工程电磁场课程设计基于ANSYS软件的有限元分析法.docx
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工程电磁场课程设计基于ANSYS软件的有限元分析法
工程电磁场课程设计
——基于ANSYS软件的有限元分析法
一、基本知识学习总结:
1、UtilityMenu实用菜单
SAVE_DB存储数据库RESUME_DB恢复数据库
SelectEntity选择实体Comp/Assembly组元/集合
Plot/Replot画图/重新画图Pan,Zoom,Rotate…平移,缩放,旋转…
WorkPlane(WP)工作平面CoordinateSystem(CS)坐标系
Macro宏
Preference()…优先设置…
Preprocessor(Pre7)前处理
GeneralPostproc(Post1)通用后处理
Solution(Solu)求解模块
TimeHistPostproc(Post26)时间历程后处理
Optim……优化模块
2、分析步骤
(1)建模:
A.重名文件名(/title,xx或者File>>ChangeTitle…)
B.设定分析范围(mainmenu>>preferences:
electrics)
C.建立数学模型,并进行物理剖分析
(2)加载求解器
A.计入求解器
B.定义分析类型:
C.定义分析属性
D.加载
E.保存数据库
F.开始求解
G.世家附加载荷:
若想施加额外的负载条件,重复执行
H.完成求解
(3)读取结果,进入后处理模块
二、实验项目
(一)静电场分析——求圆柱截流导线周围的电场和对地电容
功能:
主要能解决有电荷分布以及电压所引起的电场和电势(电压)分布以及多导体系统的部分电容。
1、分析步骤:
如上
2、静电场分析——电容计算方法
A.定义式:
C=Q/U
Q—带等量异号电荷的两导体的电量,U—两导体间的电压。
B.能量法:
W—两导体系统的电场能量,U1,U0—两导体间的电压
C.ANSYS中的CMATRIX宏命令:
cmatrixGUI:
MainMenu>Solution>Solve>Electromagnet>StaticAnalysis>CapacMatrix
3、模型描述:
求无限长载流导线附近的电场分布,无限长载流导线截面为圆柱形,周围为空气介质,
平面位置和尺寸如图8(a)所示,R0=100mm,h=5m,H=50m。
空气的相对电容率为εr=1,导线的相对电容率为εr=1。
边界和激励设置:
将大地和无限远处作为求解边界。
求解区域外围空气(5倍的模型尺寸)设置为截断边界,边界上的电位为0V。
导线截面内所有的电位均相等,导线为一等势体,电位设置为100V,图8(b)为模型总体示意图。
图8(a)无限长导线模型尺寸图8(b)无限长导线电场计算模型示意图
4、
模型分析
原理:
利用镜像法与等电轴法建立数学模型,如图
等效电轴位置:
等效电容为:
d=2h
即:
将单输电线对地电容等效为双输电线之间的电容计算。
,所以单极导线对地电容
C=2
5、
编程命令
1、确定文件名,选择研宄范围
点击UtilityMenu>File>ChangeTitle,输入你的文件名。
点击MainMenu>Preferences,选择Electric。
2、定义参数:
(ansyscommandwindows或者UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters)
h=5R0=0.1
D_2=sqrt(h**2-R0**2)
U=100d=2*h
b=h-D_2pi=atan
(1)*4
epsilon=8.854187817*10**(-12)
C0=2*pi*epsilon/log((d-(R0+b))/(R0-b))
tau=C0*U
3、定义单元类型:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
点击Add,选择Electrostatic和2DQuad121(二维四边形单元plane121)------------------[ET,1,PLANE121]
Definesalocalelementtypefromtheelementlibrary.
ET定义单元类型
4、定义材料属性:
MaterialProps>MaterialModels
Electromagnetics>RelativePermittivity>Constant:
PREX=1
(定义相对介电常数)--------------[MP,PERX,1,1]
Definesalinearmaterialpropertyasaconstantorafunctionoftemperature.
PREP7:
Materials
Lab:
Validmaterialpropertylabel有效材料属性
包括:
弹性模量Elasticmoduli=(EX,EY,EZ)
割线热膨胀系数Secantcoefficientsofthermalexpansion(ALPX...)
瞬时热膨胀系数Instantaneouscoefficientsofthermalexpansion
主要泊松比MajorPoisson'sratios(PRXY…)
最小泊松比MinorPoisson'sratios(NUXY)
5、创建几何模型:
>>PlotCtrls>Numbering>选Keypointnumbers为on,Linenumbers为on,Areanumbers为on,点击OK
[/PNUM,KP,1/PNUM,LINE,1/PNUM,AREA,1]
Controlsentitynumbering/coloringonplots.
