ANSYS 10.0工程电磁分析技术与实例详解

前 言

ANSYS是国内非常流行的有限元分析商业软件包，可以进行结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析和多物理场分析，是惟一真正实现多场耦合的CAE软件。虽然ANSYS国内用户已达1600余家，但许多用户还处于初级使用阶段，没有发挥出ANSYS的强大功能，特别是在电磁场应用方面更是如此。这往往不是用户对ANSYS的熟练使用问题，而是由于用户没有深厚的电磁场理论功底所造成的结果。作者长期从事电磁场理论及其数值计算方法的研究，长期使用ANSYS开发工程项目，在ANSYS的理解与应用方面积累了一定的经验，深知只有对电磁场理论深入理解和熟练掌握ANSYS，才能达到游刃有余、走向自由王国的境界。

目前国内介绍ANSYS应用方面的书不少，但全面介绍电磁场分析方面的书是个空白，作者总结多年使用ANSYS的成功经验，把ANSYS在电磁场应用方面的资料编著成书，并经过作者的加工与解释，以便更符合汉语的习惯，也能使读者更容易理解，因此，可以说本书是利用ANSYS开发电磁场工程项目的心得体会与成果总结，以给从事电磁场计算方面的科技人员提供一个参考。

本书以ANSYS的最新版ANSYS 10.0为基础，对ANSYS的电磁场有限元分析进行全面介绍。内容包括：ANSYS电磁场分析概述，ANSYS电磁场理论基础，ANSYS电磁场基本分析过程，ANSYS建模方法，ANSYS二维电磁场分析，ANSYS三维静态磁场分析——标量法，ANSYS三维静态、谐波和瞬态磁场分析——矢量法，ANSYS三维静态、谐波和瞬态磁场分析——棱边单元法，ANSYS高频电磁场分析，ANSYS电流场分析，ANSYS静电场分析，ANSYS电路分析，ANSYS耦合场分析，ANSYS磁宏和远场单元。本书既包含ANSYS的电磁场基本理论、基本操作过程和使用方法，也有大量的工程应用实例。

本书试图既满足初学者的学习需要，又满足高级工程开发人员的要求，但如何在两者之间权衡，颇费思索，因此在内容安排方面，篇幅比较大，内容比较全面，几乎覆盖了电磁场方面的所有内容。本书例题较多，以供从事不同专业方向的读者取舍。读者只有在掌握ANSYS的基本操作后，完成大量的练习，才能理解ANSYS的真谛。由于时间和篇幅所限，还有不少好的例题没有列入本书，特别是耦合场和高频方面的例子比较少，这留待以后修订时补充进去。

对初学者来说，应该按照第3章中的例子反复练习，慢慢理解ANSYS的内涵，然后再阅读后面的内容，独立完成其他各章中的例子。对于已经有ANSYS基础的工程开发人员来说，主要是要理解各种方法的含义、适用范围、边界条件和加载方面的异同，多计算一些例子，并与理论值或实测值进行比较，确保使用无误后，再针对工程项目进行开发。另外，不要忽视理论基础知识，在每做完一个例题后，要在第2章找到所使用的理论知识，细心体味所使用的方法、理论结果和ANSYS操作方法，这会带来意想不到的收获。总之，必须在ANSYS上下大功夫，做大量的练习，细细品味ANSYS的魅力，才能避免因ANSYS使用不当而造成的错误。

在本书的编写过程中，得到了北京航空航天大学苏东林教授的关心和支持，得到了王向晖博士、刘焱博士、王冰切博士、翟禹博士、韩轶峰硕士、张兰兰硕士、付路硕士的协助，同时也得到了安世亚太公司北方区技术经理蔡鹏先生、EMBU产品经理贾云峰博士的支持，在此向他们表示感谢。

