保证变压器的热寿命，提高变压器的安全可靠性，是企业急需解决的问题。本课题采用有限元技术对大容量变压器的温度场进行数值模拟与分析。主要研究内容有：1)了解和掌握大型变压器的结构与工作状况；2)建立典型的220 kV变压器的有限元分析模型；3)分析与计算变压器的温度场分布；
表1 该变压器主要参数
定义油和所有线圈的相对磁导率为1，油箱的磁导率为300，屏蔽材料的磁导率为2000。
表2 变压器结构参数
(1)变压器几何尺寸在宽度方向与x轴对称:铁心窗口上、下边距绕组高度中心线相等油箱上、下盖的内侧距绕组高度中心线相等。
(2)忽略励磁电流和环流，一、二次侧绕组安匝平衡。
(3)油箱磁屏蔽的μ→∞，可作为边界而处理。
(4)旁扼截面可看成矩形截面。
电力变压器是电力网中的主要设备，其总容量达到发电设备总容量的5～6 倍。电力变压器的技术性能、经济指标直接影响着电力系统的安全性、可靠性和经济性。随着科学技术的发展、生产技术的进步以及新型电工材料的开发应用，变压器的各项性能指标不断刷新，单机容量越来越大，变压器中的漏磁场也随之增大，引起了人们的关注。在额定运行情况下，漏磁场的增强引起的变压器附加损耗的增加将直接影响变压器的行效率和产品的竞争力。严重的是，由于漏磁场在一定范围内的金属结构件中产生的涡流损耗不均匀，有可能造成这些结构件的局部过热现象。变压器的容量越大，漏磁场就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压器的局部过热，使变压器的热性能变坏最终导致绝缘材料的热老化与击穿。
在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命威胁。为了避免此种事故发生，必须对漏磁进行全面的分析。为此，对变压器运行的效率、寿命和可靠性提出了越来越高的要求。目前普遍认为漏磁场包括纵向漏磁和横向漏磁两个分量（实际上，还存在环形漏磁，因其太小，通常忽略不计）。变压器的横向漏磁通远小于纵向漏磁通。
俯视图
侧视图
绕组和铁心
变压器模型剖分图
漏磁场分布
三维温度场模型
Z=0 平面温度场分布
X=0 平面温度场分布
X=0 平面气流速度矢量分布
铁心温度场分布
低压绕组温度场分布
油箱外表面温度场分布
变压器温度场云图分布图
a 绕组底部
b 绕组端部
各部件平均温升对比
低压绕组二维温度场模型
?低压绕组温度场分布图
计算结果与分析
我分析了变压器的三维与二维温度场，高低压绕组都随着轴向高度的增大而上升，最热点靠近端部位置。高压绕组温升要高于低压绕组，这是因为铝导线的散热差并且高压单层体积大于低压单层体积。铁心温升要轴向高度增加，中间心柱要略高于旁轭。油箱顶部温升较高，与实际分布相符。
利用程序模拟计算了室温在29.0 ℃下,额定容量为200 kV图的温度云图表示了变压器绕组高低压线圈温度的分布情况,温度单位为℃。可以看出:不论是低压绕组还是高压绕组,温度分布是不均匀的,下部温度低,上部温度高;绕组的最低
温度位于整个绕组的底端;最高温度位于整个绕组的上半部分,其中低压绕组的最高温度偏离径向向右,轴向距底端约17/ 20 处,其值为83.65 ℃;高压绕组的最高温度偏离径向约1/ 3 ,轴向距底端约16/ 20 处,其值为81.33 ℃,计算值均低于F 级绝缘限制的极限温升100℃。
用传热学理论分析可知,热流从绕组最热的内层向内外两个气道方向传递,因而在热流的沿途方向温度逐渐降低。空气在高低压绕组之间形成的气道中流动,由于受热后温度升高,体积膨胀,空气沿着气道向上自由流动。流动时受粘性和壁面摩擦的影响,在靠近壁面附近的地方流体速度逐渐减小,在壁面处完全被滞止不动,形成换热薄层。由于壁面粘滞力的影响逐渐向流体内部传递,边界层逐渐增厚。与此相对应,换热热阻也逐渐增加,致使局部换热系数随高度的增加而减小,因此
高低压绕组上半部的散热效果比下半部散热效果差,绕组温度沿轴向升高。高压绕组的平均温度比低压绕组的平均温度低是由于高压绕组位于整个变压器的最外部,其外侧的对流散热和辐射散热的条件优于低压绕组,而低压绕组位于铁心和高压绕组之间,铁心和高压绕组在正常工作时均发热,使低压绕组的换热条件变差。的变压器在100 %负荷下运行时的温度场分布情况。计算所得的二维稳态温度场等温线如图所示。
低压线圈温度场云图高压线圈温度场云图
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