Label:
KP-Keypointnumbersonsolidmodelplots.
LINE-Linenumbersonsolidmodelplots(bothnumbersandcolorsonlineplots).
AREA-Areanumbersonsolidmodelplots(bothnumbersandcolorsonareaplots).
>>MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>ByCent&Radius
Arclengthindegrees中输入180Numberoflinesinarc中输入2
--------------------------------------画一个半圆[circle,1,10*h,,,180]
Generatescirculararclines.
PCENT-Keypointdefiningthecenterofthecircle(intheplaneofthecircle)
RAD-Radiusofthecircle
PAXIS;PZERO;ARC;
NSEG-Numberoflinesaroundcircumference(defaultstominimumrequiredfor90°-maximumarcs,i.e.,4for360°).NumberofkeypointsgeneratedisNSEGfor360°orNSEG+1forlessthan360°.
>>MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>StraightLine
选择关键点1,2并点击OK。
重复上述操作,选择关键点1,4并点击OK。
---------------【l,1,2l,1,4】
Definesalinebetweentwokeypoints.连接关键点。
P1---Keypointatthebeginningofline.
P2----Keypointattheendofline.
>>MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines,
选择L1,L2,L3,L4,然后点击OK。
-----------------------【al,all】
Generatesanareaboundedbypreviouslydefinedlines.通过已定义的线条生成一个有界区域。
L1,L2,L3,...,L10:
Listoflinesdefiningarea(Theminimumnumberoflinesis3)(IfL1=ALL,useallselectedlineswithL2definingthenormal)
>>MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle,在WPX栏中输入0,在WPY栏中输入h,在Radius栏中输入R0
-----------------------------------【cyl4,0,h,R0】
Createsacircularareaorcylindricalvolumeanywhereontheworkingplane.
(在工作区域坐标为(x,y)的点上建一个半径为R0的圆)
>>Select>Everything选中所有对象---------------------------【alls】
>>点击MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Overlap>Areas,在弹出的对话框中点击PickAll。
---------------------【aovlap,all】
Overlapsareas:
重叠区域。
NA1,NA2,NA3,NA9----Numbersofareastobeoperatedon(IfNA1=ALL,useallselectedareasandignoreNA2toNA9.)
6、准备剖分模型
MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool:
SizeControls》Lines:
Set:
输入1,2
NDIV=50,Set:
3,4,NDIV=50SPACESPACE=3;Set:
5,6,7,8>NDIV=20
--------------------【lsel,s,radius,,R0;lesize,all,,,20;lsel,s,loc,y,0;lesize,all,,,50,3;lsel,all】
Selectsasubsetoflines.选择线段(建立线选择子集
Type:
Labelidentifyingthetypeofselect
S---Selectanewset(default).-建立新的选择集(默认)
R---Reselectasetfromthecurrentset.
LESIZE命令
A---Additionallyselectasetandextendthecurrentset.A--选择加入到当前选择集中以扩充当前集
U---Unselectasetfromthecurrentset.
ALL---Restorethefullset.
NONE---Unselectthefullset.
INVE---Invertthecurrentset(selectedbecomesunselectedandvicev反选。
Specifiesthedivisionsandspacingratioonunmeshedlines.划分网格
NL1---Numberofthelinetobemodified.
SIZE---IfNDIVisblank,SIZEisthedivision(elementedge)length
ANGSIZ---Thedivisionarc(indegrees)spannedbytheelementedge(exceptforstraightlines,whichalwaysresultinonedivision)
NDIV:
如果为正,NDIV就是每条线上的单元划分数量,如果为负,NDIV被认为在每条线为为0个单元
SPACE:
空间的比率,如果为正,就是最后一段尺寸与第一段尺寸的比(如果大于1,尺寸是增加的,如果小于1,尺寸是减小的):
如果为负,就是中间段尺寸与两端尺寸的比。
Space默认为1.0(各段平均)
7、剖分模型:
>>Alls;选中全部实体
>>MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool:
Mesh栏中选择Areas,并在Shape栏中选择Tri,以及Free,然后点击Mesh,在新弹出的对话框中点击PickAll。
--------------------【mshape,1,2damesh,all】
Forelementsthatsupportmultipleshapes,specifiestheelementshapetobeusedformeshing.指定用于剖分的基本单元
KEY---Keyindicatingtheelementshapetobeused:
0---Meshwithquadrilateral-shaped(四边形)elementswhenDimension=2-Dmeshwithhexahedral-shaped(六面体)elementswhenDimension=3-D.
