电磁仿真算法中的有限元法
1电磁仿真算法中的有限元法
1.1常规的电磁计算方法简介
从上世纪50年代以来,伴随着计算机技术的进步,电磁仿真算法也蓬勃发展起来,这其中主要包括:单矩法、矩量法和有限元法等属于频域技术的算法; 传输线矩阵法、时域积分方程法以及时域有限差分法等属于时域技术的算法。除了这些以外, 还有属于高频技术的集合衍射理论等。本文根据国内外计算电磁学的发展状况,对日常生活中比较常用的电磁计算方法做了介绍,并对有限元法做了重点说明。
⑴矩量法
矩量法属于电磁场的数值计算方法中频域技术的一种, 它的基本原理是利用把待解的微积分方程转化成的算子方程, 然后将由一组线性组合表示的待求函数代入第一步中的算子方程, 然后将算子方程转化成矩阵方程, 最后再通过计算机进行大量的数值计算从而得到数值结果。该方法在求解非均勻和不规则形状对象时,面很广,但会生成病态矩阵,所以会在一定程度上受到限制。矩量法的特点就是适用于求解微积分方程, 并且求解方法统一简单。但缺点就是会占用大量计算机内存,影响计算速度。
(2)单矩法
单矩法是一种解析方法和数值方法相结合的混合数值算法法,该方法的关键在于,如何合理的选择一个球面最小的半径,使得能够将分析对象的结构全部包含在内,以便将内外场进行隔离。外边的散射场单独使用其他函数表示,而包围的内部区域使用有限元法亥姆赫兹(Helmholtz)方程。此方法对于计算复杂形体乃至复杂埋入体内的电磁散射是种极为有效的手段。
(3)时域有限差分法
时域有限差分法(FDTD）近几年来越来越受到各方的重视, 因为一方面它处理庞大的电磁福射系统方面和复杂结构的散射体时很突出,另外一方面则在于它不是传统的频域算法, 它是种时域算法, 直接依靠时间变量求解麦克斯韦方程组,可以在有限的时间和体积内对场进行数据抽样, 这样同时也能够保证介质边界
条件自动满足。吋域有限差分法可以看作是在时域内对空间电磁波传播过程的数字拟合,它是法拉第电磁感应定律的很好体现。在时域有限盖分法中,还应该注意色散的问题。因为色散会致严重的后果,比如绕射、波形畸变以及各向异性等。造成色散是因为在时域有限差分法剖分的网格中,模拟的波的波速会随着传播方向、波长等发生变化。与此同时,为了保证时域有限差分算法的精确性,对不同剖分的网格以及介质边界产生的色散,也要做定量的分析研究。对计算自由空间的电磁问题,由于计算机只能模拟有限的空间,所以网格不可能无限大,这就要求网格在引起明显的色散的情况下进行截断,就能使得在剖分区域内的传播就像在自由空间一样。
(4)传输线矩阵法
传输线矩阵法( Transmission-Line Matrix, TLM )利用的是电磁场传播与电压和电流在空间传输线中传播的类似性, 基于惠更斯波动原理, 通过将连续波的离散化,分析出不同子波在不同传输线中的传输特性。然而从电磁场问题求解的角度讲, TLM仍然是求解满足一定边界条件的麦克斯韦方程组, 不过该方法利用的是时间和空间的离散, 应用相互平行且连接的传输线来模拟所要求解的导波结构。通过研究脉冲(单或者连续)在网格中的传播获得波导结构的时域响应, 并对时域响应进行傅里叶变换, 从而可以在很宽的频率范围内得到波结构的频率特性。另外,根据等效原理,传输线上的电流可以看作磁场作用的结果,电伍可以看作电场作用的结果,因此,同时可以得到波结构内场区的特性。
传输线矩阵法的这些特点，可以克服一般频域分析方法所难以克服的困难: ①不能处理具有事变特性的结构和介质的场问题；②由于频域分析方法基于叠加原理,所以较难处理非线性问题；③由于一般来说，频域分析方法都需要进行空间的傅里叶变换,所以很难处理拥有复杂结构、不规则的结构和边界的场问题。
除此之外,传输线矩阵法还具有以下一些优点: ①该方法并不需要对对复杂的代数方程组进行求解，从而节约了运算时间和资源; ②它可以通过改变激励脉冲的形状和位置, 同时获得到波结构的主模和高次模的传输线以及场分布; ③它可以将有源器件中信号的传播与作用过程重现，有很大的现实意义; ④该方法的理论依据充分,易于编写代码实现且容易移植,处理不同的对象,仅仅改动相
应的文件信息如介质电磁参数等,计算起来很方便。
(5)高频近似法
高频近似法的应用范围有一定的局限性。大尺寸的物体,如果其电磁特性参数随着其他一些参数变化的范围较小,即这种情况下电磁场的传播具有区域性,这种情况下可以釆用高频近似法。
1.2有限元法
有限元法是上世纪50年代开始在工程上投入应用的,当时还仅仅用于分析飞机的应力,而现在在工程领域已成为标志性的数值算法。1965年有限元法才被引入到电磁领域。从这以后,关于电磁场方面的有限元法的讨论层出不穷,其中具有代表性的研究有80年代电磁材料特性的实验研究、电磁规范的新研究等,直到90年代,技术上的突破,使得有限元法又迈上了新的台阶。近些年,自适应网格剖分技术和加密技术的发展,为有限元法的发展提供了很好的平台。自适应网格剖分技术根据对待求场量函数的求解结果进行网格剖分的调整,使其剖分的更细更密,然后在一些网格剖分比较密的区域,采用高阶的插值函数,使得测量精度更一步提高。
同时,有限元法与相关学科的紧密结合,也有了新的进展,比如三维场的建模求解、耦合问题等。
有限元法自身的特点：
(1)网格剖分的疏密以及形状具有机动性。即同一剖分区域,根据场变化的情况,一些地方剖分的较密,其他地方较疏,这样可以根据需要相应的减小计算量，提高效率。网格形状的优劣,也会对结果造成影响,因此,常常还需耍对网格进行调整优化等。
(2)用有限元法最终把分析对象转化成代数方程组后,其高阶系数組阵具有对称等特征,可以采用特殊的处理方法,如对非零元素的变带宽压缩存储等,最终生成的总系数矩阵将是系稀疏矩阵。这样就会给计算机内存和运算带来便利，提高效率。
