ANSYS电磁场分析指南第九章3D静态、谐波和瞬态分析节点法
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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。
ANSYS电磁场分析报告指南设计
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ANSYS电磁场分析指南第九章3D静态、谐波和瞬态分析节点法
ANSYS电磁场分析指南第九章3D静态、谐波和瞬态分析节点法第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）9.1节点法（MPV）进⾏3D静态磁场分析3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径Main Menu>Preferences> Magnetic-Nodal，便于使⽤相应的单元和加载。
与2-D静态分析同样的⽅式定义物理环境，但要注意下⾯讨论的存在区别的地⽅。
9.1.1 选择单元类型和定义实常数对于节点法3 –D静磁分析，可选的单元为3D ⽮量位SOLID97单元，与2D单元不同。
⾃由度为：AX,AY,AZ。
3D⽮量位⽅程中，⽤INFIN111远场单元（AX、AY、AZ三个⾃由度）来为⽆限边界建模。
对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：速度效应可求解运动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应⽤和限制，在3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。
9.1.2 定义分析类型⽤与2D静态磁场分析相同的⽅式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径Main Menu>Solution>New Analysis、或者⽤命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义⼀个新的静态磁场分析；或者⽤ANTYPE,STATIC,REST 命令来重启动⼀个3-D分析。
如果使⽤了速度效应，不能在3D静态分析(ANTYPE,STATIC)中直接求解具有速度效应的静态直流激励场，⽽要⽤具有很低频率的时谐分析(ANTYPE,HARMIC)来完成。
9.1.3 选择⽅程求解器命令：EQSLVGUI：Main Menu>Solution>Analysis Options3D模型建议使⽤JCG或PCG法进⾏求解。
⽽对于载压模型、载流模型、或有速度效应的具有⾮对称矩阵的模型，只能使⽤波前法、JCG法、或ICCG法求解。
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ANSYSWorkbench基础教程与工程分析详解第九章电磁场分析
2．麦克斯韦第二方程
麦克斯韦第二方程也称为法拉第电磁感应定律：
ANSYS Workbench 基础教程与工程分析详解
JJ G JG JG G ∂D J 其积分形式为： v ∫ E ⋅ d I = −∫s ∂τ ⋅ d S JG JG ∂E 微分形式： ∇ × E = − ∂τ 该式说明：变化的磁场产生电场。即电场不仅由电H1−H2)=Js 或 H1t−H2t=Js n×(E1−E2)=0 H1t=H2t
法向分量的边界条件：
第 电磁场分析
9
章
n×(B1−B2)=0 B1n=B2n − n·(D1 D2)=ρs 或 D1n−H2n=ρs
在工程上求解电磁场问题，实际上就是在确定的边界条件下联合求解上述诸方程。由 微分形式的麦克斯韦方程式可知：时变电场是有旋有散的，时变磁场是有旋无散的。在时 变电磁场中电场与磁场是不可分割的。因此，时变电磁场是有旋有散场。但是在电荷及电 流均不存在的无源区中，时变电磁场是有旋无散的。电场线与磁场线相互交链，自行闭合， 351 从而在空间形成电磁波。此外，时变电场的方向与时变磁场的方向处处互相垂直。 JG JJ G JJ G J G ∂E ∂D ∂H ∂B = = = 0 。那么，上述麦克斯韦方程变 = 对于不随时间变化的静态场有： ∂t ∂t ∂t ∂t 为静电场方程与恒定磁场方程，此时电场与磁场不再相关，而是彼此独立。
350
