ANSYS电磁场分析指南 第六章 3-D静态磁场分析(棱边元方法
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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。
6.4用棱边单元方法进行静态分析的步骤
用棱边元方法进行静态磁场分析的步骤如下:
1.在GUI菜单过滤项中选定Magnetic-Edge项。
GUI: Main Menu>Preferences>Electromagnetics:Magnetic-Edge
2.定义任务名和题目。
命令:/FILNAME和/TITLE
GUI:Utility Menu>File>Change Jobname
Utility Menu>File>Change Title
3.进入ANSYS前处理器。
命令:/PREP7
GUI:Main Menu>Preprocessor
4.选择SOLID117单元。
命令:ET,,solid117
GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete
5.定义材料特性(与第二章类似)。
命令:MP
GUI:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material
Models>Electromagnetics>Relative Permeability>Constant
命令:TB
GUI:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material
Models>Electromagnetics>BH Curve
6.建立模型,用Main Menu>Preprocessor>-Modeling-界面,详见《ANSYS 建模与分网指南》。
7.赋予特性。
GUI: Main menu>Preprocessor>-Attributes-Define
8.划分网格(用Mapped网格)。
命令:VMESH
GUI:Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Volumes-Mapped
9.进入求解器。
命令:/SOLU
GUI:Main Menu>Solution
10.给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件。
命令:DA
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Boundary
用AZ=0来模拟磁力线平行边界条件,磁力线垂直边界条件自然发生,无需说明。在极少数情况下,说明AZ=0还不足以表明磁力线平行边界条件,在这中情况下,可分别用D命令来指定约束。
11.加电流密度载荷(JS)。
由于电磁分析的连续方程必须满足,所以此处施加的源电流密度必须是无散的(即▽JS=0),这一点必须保证,如果有误,则SOLID117单元会解算出错误结果,并且不给出任何警告信息!
在某些情况下,源电流密度的幅值和方向都是恒定的(比如:杆状、弧状电流源),自然满足无散条件,此时就可用下面描述的BFE命令施加电流。在其它很多复杂情况下,源电流密度的分布事先是不知道的(比如:两个直杆连接处弯
形连接段内的电流弯曲),此时就需要先执行一个静态电流传导分析(见第13章),一旦确定下电流,就可以用LDREAD命令将其读入磁场分析中。
通常,直接把源电流密度施加到单元上。使用下列方式之一:
命令:BFE, JS
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Magnetic-Excitation
关于其他加载的更多信息,参看第2章“2D静态磁场分析”。单元密度由ESYS命令在单元坐标系中设定。
12.为计算作用到导磁体上的Maxwell力和虚功力,先定义组元:
命令:CM
GUI:Utility Menu>Select>comp/Assembly>Create Component
再加表面标志:
命令:FMAGBC
GUI:Main Menu>Solution-Loads-Apply>-Magnetic-Flag>Comp Force/Torq
13.选择静态分析类型。
命令:ANTYPE,static,new
GUI:Main Menu>Solution>New Analysis>Static
注意:如果是需要重启动一个分析(重启动一个未收敛的求解过程,或者施加了另外的激励),使用命令ANTYPE,STATIC,REST。如果先前分析的结果文件Jobname.EMAT, Jobname.ESAV, 和Jobname.DB还可用,就可以重启动3-D静态磁场分析。
14.选择求解器,可以使用波前求解器(FRONT) (缺省值)、稀疏求解器(Sparse)、雅可比共厄梯度求解器 (JCG)、及不完全Cholesky 共厄梯度求解器(ICCG)。用下列方式选择求解器:
命令:EQSLV
GUI:Main menu>Solution>Analysis Options
推荐使用sparse 或ICCG求解器。
15. 选择载荷步选项(参见16章)。