ANSYS12.0電磁學(xué)有限元分析從入門到精通

前言

　　現(xiàn)代工業(yè)的典型特征是大量使用計(jì)算機(jī)，無論是產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)，還是分析、制造過程中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用都極大地提高了效率和質(zhì)量。計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）就是其中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代工程方法的完美結(jié)合?！　NSYS軟件是美國，ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，它是世界范圍內(nèi)增長最快的CAE軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等學(xué)科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)藥、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS的功能強(qiáng)大，操作簡單方便，現(xiàn)在它已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年FEA評比中都名列第一。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件?！　”緯訟NSYS的最新版本ANSYS 12，0為依據(jù)，講述了目前工程中普遍面臨的各類電磁場分析問題，并通過豐富的實(shí)例詳細(xì)介紹了如何利用ANSYS有限元軟件求解電磁場分析問題。書中盡量避開了繁瑣的理論描述，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合作者使用該軟件的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)例部分采用GUI方式一步一步地對操作過程和步驟進(jìn)行了講解。為了幫助用戶熟悉ANSYS的相關(guān)操作命令，在每個(gè)實(shí)例的后面列出了分析過程的命令流文件?！　”緯卜?4章，第1章對ANSYS電磁場有限元分析進(jìn)行了簡要敘述，并介紹了后續(xù)章節(jié)常用的磁宏和遠(yuǎn)場單元內(nèi)容；第2～4章介紹了二維靜態(tài)、諧性、瞬態(tài)磁場分析；第5～9章分別使用標(biāo)量法、棱邊單元法和節(jié)點(diǎn)法對三維靜態(tài)、諧性、瞬態(tài)磁場分析進(jìn)行介紹；第l0章介紹了穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析：第11、12章分別使用h方法和P方法對靜電場分析進(jìn)行了介紹；13章介紹了電路分析的內(nèi)容；第14章介紹了高頻電磁分析的內(nèi)容?！　”緯接幸粡埞獗P，光盤中除了有每一個(gè)實(shí)例GUI實(shí)際操作步驟的視頻以外，還以文本文件的格式給出了每個(gè)實(shí)例的命令流文件，用戶可以直接調(diào)用。　　本書目的主要介紹使用，ANSYS軟件進(jìn)行電磁場分析的過程和步驟，文中所采用的參數(shù)和數(shù)據(jù)僅用于ANSYS分析過程的演示，對具體問題不一定適用?！　”緯扇S書屋工作室總策劃，主要由軍械工程學(xué)院的張倩博士后和胡仁喜博士以及石家莊三維書屋文化傳播有限公司的康士廷老師編寫，此外，孫明禮、劉昌麗、熊慧、王義發(fā)、張俊生、王敏、周冰、董偉、李瑞、王兵學(xué)、袁濤、王淵峰、李世強(qiáng)、周廣芬、李鵬、陳麗芹、王玉秋、孟清華、王艷池、李廣榮、王培合、鄭長松、王佩楷、董榮榮、王宏、林雙燕、張日晶等參加了資料整理和編寫工作，在此編者向他們表示衷心的感謝。　　由于編者水平有限，時(shí)間倉促，書中難免存在缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，懇請專家和廣大讀者不吝賜教，批評指正。也歡迎業(yè)內(nèi)人士來信共同探討。

內(nèi)容概要

本書以ANSYS的最新版本ANSYS12.0為依據(jù)，講述了目前工程中普遍面臨的各類電磁場分析問題，并通過豐富的實(shí)例詳細(xì)介紹了如何利用ANSYS有限元軟件求解電磁場分析問題。書中盡量避開了繁瑣的理論描述，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合作者使用該軟件的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)例部分采用GUI方式一步一步地對操作過程和步驟進(jìn)行了講解。為了幫助用戶熟悉ANSYS的相關(guān)操作命令，在每個(gè)實(shí)例的后面列出了分析過程的命令流文件。    本書共分14章，第1章對ANSYS電磁場有限元分析進(jìn)行了簡要敘述，并介紹了后續(xù)章節(jié)常用的磁宏和遠(yuǎn)場單元內(nèi)容；第2章～第4章介紹了二維靜態(tài)、諧性、瞬態(tài)磁場分析；第5章～第9章分別使用標(biāo)量法、棱邊單元法和節(jié)點(diǎn)法對三維靜態(tài)、諧性、瞬態(tài)磁場分析進(jìn)行介紹；第10章介紹了穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析；第11章和12章分別使用h方法和P方法對靜電場分析進(jìn)行了介紹；第13章介紹了電路分析的內(nèi)容；第14章介紹了高頻電磁分析的內(nèi)容。    本書適合于各高校工科高年級本科和研究生作為自學(xué)教材，也可以作為電磁學(xué)工程設(shè)計(jì)和研究人員的參考工具書。