基于ANSYS有限元软件实现施工温控仿真的主要技术（1）研究方法和分析流程 本次计算利用ANSYS软件来进行象鼻岭碾压混凝土拱坝全过程温控仿真计算分析。具体分析流程如下： 1）收集资料：包括工程气象水文资料、大坝体型、热力学参数、工程进度、施工措施、防洪度汛和蓄水等。 2）整理分析资料：参数拟合、分析建模方法。 3）建模：采用ANSYS软件进行建模，划分网格。 4）编写计算批处理程序：根据资料结合模型编写计算温度场的ANSYS批处理程序。 5）检查计算批处理程序：首先检查语句，然后导入计算模型检查所加荷载效果。 6）计算温度：使用ANSYS软件温度计算模块进行计算。 7）分析温度结果：主要分析各时刻的温度场分布和典型温度特征值。 8）应力计算建模：模型结构尺寸与温度分析模型相同，需要改变把温度分析材料参数改为应力分析材料参数。 9）计算应力：使用ANSYS软件温度应力计算模块和自编的二次开发软件进行计算。 10）分析应力结果：主要分析应力场分布和典型应力特征值。 11）编写报告：对计算流程和结果实施进行提炼总结，提出可行的温控指标和措施。 （2）前处理 1）建模方法选择。 有限元建模一般有两种方法：一种为通过点线面几何拓扑的方法建模，这种建模方法精确，但是比较费时。对于较大规模的建模任务花费时间太多。另一种为通过其他软件导入，如CAD，通过在其他软件中建模，然后输出为ANSYS 可以识别的文件类型，再导入ANSYS中完成建模过程，这种建模方式精度较直接建模的精度要稍低一些，但是由于要求建模的模型已经在CAD软件中完成了
初步建模，可以直接拿来稍作处理即可应用，时间花费较少。本计算选用从CAD 软件导入ANSYS中来建立模型。 2）建模范围。 建模范围可以分为全坝段建模和单坝段建模，全坝段建模可以全面反映整个坝体的温度和应力情况，但是建模难度高、计算量大；单坝段建模建模难度小，计算量也相对较小，一般情况下单坝段建模即可满足要求。 3）施工模拟层厚。 根据已建碾压混凝土坝经验，碾压层厚一般为0.3m左右，按照0.3m一层建模是最精确的，但是如果按照0.3m一层建模，计算网格数量巨大，计算时间长，对于硬件要求较高，在硬件和时间达不到要求的情况下，按照3m一层以下精度都是可以基本满足要求的。 4）分区模拟。 由于各分区混凝土水化热差别较大，对于温度计算影响较大，因此建模要尽量反映混凝土大坝内部分区变化。基岩由于对混凝土只是导热作用，且影响范围在10m左右，因此在计算时可以认为是均质体，计算热力学参数采用靠近建基面的地层参数。 5）参数选取。 参数一般选择可研阶段的材料试验报告，如果项目部未能提供这些资料，可以在征求同意的前提下，通过查阅相关书籍，尽量采取相似工程的资料。 （3）计算 1）ANSYS计算模块。 ANSYS计算温度场模块由其自带，可以直接进入模块计算。 2）化学产热模拟。 通过ANSYS中产热命令BFE模拟。 3）边界条件模拟。 ①对流边界条件通过命令SFA模拟。 ②接触散热边界条件通过命令D模拟。 4）浇筑模拟。 通过ANSYS中的生死单元功能实现，初始阶段所有单元均为死单元，死单
ANSYS热应力分析例题 实例1圆简内部热应力分折： 有一无限长圆筒，其核截面结构如图13—1所示，简内壁温度为200℃，外壁温度为20℃，圆筒材料参数如表13．1所示，求圆筒内的温度场、应力场分布。 该问题属于轴对称问题。由于圆筒无限长，忽略圆筒端部的热损失。沿圆筒纵截面取宽度为10M的如图13—2所示的矩形截面作为几何模型。在求解过程中采用间接求解法和直接求解法两种方法进行求解。间接法是先选择热分析单元，对圆筒进行热分析，然后将热分析单元转化为相应的结构单元，对圆筒进行结构分析；直接法是采用热应力藕合单元，对圆筒进行热力藕合分析。 /filname,exercise1-jianjie /title,thermal stresses in a long /prep7 $Et,1,plane55 Keyopt,1,3,1 $Mp,kxx,1,70 Rectng,0.1,0.15,0,0.01 $Lsel,s,,,1,3,2 Lesize, all,,,20 $Lsel,s,,,2,4,2 Lesize,all,,,5 $Amesh,1 $Finish /solu $Antype,static Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $d,all,temp,200 lsel,s,,,2 $nsll,s,1 $d,all,temp,20 allsel $outpr,basic,all solve $finish /post1 $Set,last /plopts,info,on Plnsol,temp $Finish /prep7 $Etchg,tts Keyopt,1,3,1 $Keyopt,1,6,1 Mp,ex,1,220e9 $Mp,alpx,,1,3e-6 $Mp,prxy,1,0.28 Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $Cp,8,ux,all Lsel,s,,,2 $Nsll,s,1 $Cp,9,ux,all Allsel $Finish /solu $Antype,static D,all,uy,0 $Ldread,temp,,,,,,rth Allsel $Solve $Finish /post1 /title,radial stress contours Plnsol,s,x /title,axial stress contours Plnsol,s,y /title,circular stress contours Plnsol,s,z /title,equvialent stress contours Plnsol,s,eqv $finish
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
ANSYS热应力分析实例 当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。 7.1热应力分析的分类 ANSYS提供三种进行热应力分析的方法： 在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，贝U可以 通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度 间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。 直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果。 如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题，推荐使用第二种方法一间接法。因为这种方法可以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如大变形、接触等），则可以使用第三种直接法一使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。 7.2间接法进行热应力分析的步骤 首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。 表7-1热单元及相应的结构单元
重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1是热单元与结构 单元的对应表。可以使用菜单进行转换： Mai n Menu>Prep roeessor>Eleme nt Typ e>Switeh Eleme nt Type ，选择Thermal to Struetual 。 但要注意设定相应的单元选项。例如热单元的轴对称不能自动转换到结构单元中，需要手工设置一下。在命令流中，可将原热单元的编号重新定义为结构单元，并设置相应的单元选项。 设置结构分析中的材料属性（包括热膨胀系数）以及前处理细节，如节点耦 合、约束方程等。 读入热分析中的节点温度, GUI: Solution>Load Apply>Temperature>From Thermal Analysis 。输入或选择热分析的结果文件名*.rth。如果热分析是瞬态的，则还需要输入热梯度最大时的时间点或载荷步。节点温度是作为体载荷施加的，可通过Utility Men u>List>Load>Body Load>On all nodes 列表输出。 设置参考温度，Mai n Men u>Solutio n>Load Setti ng>Refere nee Temp 。 进行求解、后处理。 7.3间接法热应力分析实例 7.3.1 问题描述 图7-1冷却栅示意图
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.