3．麦克斯韦第三方程
麦克斯韦第三方程也称为电场的高斯定律。 JJ G JJ G 其积分形式为： v ∫ s D ⋅ dS = q JJ G 微分形式： ∇ × D = ρ 该式表明：穿过任何闭合曲面的电通量等于该闭合曲面所包围的静电荷，也表明了电 荷能产生磁场。
4．麦克斯韦第四方程
ANSYS详细全介绍
ANSYS详细全介绍开放、灵活的仿真软件，为产品设计的每一阶段提供解决方案通用仿真电磁分析流体力学行业化分析模型建造设计分析多目标优化客户化结构分析解决方案结构非线性强大分析模块Mechanical显式瞬态动力分析工具LS-DYNA新一代动力学分析系统AI NASTRAN电磁场分析解决方案流体动力学分析行业化分析工具设计人员快捷分析工具仿真模型建造系统多目标快速优化工具CAE客户化及协同分析环境开发平台ANSYS StructureANSYS Structure 是ANSYS产品家族中的结构分析模块，她秉承了ANSYS家族产品的整体优势，更专注于结构分析技术的深入开发。
除了提供常规结构分析功能外，强劲稳健的非线性、独具特色的梁单元、高效可靠的并行求解、充满现代气息的前后处理是她的四大特色。
ANSYS Structure产品功能非线性分析• 几何非线性• 材料非线性• 接触非线性• 单元非线性动力学分析•模态分析- 自然模态- 预应力模态- 阻尼复模态- 循环模态• 瞬态分析- 非线性全瞬态- 线性模态叠加法•响应谱分析- 单点谱- 模态- 谐相应- 单点谱- 多点谱•谐响应分析•随机振动叠层复合材料•非线性叠层壳单元•高阶叠层实体单元•特征- 初应力- 层间剪应力- 温度相关的材料属性- 应力梯度跟踪- 中面偏置•图形化- 图形化定义材料截面- 3D方式察看板壳结果- 逐层查看纤维排布- 逐层查看分析结果•Tsai-Wu失效准则求解器•迭代求解器- 预条件共轭梯度(PCG)- 雅可比共轭梯度(JCG)- 非完全共轭梯度(ICCG)自然模态• 直接求解器- 稀疏矩阵- 波前求解器•特征值- 分块Lanczos法- 子空间法- 凝聚法- QR阻尼法(阻尼特征值)•分布式并行求解器-DDS-自动将大型问题拆分为多个子域，分发给分布式结构并行机群不同的CPU（或节点）求解- 支持不限CPU数量的共享式并行机或机群- 求解效率与CPU个数呈线性提高• 代数多重网格求解器-AMG- 支持多达8个CPU的共享式并行机- CPU每增加一倍，求解速度提高80％- 对病态矩阵的处理性能优越, ,屈曲分析• 线性屈曲分析• 非线性屈曲分析• 热循环对称屈曲分析断裂力学分析• 应力强度因子计算• J积分计算• 裂纹尖端能量释放率计算大题化小•单元技术•子结构分析技术•子模型分析技术设计优化•优化算法- 一阶法•多种辅助工具- 随机搜索法- 等步长搜索法- 乘子计算法- 最优梯度法- 设计灵敏度分析•拓扑优化二次开发特征• ANSYS参数化设计语言(APDL) • 用户可编程特性（UPF）• 用户界面设计语言(UIDL) • 专用界面开发工具（TCL/TK）• 外部命令概率设计系统(PDS)•十种概率输入参数•参数的相关性•两种概率计算方法- 蒙特卡罗法*直接抽样* Latin Hypercube抽样- 响应面法*中心合成*Box-Behnken设计•支持分布式并行计算•可视化概率设计结果- 输出响应参数的离散程度*Statistics* LHistogram* Sample Diagram- 输出参数的失效概率* Cumulative Function* Probabilities- 离散性灵敏度*Sensitivities* Scatter Diagram* Response Surface前后处理(AWE)• 双向参数互动的CAD接口• 智能网格生成器• 各种结果的数据处理• 各种结果的图形及动画显示• 全自动生成计算报告支持的硬软件平台• Compaq Tru64 UNIX • Hewlett-Packard HP-UX • IBM RS/6000 AIX• Silicon Graphics IRIX• Sun Solaris• Windows: 2000,NT,XP• LinuxANSYS MultiphysicsTM MultiphysicsANSYS MultiphysicsTM集结构、热、计算流体动力学、高/低频电磁仿真于一体，在统一的环境下实现多物理场及多物理场耦合的仿真分析；精确、可靠的仿真功能可用于航空航天、汽车、电子电气、国防军工、铁路、造船、石油化工、能源电力、核工业、土木工程、冶金与成形、生物医学等各个领域，功能强大的各类求解器可求解从冷却系统到发电系统、从生物力学到MEMS等各类工程结构。