1--Meshwithtriangle-shaped(三角形)elementswhenDimension=2-Dmeshwithtetrahedral-shaped(四面体)elementswhenDimension=3-D.
Dimension--Specifiesthedimensionofthemodeltobemeshed指定要网格的模型的尺寸
2D--2-Dmodel(areamesh).
3D--3-Dmodel(volumemesh).
Generatesnodesandareaelementswithinareas.
NA1,NA2,NINC
MeshareasfromNA1toNA2(defaultstoNA1)instepsofNINC(defaultsto1).IfNA1=ALL,NA2andNINCareignoredandallselectedareas[ASEL]aremeshed
8、施加边界条件及载荷:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Electric>Boundary>Voltage>OnLines
弹出的窗口中,输入5,6,7,8,点击OK,在新弹出的对话框的VALUE一栏中,输入U。
重复上述操作,在弹出的窗口中,输入1,2,3,4,点击OK,在新弹出的对话框的VALUE—栏中,输入0,点击OK
------------------------【lsel,s,,,5,8,1dl,all,,volt,Ulsel,s,,,1,4,1dl,all,,volt,0】
Item---Labelidentifyingdata.Validitemlabelsareshowninthetablebelow.Someitemsalsorequireacomponentlabel.IfItem=PICK(orsimply“P”),graphicalpickingisenabledandallremainingcommandfieldsareignored(validonlyintheGUI).DefaultstoLINE.
Comp----Componentoftheitem(ifrequired).Validcomponentlabelsareshowninthetablebelow.
VMIN----Minimumvalueofitemrange.Rangesarelinenumbers,coordinatevalues,attributenumbers,etc.,asappropriatefortheitem.IfVMIN=0.0,atoleranceof±1.0E-6isused,or±0.005xVMINifVMIN=VMAX.Acomponentname(asspecifiedontheCMcommand)mayalsobesubstitutedforVMIN(VMAXandVINCareignored).IfItem=MAT,TYPE,REAL,ESYS,orNDIVandifVMINispositive,theabsolutevalueofItemiscomparedagainsttherangeforselection;ifVMINisnegative,thesignedvalueofItemiscompared.SeetheLLISTcommandforadiscussionofsignedattributes.
VMAX----Maximumvalueofitemrange.VMAXdefaultstoVMIN.
VINC----Valueincrementwithinrange.Usedonlywithintegerranges(suchasforlinenumbers).Defaultsto1.VINCcannotbenegative.
KSWP-----Specifieswhetheronlylinesaretobeselected:
0 — Selectlinesonly.
1 — Selectlines,aswellaskeypoints,nodes,andelementsassociatedwithselectedlines.ValidonlywithType=S.
DefinesDOFconstraintsonlines
LINE---Lineatwhichconstraintsaretobespecified.IfALL,applytoallselectedlines[LSEL].
AREA---Areacontainingline
ANSYSDOFlabels
UX — DisplacementinXdirection.X位移
UY — DisplacementinYdirection.Y位移
UZ — DisplacementinZdirection.……
ROTX — RotationaboutXaxis.X旋转量
ROTY — RotationaboutYaxis.Y旋转
ROTZ — RotationaboutZaxis.
HDSP — Hydrostaticpressure.液体压力
WARP — Warpingmagnitude.弯曲度
TEMP,TBOT,TE2,TE3,...,TTOP — Temperature温度系数
VOLT — Electricscalarpotential.电位势
AX — MagneticvectorpotentialinXdirection.X方向磁矢势在
AY — MagneticvectorpotentialinYdirection.
AZ — MagneticvectorpotentialinZdirection.
CONC — Concentration.浓度
ALL — AppliesallappropriateDOFlabels除HDSP外的适合自由度
9、求解
点击UtilityMenu>Select>Entities,设定"Nodes"和"ByNum/Pick"打开"FromFull",
点击SeleAll,出现采集菜单,点击PickAll。
点击MainMenu>Preprocessor〉Modeling〉Operate>Scale>Areas,出现米集菜单,
点击PickAll,
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- 工程 电磁场 课程设计 基于 ANSYS 软件 有限元分析