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)
/FILNAME,Double,1 ！定义工作文件名。 /TITLE,Temperature Analysis ！定义工作标题。 !* /PREP7 !定义单元。 ET,1,SOLID70 !* !定义材料属性。 MPTEMP,,,,,,,, !定义材料1。 MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,1,,238*3.6 !定义材料1的传热系数KXX1。MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,C,1,,500 !定义材料1的比热C1。MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,,3e-6 !定义材料1密度DENS1。 !* MPTEMP,,,,,,,, !定义材料2。 MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,2,,15*3.6 !定义材料2的传热系数KXX2。MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,C,2,,100 !定义材料2的比热C2。MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,2,,2.2e-6 !定义材料2密度DENS2。 !* !建立几何模型。 BLC4,-80,-10,160,20,700 VOFFST,3,20, , !* !网格划分。 FLST,5,20,4,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,-20 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y LESIZE,_Y1,10, , , , , , ,1 !定义网格大小。 !* TYPE, 1 MAT, 1 REAL, ESYS, 0 SECNUM, CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VSWEEP,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 TYPE, 1 MAT, 2 REAL, ESYS, 0 SECNUM, CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 2 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VSWEEP,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !定义网格大小完成。 !* FINISH /SOL ANTYPE,4 !定义瞬态分析类型。
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。
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
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：
题目：ANSYS热应力分析 专业：材料成型及控制工程 班级：型职141 学号：14615118 姓名：武学杰 指导教师：张转转 2017年10月17日至11月13日共4周 指导教师(签字) 系主任(签字)
题目： 第一步：更改文件名
第二步：选择单元 第三步：设置材料属性 1、给定材料的导热系数40W(m·℃)。 Main Menu>Preproessor>Material Props>Material Models 第四步：建立实体模型（国际单位制） 1、创建矩形A1:X1，Y1（0，0）、X2,Y2（0.01，0.07）MainMenu>Preprocessor>Modeling>Creaate>Areas>Rectangle>By Dimensions
2、创建矩形A2：X1,Y1(0,0.05)X2,Y2(0.08,0.07) 3、显示面的编号 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering
4、对面A1和A2进行overlap操作 Main Menu>Preocessor>Modeling>Operate>Booleans>Overlap>Areas 第五步：划分网格 1、打开Meshtool对话框； Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool 2、设定网格尺寸为0.002，网格形状为四面体映射网格； 3、Mesh。
第六步：施加载荷 1、进入Solution处理器。 Main Menu>Solution 2、设定分析类型为“steady-state” Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Lines 3、在外面界线上定义温度载荷60 Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Lines 4、在内边界线定义温度载荷0。 5、图形窗口显示线。 Utility Menu>Plot>Lines
1、进入求解器之后出现如下警告： Using 1 iteration per substep may result in unconvergent solutions for nonlinear analysis and the program may not indicate divergence in this case. Check your results. 不要担心，这是ANSYS程序设置中的一个友好提示，并不说明你的程序就是错误的（当然出现这个提示也不能证明你的程序就是无误的），你可以接着运行程序。 2、进行非线性求解的时候，如果你输入了材料的磁化曲线，但是很奇怪的是在进行二维分析的时候是成功的，但是三维分析的时候被告知得到的解是不收敛。 原因一：你需要检查一下程序的问题，是不是求解的步长设置的不合理。一般情况下，ANSYS 默认的是25，这个值可以满足大部分计算的需要，不过有的时候你需要把这个步长变大。 原因二、你输入的磁化曲线是正确的吗？是否满足ANSYS的要求？很多参考书上的磁化曲线数据并不满足ANSYS程序的要求，你需要用命令TBPLOT绘制出材料的BH、NB、MH三条曲线，看这三条曲线是不是都是光滑的单调的。 3、为什么绘制出的磁力线只有寥寥几根，如何加密呢？ ANSYS中有很多中显示方式，你不妨去看看命令/SHOW中的说明. 4、边界条件在电磁场分析中至关重要，那么何时采用通量平行条件何时采用通量垂直条件呢？ 在我看来，在ANSYS中，电磁场分析的边界条件是相当直观的。帮助文档中是这么定义的：Flux-normal: Set the normal component of A to zero Flux-parallel: Set in-plane components of A to zero. Far-field: Use element INFIN111. Far-field zer Use AX = AY = AZ = 0. Periodic: Use ANSYS' cyclic symmetry capability. Imposed external field: A(X,Y,Z) does not equal zero. 一般情况下，通量平行条件是可以不加的，但是通量垂直条件一定要加。其实，所谓的平行和垂直就是指实际情况下磁力线和边界的情况。 如果还是不太明白，你可以仔细看看帮助文档中所给出的例子。 5、电磁场分析中远场单元该怎么选择？ 我曾在这方面浪费了很多时间。后来才发现原来是因为自己没有看明白帮助文件中的说明书。这个问题比较复杂，虽然我提出来，但是不知道该怎么说。建议大家还是多看看说明书。呵呵……
ANSYS 热应力分析实例 当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收 缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。 热应力分析的分类 ANSYS提供三种进行热应力分析的方法： 在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，则可以 通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度 间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应 力分析中。 直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应 力分析的结果。 如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题，推荐使用第二种方法—间接法。因为这种方法可以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如大变形、接触等），则可以使用第三种直接法—使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。 间接法进行热应力分析的步骤 首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表 面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分
析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。 热单元结构单元 LINK32LINK1 LINK33LINK8 PLANE35PLANE2 PLANE55PLANE42 SHELL57SHELL63 PLANE67PLANE42 LINK68LINK8 SOLID79SOLID45 MASS71MASS21 PLANE75PLANE25 PLANE77PLANE82 PLANE78PLANE83 PLANE87PLANE92 PLANE90PLANE95 SHELL157SHELL63 重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1 是热单元与结构单元的对应表。可以使用菜单进行转换：
ANSYS电磁场分析指南 第十三章电场分析 13.1 电场分析简介 电场分析就是要计算导电系统或电容系统中的电场，需要计算的典型物理量为： ·电场 ·电流密度 ·电荷密度 ·传导焦耳热 电场分析在工程设计中有广泛应用：汇流条、保险丝、传输线等。 很多情况下，先进行电流传导分析，或者同时进行热分析，以确定因焦耳热而导致的温度分布。也可以在电流传导分析之后直接进行磁场分析以确定电流产生的磁场。有关这方面的内容请参见《ANSYS 耦合场分析指南》。本章只讲单纯的电场分析，主要是稳态电流传导分析、静电场分析和电路分析。 进行电流传递分析要求ANSYS/Multiphysics或者ANSYS/Emag模块。这两个模块还可以进行静电场和电路分析。 ANSYS以泊松方程为静电场分析的基础。参见《ANSYS理论手册》。主要的未知量（节点自由度）是标量电位(电压)。其他物理量由节点电位导出。 13.2 电场分析要用到的单元 表1 传导杆单元 表 2 2-D实体单元
表 3 3-D实体单元 表 4 壳单元 表 5 特殊单元 表 6 通用电路单元
13.3 单元兼容性 有限元模型中可能含带电压自由度的单元，这些单元需要相应的反作用力。见下表。 表7 带电压自由度单元的反作用力
13.4 稳态电流传导分析简介 稳态电流传导分析可以分析计算直流电流和电压降产生的电流密度和电位分布。可以进行两种加载：电压和电流。 稳态电流传导分析认为电压和电流成线性关系，即电流与所加电压成正比。 13.5 稳态电流传导分析的步骤 稳态电流传导分析要确定直流电或电势降导致的电流密度分布和电势（电压）分布，在此分析中载荷有两种类型：外加电压和电流。假定稳态电流传导分析是线性的，即：电流与所加电压成正比。 稳态电流传导分析有三个主要的步骤： 1.建立模型 2.加载并求解 3.观察结果。 13.5.1建立模型 建立模型，定义工作文件名和标题： 命令：/FILNAME, /TITLE GUI：Utility Menu>File>Change Jobname Utility Menu>File>Change Title 在GUI参数选择框中选择Electric选项。以便能够选择需要的单元。 GUI:Main Menu>Preferences>Electromagnetics>Electric 然后按照《ANSYS建模与分网指南》中的描述定义单元类型、定义材料特性并建立几何模型。 在电流传导分析中，可以使用下列单元： ·LINK68：三维二节点热/电线单元 ·PLANE67：二维四节点热/电四边形单元 ·SOLID5：三维八节点结构/热/磁/电六面体单元
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。 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。