ANSYS磁力轴承三维电磁场分析教程
外圈空气场
转子内空气场
体迭代
压缩体积编号
赋材料类型，划分网格
7.加边界条件和载荷
Utility menu>select>comp/assembly>create component
创建局部坐标系 utility menu-workplane-local coordinate System-create local cs-at specified loc
移动工作平面
utility menu-workplane-Align wp with-specified coord Sys
建立线圈
显示线圈Utility menu-plotctrls-styቤተ መጻሕፍቲ ባይዱe-size and shape
Utility menu-plot-element
/SOLU D,2,MAG,0 !SOLVE ALLSEL,ALL MAGSOLV,3,,,,,1 FINISH
ANSYS电磁场分析教程
方思源
静态磁场分析分以下五个步骤： 1.创建物理环境 2.建立模型，划分网格，对模型的 不同区域赋予特性 3.加边界条件和载荷（激磁） 4.求解 5.后处理（查看计算结果）
1.过滤图形界面
2.定义工作标题
3.定义单元类型和选项
4.定义材料属性
TB,BH,1,,15 ! 定子上硅钢片的的B-H曲线 TBPT,,40 ,0.5 TBPT,,48,0.6 TB,BH,2,,13 !指定轴上工业纯铁的B-H曲线 TBPT,,56,0.7 TBPT,,200,0.4 TBPT,,67,0.8 TBPT,,220,0.5 TBPT,,80,0.9 TBPT,,260,0.6 TBPT,,100,1 TBPT,,290,0.7 TBPT,,125,1.1 TBPT,,300,0.8 TBPT,,172,1.2 TBPT,,400,1 MP,MURX,3,1 !指定气隙的材料类型 TBPT,,250,1.3 TBPT,,500,1.2 MP,MURX,4,1 !指定空气的材料类型 TBPT,,460,1.4 TBPT,,700,1.3 TBPT,,1020,1.5 TBPT,,800,1.4 TBPT,,3400,1.6 TBPT,,1190,1.5 TBPT,,6400,1.7 TBPT,,1680,1.6 TBPT,,8400,1.74 TBPT,,2800,1.7 TBPT,,10000,1.79 TBPT,,6000,1.8
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第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）9.1节点法（MPV）进行3D静态磁场分析3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径Main Menu>Preferences> Magnetic-Nodal，便于使用相应的单元和加载。
与2-D静态分析同样的方式定义物理环境，但要注意下面讨论的存在区别的地方。
9.1.1 选择单元类型和定义实常数对于节点法3 –D静磁分析，可选的单元为3D 矢量位SOLID97单元，与2D单元不同。
自由度为：AX,AY,AZ。
3D矢量位方程中，用INFIN111远场单元（AX、AY、AZ三个自由度）来为无限边界建模。
对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：速度效应可求解运动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应用和限制，在3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。
9.1.2 定义分析类型用与2D静态磁场分析相同的方式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径Main Menu>Solution>New Analysis、或者用命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义一个新的静态磁场分析；或者用ANTYPE,STATIC,REST 命令来重启动一个3-D分析。