(3)由于第二、三类边界条件是自动满足的,所以无需特殊处理,仅需要对第一类边界条件做特殊处理。
⑷有限元法的各个步骤不是紧密相连,环环相扣的,容易用代码进行移植。目前应
用较广泛的软件有ANSYS 、ANSOFT 等,而本文将釆用ANSYS 作为仿真工具,进行建模仿真。
1.2.1 有限元法的基本原理
有限元法,按照获取方程组途径的不同,分为两种:迎辽金有限元法和变分有限元法。前者就是我们常说的有限元法,它的指导思想分为三个层次:第一就是问题的转化, 即把边值问题的求解转化成泛函问题; 其次是方程组的转化,就是将麦克斯韦方程组转化为最终的代数方程组; 最后就是场量的转化, 把连续的场量离散化。因此,当求解电磁问题用到有限元法时,就要注意三个层次的把握,当只要做好了这三个层次的工作,才是正确有效快速解决问题的可靠途径。
1.2.2 电磁场边值问题以及与之对应的泛函
对于电磁场边值问题，根据给定的边界条件, 拉普拉斯方程或泊松方程即有唯一解。一般来说，边界条件有以下三种:
第一类边界条件:所求的位函数在区域边界的值为已知函数。
()x f =? （4.1） 第二类边界条件:所求的位函数在边界区域上的法向方向导数为已知函数。 ()x f n
=??? （4.2） 第三类边界条件:位函数及法向导数的线性组合已知。
()()x f n
x f 21=??+?? （4.3） 所对应的泛函求解极值方程分别为:
()min ||212??=-?=v
v dV dV F ρ??ε? （4.4）
（4.5）
这三种边界条件中第一、二类边值问题对应的的泛函方程为公式（4.4）,第三类边值问题对应的泛函方程为公式（4.5）。利用泛函求解极值的过程中, 第一类边界条件并不能自动满足,必须由人来手动解决, 称为强加边界条件, 而与之对应
的称为条件变分问题。第二、三类条件则可以自动满足, 就又称为自然边界条件, 与之对应的则称为无条件变分问题。
1.2.3 有限元方程的求解
建立相应的泛函后,接下來要做的工作就是区域的剖分离散。
P W =? （4.6) ()x f x =1|? (4.7)
上式(4.6)和(4.7)就是经过泛函离散后获得的有限元方程组。直接法、迭代法以及优化算法都是目前求解的主要方法。
(1)直接法是最简单的方法,理论上有限次数的计算,便可得到问题的解,但考虑到计算机内存和字长的因素,结果不会很精确。与此同时,计算结果的准确度会明显降低随着有限元方程系数矩阵阶数的增加。因此,该方法适用于系数矩阵阶数较低时。
(2)迭代法，中心思想其实就是一种极限的思想, 就是使得方程近似于线性方程组,然后利用求解线性方程组的方法从而求得精确解。通过编写代码的方法可以实现迭代法,但与方法(1)存在类似的问题,当出现很多次迭代时,受计算机内存的影响,计算速度会很慢,相应时间变得很长。
(3)优化算法的第一步是设定初始值,然后在分析对象的求解范围内确定一个使得对象函数值不断减小的方向和步长,然后不断继续下去,直到满足预先设定的收敛误差为止。
1.2.4 有限元网格的划分
用有限元法进行分析的首要任务就是对分析对象进行逻辑分析,用数学语言进行描述,将需要描述的区域进行离散,剖分。网格形状划分的优劣,会对计算结果造成不同程度的影响。对求解区域进行快速有效的剖分这一问题,曾经是有限元法发展的一个关键。但随着科学技术的进步,在该方法的演进上,涌现出了很多分支方法,自适应网格剖分就是其中的代表。
进行求解剖分时,需要遵循以下规范:
(1)几何规范: 在形状多变的几何区域,需要对其进行较密的剖分。另外,对于边界
区域,结点的设置应使得能够还原几何形状。网格形状尽量正常,避免奇形怪状的区域出现。
(2)技术规范: 在需要细致分析的部分，需要更细化的网格划分。
(3)物理规范: 区域剖分密度在场量变化较大的地方,应该适当高些。当得到了初始的网格后,一般来说，还需要对其进行加密细分，以期更适用于仿真情况。另外,网格形状的优劣,也会对计算结果造成影响,因此,常常还需要对生成的网格进行调整优化等。
1.2.5有限元法的建模
利用有限元法的建模过程包括下面几个程序:
（1将整体区域进行离散化。这是重要的一步,因为区域离散质量的优劣,直接关系到计算数值结果的精确度和计算所需时间。
（2选择合适的插值函数。插值是离散函数逼近的途径,在离散区域内,通过结点值进行。
（3方程组的建立。首先利用变分的思想方法对麦克斯韦方程组进行考虑,以建立合适的误差泛函,其次,将子域内小的线性表达式写入全域矩阵,最后利用边界条件得到最终形式的方程。
（4方程组的求解。最终的方程组是两种形式:确定型和本征值型。其中,确定型方程组的解与福射杂散等确定性问题相关; 而本征值方程组与诸如波导中的波传输和腔体中的谐振等无源问题有关。
有限元分析理论基础