由于编著者水平有限，加之时间紧迫，错误与缺点在所难免，欢迎读者批评指正，同时也欢迎与作者进行合作研究，联系地址：yanzhaowen@buaa.edu.cn。

阎照文

于北京航空航天大学

2006年8月

目 录
前言
第1章 ANSYS电磁场分析概述 1
1.1 ANSYS概述 1
1.2 电磁场分析对象 1
1.3 ANSYS怎样分析磁场 2
1.4 稳态、谐波和瞬态磁场分析 7
1.5 关于棱边单元、标量位、矢量位方法的比较 7
1.5.1 2-D和3-D磁场分析 8
1.5.2 磁标量位方法 8
1.5.3 矢量位分析方法 8
1.5.4 棱边单元方法 8
1.5.5 棱边单元法与矢量位方法的比较 8
1.5.6 静态分析 9
1.6 电磁场单元概述 10
第2章 ANSYS分析理论基础 12
2.1 电磁场理论基础 12
2.1.1 标量磁位法 14
2.1.2 求解方法 14
2.1.3 矢量磁位法 16
2.1.4 棱边通量自由度 17
2.1.5 节点矢量位法的限制 17
2.1.6 用复数形式表示的谐波分析 18
2.1.7 非线性时间—谐波磁场分析 19
2.1.8 电标量位法 20
2.2 场量值的计算 21
2.2.1 标量磁位结果 21
2.2.2 矢量磁位结果 22
2.2.3 磁力 22
2.2.4 磁分析中的焦耳热 24
2.2.5 电标量位结果 25
2.2.6 静电力 26
2.3 电压激励磁场分析和电路激励磁场分析 26
2.3.1 电压激励磁场问题 26
2.3.2 电路激励磁场问题 27
2.4 高频电磁场仿真 27
2.4.1 高频电磁场FEA原理 27
2.4.2 边界条件和完全匹配层（PML） 28
2.4.3 激励源 30
2.4.4 高频参数的计算 31
2.5 用LMATRIX和SENERGY宏命令计算电感、通量和能量 39
2.5.1 微分电感的定义 40
2.5.2 电感计算方法回顾 41
2.5.3 使用的电感计算方法 41
2.5.4 变压器和电机感应电压 41
2.5.5 绝对通量计算 42
2.5.6 电感计算 42
2.5.7 绝对能量计算 42
2.6 电容计算 43
2.7 电导计算 44
2.8 耦合效应 45
2.8.1 单元 45
2.8.2 耦合方法 46
第3章 ANSYS基本操作过程 54
3.1 建立模型 54
3.1.1 指定作业名和分析标题 54
3.1.2 选择分析类型 55
3.1.3 定义单元的类型 56
3.1.4 定义单元实常数 56
3.1.5 定义材料特性 56
3.1.6 创建几何模型 57
3.2 加载和求解 59
3.2.1 加载 59
3.2.2 求解 60
3.3 查看分析结果 62
3.3.1 将数据结果读入数据库 62
3.3.2 在POST1中观察结果 62
第4章 ANSYS建模方法 67
4.1 坐标系 67
4.1.1 总体和局部坐标系 67
4.1.2 显示坐标系 68
4.1.3 节点坐标系 68
4.1.4 单元坐标系 68
4.1.5 结果坐标系 68
4.2 工作平面 69
4.2.1 生成一个工作平面 69
4.2.2 增强的工作平面 69
4.3 实体建模 70
4.3.1 用自底向上的方法建模 71
4.3.2 用自顶向下的方法建模 73
4.3.3 用布尔运算雕刻实体模型 74
4.3.4 移动和拷贝实体模型 76
4.3.5 实体模型图元的缩放 76
4.3.6 质量和惯量的计算 77
4.4 对实体模型进行网格划分 77
4.4.1 定义单元属性 77
4.4.2 网格划分控制 77
4.4.3 实体模型的网格划分 78
4.4.4 改变网格 80
4.5 修改模型 80
4.6 直接生成 81
4.6.1 定义节点 81
4.6.2 定义单元 81
4.7 选择和组件 82
4.7.1 选择实体 83
4.7.2 将几何体组集成组件与部件 84
4.8 创建几何显示 85
4.8.1 创建实体模型显示 85
4.8.2 改变几何显示的说明 85
4.9 创建几何模型结果显示 86
4.9.1 创建结果的几何显示 86
4.9.2 改变POST1结果显示规范 87
第5章 ANSYS二维电磁场分析 88
5.1 2-D静态磁场分析 88
5.1.1 2-D静态磁场分析的基本步骤 88
5.1.2 例题分析 100
5.2 2-D谐波（AC）磁场分析 156
5.2.1 2-D谐波（AC）磁场分析的基本过程 156
5.2.2 例题分析 163
5.3 2-D瞬态磁场分析 184
5.3.1 2-D瞬态磁场基本过程 184
5.3.2 例题分析 186
第6章 ANSYS三维静态磁场分析——标量法 197
6.1 标量法三维静态磁场分析基本过程 197
6.1.1 创建物理环境 197