如果使用了速度效应，不能在3D静态分析(ANTYPE,STATIC)中直接求解具有速度效应的静态直流激励场，而要用具有很低频率的时谐分析(ANTYPE,HARMIC)来完成。
9.1.3 选择方程求解器命令：EQSLVGUI：Main Menu>Solution>Analysis Options3D模型建议使用JCG或PCG法进行求解。
而对于载压模型、载流模型、或有速度效应的具有非对称矩阵的模型，只能使用波前法、JCG法、或ICCG法求解。
电路激励模型只能用稀疏矩阵法或波前法求解器。
9.1.4 加载和求解进入求解器：命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution3-D 静态MVP分析的载荷与2-D静态分析稍有些不同，但其菜单路径是一样的。
下面是关于3-D静态磁场分析的一些加载：该载荷用以定义磁力线垂直、磁力线平行、远场、周期边界条件、以及强加外磁场等载荷和边界条件，下表描述了各种边界条件相应的磁矢量势值：如果用INFIN111号单元表示模型无限远边界，则不用定义远场为0的边界条件。
用CE或CP命令或者相应的等效路径施加周期性或者循环对称条件。
对于外加磁场，定义不为0的各个分量AX，AY，AZ。
给单元组件加Maxwell表面和虚位移标志可参见第二章中的说明。
电压降（VLTG）用这些载荷定义绞线圈电压降。
在MKS单位制中，VLTG单位是伏特，电压降载荷只对使用了AX，AY，AZ，CURR自由度的SOLID97单元有效。
要得到正确的解，必须藕合导体所有节点的CURR自由度。
，Y，Z））电流段加节点电流载荷，在MKS制中，电流段单位为安培-米。
见第二章中的说明。
加电流到源导体，在MKS制中，电流密度JS单位为安/米2。
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度的，这一点必须得到保证，如果有误，则SOLID97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，自然满足无散度条件，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，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。
见第二章中的说明。
用工具条中的SAVE_DB按钮来备份数据库，如果计算机出错，可以方便的恢复需要的模型数据。
恢复模型时，用下面的命令：命令：RESUMEGUI:Utility Menu>File>Resume Jobname.db对非线性分析，求解分为二步：1.将载荷以斜坡加载的方式加到3到5个子步上去，每个子步用一次平衡迭代；2.在一个子步中求得最终解，这个子步需10次平衡迭代。
通过下面的命令完成：命令：MAGSOLV（将OPT域设为零）GUI：Main Menu>Solution>-Solve-Electromagnet>-Static Analysis-Opt &Solv离开求解器：命令：FINISHGUI:Main Menu>Finish9.1.8 计算电感矩阵和磁链使用LMATRIX宏命令可以计算线圈系统的微分电感矩阵和每个线圈的总磁链:命令：LMATRIXGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Electromagnet>-Static Analysis-InductMatrix计算电感矩阵需要几个步骤，首先将线圈单元定义为部件，定义名义电流，然后在工作点执行一次名义求解，第11章有详细介绍。
9.2 后处理ANSYS和ANSYS/Emag程序将3D静态磁场分析的数据结果写入到Jobname.RMG文件中，结果数据包括：主数据：节点自由度（AX,AY,AZ,CURR）导出数据：·节点磁通量密度（BX,BY,BZ,BSUM）·节点磁场强度（HX,HY,HZ,HSUM）·节点磁力（FMAG: X,Y分量和SUM）·节点感生电流段（CSGX,CSGY,CSGZ）·单元源电流密度（JSX,JSY,JSZ）·单位体积生成的焦耳热（JHEAT）·等等。
进入通用后处理器/POST1，进行下列后处理操作：命令：/POST1GUI: Main Menu>General Postproc9.2.1 从结果文件中读入数据3-D矢量分析得不到通量线(磁力线)，但可利用磁通密度矢量显示来观察通量路径。
详见第二章。