有限元分析概念 有限元法：把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元（子域）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解，由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件 有限元模型：它是真实系统理想化的数学抽象。由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。 有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 线弹性有限元是以理想弹性体为研究对象的，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律；应力与应变也是线性关系，线弹性问题可归结为求解线性方程问题，所以只需要较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法，也有助于降低有限元分析的时间。 线弹性有限元一般包括线弹性静力学分析与线弹性动力学分析两方面。 非线性问题与线弹性问题的区别： 1）非线性问题的方程是非线性的，一般需要迭代求解； 2）非线性问题不能采用叠加原理； 3）非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。 有限元求解非线性问题可分为以下三类：
1）材料非线性问题 材料的应力和应变是非线性的，但应力与应变却很微小，此时应变与位移呈线性关系，这类问题属于材料的非线性问题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的本构关系，所以，一般材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据，有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟，尽管这些模型总有他们的局限性。在工程实际中较为重要的材料非线性问题有：非线性弹性（包括分段线弹性）、弹塑性、粘塑性及蠕变等。 2）几何非线性问题 几何非线性问题是由于位移之间存在非线性关系引起的。 当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系。研究这类问题一般都是假定材料的应力和应变呈线性关系。它包括大位移大应变及大位移小应变问题。如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。 3）非线性边界问题 在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边界属于高度非线性边界。 平时遇到的一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。 实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性问题。
电磁场有限元分析
水轮发电机单通风沟三维简化模型温升计算 一、问题分析 近年来，随着水轮发电机单机容量的不断增加，在发电机进行能量转换过程中产生的损耗不断增大，使其运行的温升问题日趋严峻。根据上述情况，运用有限元分析方法，建立发电机单通风沟三维简化模型进行发电机温升计算。 二、电机单通风沟有限元分析 1.1 水轮发电机单通风沟三维简化模型建立 根据实际水轮发电机结构和通风沟特点，并考虑可接受误差，进行适当简化，以便于简化有限元分析计算得到以下模型，如图1所示。 图1 发电机单通风沟简化物理模型 由图1所示：水轮发电机单风沟简化物理模型三维求解域在轴向上包含发电机一个通风沟以及通风沟两侧各半个轴向铁心段；幅向上包含发电机定子三个槽、转子两个槽。 根据有限元分析特点，对发电机单通风沟简化物理模型进行网格剖分，得到发电机单通风沟简化物理模型剖分图如图2所示。
图2 电机单通风沟简化物理模型网格剖分 由于物理模型较小，可以适当加密剖分进而提高计算精度，故采用楔形和六面体的混合网格进行剖分，总网格数共48万，节点数为30万。利用有限体积法，将流体场和温度场进行强耦合求解，从而 得到发电机的详细温升分布情况。 1.2 边界条件 在图1中，求解域内的面 S为径向通风沟的进风口，沿径向与面 1 S对应的面2S为径向通风沟的出风口。由此，根据所研究发电机的实1 际运行工况，可以给定如下发电机单风沟物理模型的边界条件：1）冷却空气的初始基值绝对温度为0K； 2）径向通风沟入口 S风速为5.1m/s的速度入口边界，通风沟出 1 口 S为自由流动边界； 2 3）求解域其它外边界均为绝热面，发电机内部流体与固体的接 触面均为无滑移边界面。
基于有限元的电磁场仿真与数值计算
鼠笼异步电动机磁场的有限元分析 摘要 鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。 鼠笼异步电动机可靠性高，但由于种种原因，其故障仍时有发生。由于电动机结构设计不合理，制造时存在缺陷，是造成故障的原因之一。对电机内部的电磁场进行正确的磁路分析，是电机设计不可或缺的步骤。利用有限元法对电机内部磁场进行数值分析，可以保证磁路分析的准确性。本文利用Ansys Maxwell软件，建立了鼠笼式异步电机的物理模型，并结合数学模型和边界条件，完成了对鼠笼式异步电动机的磁场仿真，得到了物理模型剖分图，磁力线和磁通分布图，为电机的进一步设计研究提供了依据。 关键词：Ansys Maxwell；鼠笼式异步电机；有限元分析
