电磁场数值计算

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

2.2 有限元软件
前处理程序 (几何建模、 赋材料属性、 网格剖分) 单元计算程序 (包括单元刚度 矩阵的计算和 总体刚度矩阵 的组装) 代数方程组求 解程序 (得到各个离 散单元内的未 知量值) 后处理程序 (通过插值得到区域每 点的值,将结果数据 可视化以及进一步处 理)
ANSYS软件是使用最广泛的大型通用有限 元分析软件,可应用于:结构分析、电磁分析、 热分析、流体动力学分析等,还包含一些行业 化定制模块等等,功能非常强大。其电磁场分 析包括几个模块:低频、高频、电大尺寸高频 (MOM)、电缆束EMC和SI、PCB的EMC和SI等。 除了ANSYS以外,还有许多通用或电磁分 析专业软件,例如:ANSOFT公司的Maxwell 2D&3D、HFSS、飞箭公司的FEPG、COMSOL 公司的FEMLAB等等,它们各有特点。
FEM的基本思想是分片插值,即: ——将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方 式相互联结在一起的单元的组合体; ——利用每个单元内假设的近似函数来分片表示全求解 域上待求的未知场函数; ——单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单 元的各个节点的数值及其插值函数来表达; 这样未知函数从一个连续的无限自由度问题变成 离散的有限自由度问题。随着单元数目的增加,单元 尺寸的缩小,或单元自由度的增加及插值函数阶数的 提高,近似解将收敛于精确解。
• 现代FEM第一个成功的尝试,是将刚架位移法推广应 用于弹性力学平面问题,这是Turner,Clough等人在分 析飞机结构时于1956年得到的成果。 • 1960年Clough首次提出了“有限元法”的名称; • 60年代,科学家证明了FEM是基于变分原理的Ritz法的 另一种形式;并进一步利用加权余量法来确定单元特 性和建立有限元方程,主要利用的是Galerkin法; • 直到1968年,FEM才开始应用于电磁问题。
1.3工程应用 工程应用 电磁场数值计算在多个工程领域中都得到应用,例如: ——电力系统:高压(高压输电线、绝缘子)、电机、变压器、 电缆等; ——电子与微波:高速PCB、波导、谐振腔、辐射、天线等; ——相关领域:感应加热、无损检测、电磁成形、电磁生物 效应等;
2.How?
2.1有限元法 有限元法(Finite Element Method) 有限元法
3.Applications
3.1 应用实例1——准静电场
∇ 2ϕ = 0
架空线路分裂导线表面电场
3.2 应用实例2——静磁场
∇2 A = µ J
漏磁检测
3.3 应用实例3——趋肤效应
& − jωσ A + jω σ & ∇ ⋅ ∇Az z a µ 1 & & dS + I = 0 ∫S Az a
电磁场数值计算及其在工程中 的应用
1.What?
1.1数值计算 数值计算
——自然界中的每一现象都可借助物理定律,按照与各种主要量相 联系的代数方程、微分方程或积分方程来描述。 ——在科学研究及工程应用中,人们主要关心的量便是某个数学物 理方程的解,包括解析解和数值解。 ——数值计算是研究各种数学问题的数值方法设计、分析、有关的 数学理论和具体实现的一门学科。 例子1~3
铝板中的涡流分布
4.Conclusion
有限元法用于电磁问题的分析已有 30多年的历史,并在工程中得到了广泛 的应用,各种商业软件也纷纷涌现,然 而新的问题和挑战依然存在,例如:运 动物体的电磁问题、耦合场、并行计算 等,尚不能够很好解决,需要广大的爱 好者们的进一步努力和完善。
1.2 电磁场理论 Maxwell方程组由Faraday定律、Ampere定律、两个Gauss定律 一共4个方程构成的偏微分方程组,加上介质中的本构方程,以及 两种媒质交界面的边界条件,还有Lorentz力公式,这些简洁的公 式几乎可以解释所有的电磁现象,我们的任务就是在各类工程电 磁问题中尽可能精确地求解这些方程:
FEM相比其它数值方法的优点在于: ——理论基础成熟; ——计算格式规范统一,利于编程; ——适应性高,适合各种复杂形状的区域; ——求解精度高;
由于这些优异的特性,在短短几十年时间里, FEM成为了绝大多数物理和工程问题中(机械、 航空、汽车、船舶、土木、海洋工程、电气电 子、压力容器等)应用最广泛的一种计算机辅助 分析方法。 在电磁分析领域,除了FEM以外,也有其 它有效的数值方法,例如:矩量法(MOM)、边 界元法(BEM)、时域有限差分法(FDTD)等等。
∂B ∇× E = − ∂t ∂D ∇× H = J + ∂t ∇⋅D = ρ ∇⋅B = 0
F = qE + qv × B
n × ( E1 − E 2 ) = 0 n × ( H1 − H 2 ) = J s n ⋅ ( D1 − D2 ) = ρ s n ⋅ ( B1 − B2 ) = 0
D =εE B = µH J =σ E
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光纤复合架空地线铝包层及钢芯电流密度分布
3.4 应用实例4——3D涡流场
1 & & & & ∇ × ( ∇ × A) − ∇λ∇ ⋅ A + jωσ A + σ∇V = 0
µ
& & ∇ ⋅ (− jωσ A − σ∇V ) = 0 1 & & & ∇ × ( ∇ × A) − ∇λ∇ ⋅ A = J s µ
相关文档
最新文档