ANSYS电磁场分析指南

ANSYS电磁场分析指南

第十三章电场分析

13.1 电场分析简介

电场分析就是要计算导电系统或电容系统中的电场，需要计算的典型物理量为：

·电场

·电流密度

·电荷密度

·传导焦耳热

电场分析在工程设计中有广泛应用：汇流条、保险丝、传输线等。

很多情况下，先进行电流传导分析，或者同时进行热分析，以确定因焦耳热而导致的温度分布。也可以在电流传导分析之后直接进行磁场分析以确定电流产生的磁场。有关这方面的内容请参见《ANSYS 耦合场分析指南》。本章只讲单纯的电场分析，主要是稳态电流传导分析、静电场分析和电路分析。

进行电流传递分析要求ANSYS/Multiphysics或者ANSYS/Emag模块。这两个模块还可以进行静电场和电路分析。

ANSYS以泊松方程为静电场分析的基础。参见《ANSYS理论手册》。主要的未知量（节点自由度）是标量电位(电压)。其他物理量由节点电位导出。

13.2 电场分析要用到的单元

表1 传导杆单元

表 2 2-D实体单元

表 3 3-D实体单元

表 4 壳单元

表 5 特殊单元

表 6 通用电路单元

13.3 单元兼容性

有限元模型中可能含带电压自由度的单元，这些单元需要相应的反作用力。见下表。

表7 带电压自由度单元的反作用力

13.4 稳态电流传导分析简介

稳态电流传导分析可以分析计算直流电流和电压降产生的电流密度和电位分布。可以进行两种加载：电压和电流。

稳态电流传导分析认为电压和电流成线性关系，即电流与所加电压成正比。

13.5 稳态电流传导分析的步骤

稳态电流传导分析要确定直流电或电势降导致的电流密度分布和电势（电压）分布，在此分析中载荷有两种类型：外加电压和电流。假定稳态电流传导分析是线性的，即：电流与所加电压成正比。

稳态电流传导分析有三个主要的步骤：

1.建立模型

2.加载并求解

3.观察结果。

13.5.1建立模型

建立模型，定义工作文件名和标题：

命令：/FILNAME, /TITLE

GUI：Utility Menu>File>Change Jobname

Utility Menu>File>Change Title

在GUI参数选择框中选择Electric选项。以便能够选择需要的单元。

GUI:Main Menu>Preferences>Electromagnetics>Electric

然后按照《ANSYS建模与分网指南》中的描述定义单元类型、定义材料特性并建立几何模型。

在电流传导分析中，可以使用下列单元：

·LINK68：三维二节点热/电线单元

·PLANE67：二维四节点热/电四边形单元

·SOLID5：三维八节点结构/热/磁/电六面体单元

·SOLID69：三维八节点热/电六面体单元

·SOLID98：三维十节点结构/热/磁/电四面体单元

·SHELL157：三维四节点热/电壳单元

·MATRIX50：三维超单元

单元的详细介绍可参看前面单元表。

必须只定义一种材料特性：电阻(RSVX)，它可以是和温度有关的。

13.5.2 加载并求解

此步骤定义分析类型及其选项、给模型加载、定义载荷步选项并求解：

13.5.2.1进入SOLUTION处理器

命令：/SOLU

GUI:Main Menu>Solution

13.5.2.2定义分析类型

作下列任何一个操作：

● 在GUI方式下，选择路径：Main Menu>Solution>New Analysis并选择Static分析。

● 如果是一个新的分析，执行下列命令：ANTYPE,static,new

●如果是需要重启动一个前面做过的分析（如施加了另外一种激励），使用命令ANTYPE,STATIC,REST。如果先前分析的结果文件Jobname.EMAT, Jobname.ESAV, 和Jobname.DB还可用，就可以重启动分析。

13.5.2.3 定义分析选项

选择方程求解器(系统缺省使用Frontal求解器)。

命令：EQSLV

GUI:Main Menu>Solution>Analysis Options

13.5.2.4加载

13.5.2.4.1电流

电流(AMPS)是经常加在模型边界上的集中节点载荷(AMPS仅仅是一个载荷标志，和单位制无关），正值代表电流流入节点，负值代表流出节点。如果是均匀电流密度分布，应该耦合节点上的VOLT自由度，再将总电流加到某一个节点上去。

命令：F

GUI: Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>Current

13.5.2.4.2电压

电压(VOLT)是经常加在模型边界上的DOF约束，一个典型的应用是说明导体的一端电压值为零（接地端），另一端为一给定电压。

命令：D

GUI: Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>Charge

13.5.2.5可选择的步骤：施加载荷步选项（详见第16章）

13.5.2.6备份数据．

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：RESUME

GUI:Utility Menu>File>Resume Jobname.db

13.5.2.7开始求解

命令：SOLVE

GUI:Main Menu>Solution>Current LS

13.5.2.8施加其它载荷条件

如果希望进行其他加载情况的计算，可以从这里再按照13.5.2.4步和13.5.2.5操作即可。

13.5.2.9完成求解

命令：FINISH

GUI:Main Menu>Finish

13.5.3 观看结果