一、前言 当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。 在对应用于交流传动的异步电机进行电磁场的分析计算时，传统的计算方法因建立在磁场简化和实验修正的经验参数的基础之上，其计算精度就往往不能满足要求。如果从电磁场的理论着手，研究场的分布，再根据课题的要求进行计算，就有可能得到满意的结果。电机电磁场的计算方法大致可以分为解析法、图解法、模拟法和数值计算法。数值解法是将所求电磁场的区域剖分成有限多的网格或单元，通过数学上的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组。由于电子计算机的应用日益普遍，所以电机电磁场的数值解法得到了很大发展，它的适用范围超过了所有其它的解法，并能达到足够的精度。对于电机电磁场问题，常用的数值解法有差分法和有限元法两种。用有限元法时单元的剖分灵活性大，适用性强，解的精度高。因此我们采用有限元法对电机电磁场进行数值计算。 Maxwell2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。在这里，我们利用Ansys的Maxwell2D 有限元分析工具对一个三相四极电机进行有限元分析，构建鼠笼式异步电机电动机的物理模型，并结合电机的数学模型、边界条件进行磁场分析。
有限元分析的基本步骤
一个典型的ANSYS分析过程可分为以下6个步骤： 1定义参数 2创建几何模型 3划分网格 4加载数据 5求解 6结果分析 1定义参数 1.1指定工程名和分析标题 启动ANSYS软件，选择File→Change Jobname命令 选择File→Change Title菜单命令 1.2定义单位 (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preference→Material Props →Material Models →Structural →OK (3) 定义分析类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Loads →Analysis Type →New Analysis→STATIC →OK 1.3定义单元类型 选择Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令 单击[Options]按钮，在[Element behavior]下拉列表中选择[Plane strs w/thk]选项，单击确定 1.4定义单元常数 在ANSYS程序主界面中选择Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete命令 单击[Add]按钮，进行下一个[Choose Element Type]对话框 1.5定义材料参数 在ANSYS程序主界面，选择Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models命令 (1)选择对话框右侧Structural→Linear→Elastic→Isotropic命令，并单击[Isotropic]选项，接着弹出如下所示[Linear Isotropic Properties for Material Number 1]对话框。 在[EX]文本框中输入弹性模量“200000”，在[PRXY]文本框中输入泊松比“0.3”，单击OK 2创建几何模型 在ANSYS程序主界面，选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Creat→Areas→Rectangle →By 2Corners命令 选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Creat→Areas→Circle→Solid Circle命令 3网格划分(之前一定要进行材料的定义和分配) 选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Subtract→Arears Circle命令 选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→Free命令，弹出实体选择对话框，单击[Pick All]按钮，得到如下所示网格 4加载数据 (1)选择Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Lines命令， 出现如下所示对话框，选择约束[ALL DOF]选项，并设置[Displacement value]为0，单击OK。
国内外主要有限元分析软件比较
有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。 常见软件 有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。 软件对比 ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。 结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS 流体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS 耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS 性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC ABAQUS软件与ANSYS软件的对比分析 1．在世界范围内的知名度 两种软件同为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有各自广泛的用户群。ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。 由于ANSYS产品进入中国市场早于ABAQUS，并且在五年前ANSYS的界面是当时最好的界面之一，所以在中国，ANSYS软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。但随着ABAQUS北