在《ANSYS基本过程指南》的第5章和第12章中还详细介绍了怎样以图形的方式显示带电粒子在磁场中的轨迹对于载压和载流线圈，可以计算线圈电阻和电感。
每个单元都存储有电阻和电感值，对这些值求和就得到导体模型区的总电阻和总电感。
这通过单元表来实现，先选择导体单元，再用ETABLE, tablename, NMISC, n命令或它的等效菜单路径（n=16为电阻，17为电感），最后用SSUM命令或它的等效菜单路径对这些数据进行求和。
对于载压线圈（SOLID97的KEYOPT(1)=2）或电路耦合线圈（SOLID97的KEYOPT(1)=3）所计算的电感值仅在下列情况有效：·线性问题（导磁率为常数）；·模型没有永磁体；·模型只有一个线圈。
由多线圈组成的系统采用LMATRIX宏来计算微分电感矩阵和每个线圈的总磁链。
LMATRIX 宏的详情参见11章。
可以从后处理数据中计算许多其它感兴趣的项（例如总力、力矩、源输入能、电感、磁链和端电压）。
ANSYS为这些计算提供了如下宏命令：·EMAGERR宏：计算静电场或电磁场分析中的相对误差。
·FLUXV宏：计算通过一条封闭曲线的通量。
·FMAGSUM宏：对单元组件上电磁力求和。
·MMF宏：计算沿一条路径的磁动势。
·SENERGY宏：确定存储的磁能或共能。
这些宏更详细讨论见第十一章“磁宏”9.3 节点法（MPV）3D谐波磁场分析像ANSYS分析的其他类型一样，谐波磁分析要定义物理环境、建模、加载和求解、然后观察结果。
3 -D谐波磁分析的大部分过程都与2 -D谐波分析过程类似。
9.4建立3 -D谐波磁分析的物理环境除了以下将要描述的内容外，节点法3-D谐波分析的过程与第二章内所描述的过程类似。
节点法3 -D谐波分析使用SOLID62、SOLID97和CIRCU124单元。
在ANSYS基本分析过程指南和ANSYS建模和分网指南中对模型的建立有详细的介绍。
当你定义材料性质时，通常使用在第2章中所讨论的相同方法，即使用ANSYS材料库中现存的材料性质或ANSYS用户自定义的材料性质。
当进行一个节点法3-D谐波分析时，ANSYS程序提供一些选项来控制导体上终端条件。
这些选项包括在导体区增加不同的自由度（DOFs）。
在节点法3-D分析中，对于导体和终端，存在二种自由度选项：AX，AY，AZ，VOLT选项具有AX、AY、AZ、VOLT自由度设置的导体能模拟短路和开路二种情况。
VOLT自由度表示时间积分电势。
使用这种自由度设置，建立合适的感应（涡流）电流方向，电流将平行于未定义的导体边界和垂直于等电势边界流动。
可按下述方式建立短路条件：·在导体对称平面定义VOLT=0，这表示没有网路电位。
·对不接入电路的3-D结构，在一个节点处设置VOLT=0。
·赋予合理的磁通量平行或垂直边界条件。
可按下述方式建立开路条件：·对于对称结构，在一个平面设置VOLT=0，在另一个平面耦合所有节点。
·对于一般3-D结构，在一个节点设置VOLT=0。
·赋给合理的磁通量平行或垂直边界条件。
要模拟一个载流块状导体，可“切割”该导体，并在一个切割面设置VOLT=0，然后在另一面耦合VOLT自由度，且在一个节点输入励磁电流：命令：F，，AMPSGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>Electric-Excitation>-Impressed Curr-AX，AY，AZ，CURR选项AX，AY，AZ，CURR选项类似于2-D的 AZ+CURR选项。
在3-D分析中用它模拟一个电压供电绕线导体，CURR自由度表示线圈绕组每匝电流。
只有SOLID97单元可以模拟载压绕线圈，这种单元必须定义实常数来表征绕线导体。
大部分实常数的描述可参见第2章“2-D静磁分析”和第5章“3-D静磁分析（标量法）”。
在3-D分析中，还可定义下列线圈常数：·CARE（线圈截面积，它表示绕线圈的真实物理截面积）·TURN（线圈总匝数，它表示绕线圈绕组的总匝数）·VOLU（模型导体体积（并非真实体积，只是建立了分析模型的那部分体积））·DIRX，DIRY，DIRZ（表示电流流向的单位矢量）·CSYM（对称系数，它乘以VOLU就可得到实际的线圈体积）这些实常数的描述可参见图2：（1/8线圈模型）注意：线圈截面部分不能改变，通过用ESYS命令（Main Menu>Preprocessor> - Modeling -Create>Elements>Elem Attributes）定义单元坐标系的方式来简化电流方向的定义。