6.1.2 设置GUI菜单过滤 197
6.1.3 定义材料属性 197
6.1.4 建立模型 197
6.1.5 施加边界条件和载荷 199
6.1.6 边界条件 199
6.1.7 求解 199
6.1.8 后处理 200
6.2 例题分析 200
第7章 ANSYS三维静态、谐波和瞬态磁场分析——矢量法 215
7.1 节点法（MPV）3-D静态磁场分析 215
7.2 节点法（MPV）3-D谐波磁场分析 228
7.2.1 建立3-D谐波磁场分析的物理环境 228
7.2.2 加载和求解 232
7.2.3 观察结果 232
7.3 节点法（MPV）3-D瞬态磁场分析 232
7.3.1 建立3-D瞬态磁场分析的物理环境 232
7.3.2 加载和求解 233
7.3.3 观察结果 233
7.4 标势法和矢量法联合使用 233
7.4.1 建立混合区域的模型 233
7.4.2 施加载荷、求解混合模型 234
7.4.3 观察结果 234
第8章 ANSYS三维静态、谐波和瞬态磁场分析——棱边单元法 248
8.1 3-D静态磁场分析 248
8.1.1 棱边法中用到的单元 248
8.1.2 不同物理区域的特性 248
8.1.3 完成一个棱边法静态场分析 248
8.1.4 观察结果 249
8.1.5 例题分析 249
8.2 3D谐波磁场分析 279
8.2.1 定义和设置模型的物理区域 279
8.2.2 速度效应 281
8.2.3 3-D谐波磁场分析的步骤 282
8.2.4 观察结果 282
8.2.5 例题分析 282
8.3 棱边法3-D瞬态磁场分析 291
8.3.1 3-D瞬态磁场分析的步骤 291
8.3.2 观察结果 292
第9章 ANSYS高频电磁场分析 293
9.1 高频电磁场的有限元分析 293
9.2 高频电磁场分析中用到的单元 293
9.3 高频电磁场谐波分析 294
9.3.1 建立物理环境 294
9.3.2 建立模型、说明区域特性和剖分 294
9.3.3 施加边界和激励（载荷） 294
9.3.4 求解高频谐波分析 300
9.3.5 高频谐波分析后处理 301
9.4 高频电磁场模态分析 303
9.5 例题分析 303
第10章 ANSYS电流场分析 339
10.1 稳态电流传导分析 339
10.1.1 建立模型 339
10.1.2 加载和求解 339
10.1.3 观察结果 340
10.1.4 多导体系统提取电导 340
10.2 谐波准静态电场分析 342
10.2.1 建立模型 342
10.2.2 施加载荷和求解 342
10.2.3 观察结果 343
10.3 瞬态准静态电场分析 343
10.4 例题分析 344
第11章 ANSYS静电场分析 374
11.1 h方法静电场分析 374
11.1.1 h方法静电场分析所用的单元 374
11.1.2 h方法静电场分析的步骤 374
11.1.3 多导体系统电容的提取 376
11.1.4 开域边界的Trefftz方法 378
11.2 p方法静电场分析 378
11.2.1 p方法的优点 378
11.2.2 使用p方法 378
11.3 例题分析 380
第12章 ANSYS电路分析 407
12.1 使用CIRCU124单元 407
12.2 使用CIRCU125单元 408
12.3 使用电路建模程序 408
12.4 避免电路不合理 408
12.5 静态（DC）电路分析 409
12.5.1 建立静态电路分析模型 409
12.5.2 加载和求解 409
12.5.3 观察结果 409
12.6 谐波（AC）电路分析 409
12.7 瞬态电路分析 410
12.8 例题分析 410
第13章 ANSYS电磁耦合场分析 429
13.1 耦合场分析的定义 429
13.2 耦合场分析的类型 429
13.3 顺序耦合场分析 429
13.4 ANSYS多场（TM）求解器 431
13.5 直接耦合场分析 432
13.5.1 热—电分析 433
13.5.2 压电分析 433
13.5.3 压阻分析 433
13.5.4 磁—结构分析 434
13.5.5 电机械分析 434
13.6 耦合电路仿真 434
13.6.1 电磁—电路仿真 434
13.6.2 电机械—电路仿真 438
13.6.3 压电—电路仿真 439
13.7 例题分析 439
第14章 ANSYS磁宏和远场单元 477
14.1 磁宏 477
14.1.1 电磁宏 477
14.1.2 使用电磁宏 478
14.2 远场单元 480
14.2.1 远场单元 481
14.2.2 使用远场单元注意的事项 481

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