有限元分析方法在工程中的应用
有限元分析方法在工程中的应用 Application of finite element analysis method in Engineering 一、引言 从20世纪50年代诞生到现在，有限元方法和技术经历了60年的发展历程，已经成为当今科学与工程领域中分析和求解微分方程的系统化数值计算方法。由于有限元分析方法适用性强、形式简单、理论可靠等众多优点，近年来已被推广应用到航空航天、土木建筑、机械等相关科学领域。本文以ANSYS软件为例，介绍其功能和应用，包括几何建模技术、网格划分与有限元建模技术、施加载荷与求解过程、结果后处理技术等。图1是用有限元方法分析工程问题时的具体步骤[1]。 本文以车轮钢的疲劳性能研究为例，介绍有限元分析方法在其中的应用。 图1. 有限元方法进行计算机辅助工程分析的步骤 二、ANSYS操作步骤 ANSYS的基本操作步骤包括建模、划分网格、加载求解和后处理等步骤。进入ANSYS系统后有六个系统，提供使用者和软件之间的交流凭借这六个窗口可以实现输入命令、检查模型的建立、观察分析结果及图形输出与打印。ANSYS
各窗口及工具条如图2所示。 图2. ANSYS的窗口及工具条 1、建立模型 首先必须指定作业名和分析标题，接着使用PREP7前处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性，然后建立几何模型。需要注意的是，ANSYS的GUI界面下没有类似WORD中的后退操作按钮，所以就出现了一个常见问题：做错一步操作如何后退？这里可以采用三种方法：（1）建模阶段可以使用Delete(删除)图元命令，划分网格阶段可以使用Clear（清除）单元命令。（2）每完成一个模块的操作，都用SA VE AS保存数据到不同名的数据库文件中，出错后点击Resum Form恢复。（3）使用命令：UNDO，ON以便激活ANSYS内部的返回命令。 本文以车轮钢为例，建立好的模型与图2类似，只是未划分网格。 2、单元网格划分 一个实体模型进行网格划分（meshing）之前必须指定所产生的单元属性（element attribute）。ANSYS有限元网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。ANSYS软件平台提供了映射网格划分和自由网格划分的策略。映射网格划分用于曲线、曲面、实体的网格划分方法，自由网格划分方法用于空间自由曲面和复杂实体。
有限元法与有限差分法的主要区别资料
有限元法与有限差分法的主要区别 有限差分方法(FDM)是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以Taylor级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。对于有限差分格式，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式。考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。目前常见的差分格式，主要是上述几种形式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。差分方法主要适用于有结构网格，网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。构造差分的方法有多种形式，目前主要采用的是泰勒级数展开方法。其基本的差分表达式主要有三种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组合成不同的差分计算格式。有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。在河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数，伽辽金(Galerkin)法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取N个配置点。令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值，称为拉格朗日(Lagrange)多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特(Hermite)多项式插值。单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作面积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有La grange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为(1)建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。(2)区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。(3)确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定