書籍目錄

前言第1章  電磁場有限元分析概述  1.1  電磁場基本理論    1.1.1  麥克斯韋方程    1.1.2  一般形式的電磁場微分方程    1.1.3  電磁場中常見邊界條件  1.2  ANSYS電磁場分析對象  1.3  標(biāo)量位、矢量位、棱邊單元方法的比較    1.3.1  磁標(biāo)量位方法    1.3.2  磁矢量位方法    1.3.3  棱邊單元方法  1.4  電磁場單元概述  1.5  電磁宏    1.5.1  電磁宏使用范圍    1.5.2  電磁宏分類  1.6  遠(yuǎn)場單元及遠(yuǎn)場單元的使用    1.6.1  遠(yuǎn)場單元    1.6.2  使用遠(yuǎn)場單元的注意事項(xiàng)第2章  二維靜態(tài)磁場分析  2.1  二維靜態(tài)磁場分析中要用到的單元  2.2  靜態(tài)磁場分析的步驟    2.2.1  創(chuàng)建物理環(huán)境    2.2.2  建模、指定特性、分網(wǎng)    2.2.3  施加邊界條件和載荷    2.2.4  求解    2.2.5  后處理(查看計(jì)算結(jié)果)  2.3  實(shí)例1——二維螺線管制動(dòng)器內(nèi)靜態(tài)磁場的分析    2.3.1  問題描述    2.3.2  GUI操作方法    2.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)  2.4  實(shí)例2——載流導(dǎo)體的電磁力分析    2.4.1  問題描述    2.4.2  GUI操作方法    2.4.3  命令流實(shí)現(xiàn)第3章  二維諧波磁場分析  3.1  二維諧波磁場分析中要用到的單元  3.2  二維諧波磁場分析的步驟    3.2.1  創(chuàng)建物理環(huán)境    3.2.2  建立模型，賦予特性，劃分網(wǎng)格    3.2.3  加邊界條件和勵(lì)磁載荷    3.2.4  求解    3.2.5  觀察結(jié)果  3.3  實(shí)例1——二維自由空間線圈的諧波磁場的分析    3.3.1  問題描述    3.3.2  GUI操作方法  3.4  實(shí)例2——二維非線性諧波分析    3.4.1  問題描述    3.4.2  GUI操作方法    3.4.3  命令流實(shí)現(xiàn)第4章  二維瞬態(tài)磁場分析  4.1  二維瞬態(tài)磁場分析中要用到的單元  4.2  二維瞬態(tài)磁場分析的步驟    4.2.1  創(chuàng)建物理環(huán)境    4.2.2  建立模型、賦予屬性、劃分網(wǎng)格    4.2.3  施加邊界條件和勵(lì)磁載荷    4.2.4  求解    4.2.5  觀察結(jié)果  4.3  實(shí)例1——二維螺線管制動(dòng)器內(nèi)瞬態(tài)磁場的分析    4.3.1  問題描述    4.3.2  GUI操作方法    4.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)  4.4  實(shí)例2——帶縫導(dǎo)體瞬態(tài)分析    4.4.1  問題描述    4.4.2  GUI操作方法第5章  三維靜態(tài)磁場標(biāo)量法分析  5.1  三維靜態(tài)磁場標(biāo)量法分析中要用到的單元  5.2  用標(biāo)量法進(jìn)行三維靜態(tài)磁分析的步驟    5.2.1  創(chuàng)建物理環(huán)境    5.2.2  建立模型    5.2.3  施加邊界條件和勵(lì)磁載荷    5.2.4  求解    5.2.5  觀察結(jié)果(RSP，DSP或GSP方法分析)  5.3  實(shí)例1——三維螺線管靜態(tài)磁分析    5.3.1  問題描述    5.3.2  GUI操作方法    5.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)  5.4  實(shí)例2——帶空氣隙的永磁體    5.4.1  問題描述    5.4.2  GUI操作方法    5.4.3  命令流實(shí)現(xiàn)第6章  三維靜態(tài)磁場棱邊單元法分析  6.1  單元邊方法中用到的單元  6.2  用棱邊單元方法進(jìn)行靜態(tài)分析的步驟    6.2.1  創(chuàng)建物理環(huán)境、建模分網(wǎng)、加邊界條件和載荷    6.2.2  求解    6.2.3  后處理  6.3  實(shí)例——計(jì)算電機(jī)溝槽中的靜態(tài)磁場分布    6.3.1  問題描述    6.3.2  GUI操作方法    6.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)第7章  三維諧波磁場棱邊單元法  7.1  單元邊方法中用到的單元  7.2  用棱邊單元方法進(jìn)行諧波磁場分析的步驟    7.2.1  創(chuàng)建物理環(huán)境、建模分網(wǎng)、加邊界條件和載荷    7.2.2  求解    7.2.3  后處理  7.3  實(shí)例——棱邊元法計(jì)算電動(dòng)機(jī)溝槽中諧波磁場分布    7.3.1  問題描述    7.3.2  GUI操作方法    7.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)第8章  三維瞬態(tài)磁場棱邊單元法分析  8.1  單元邊方法中用到的單元  8.2  用棱邊單元法進(jìn)行三維瞬態(tài)磁場分析的步驟    8.2.1  創(chuàng)建物理環(huán)境、建模分網(wǎng)、加邊界條件和載荷    8.2.2  求解    8.2.3  后處理  8.3  實(shí)例——棱邊元法計(jì)算電動(dòng)機(jī)溝槽中瞬態(tài)磁場分布    8.3.1  問題描述    8.3.2  GUI操作方法    8.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)第9章  三維靜態(tài)、諧波和瞬態(tài)節(jié)點(diǎn)法分析  9.1  用節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行三維靜態(tài)磁場分析    9.1.1  選擇單元類型和定義實(shí)常數(shù)    9.1.2  定義分析類型    9.1.3  選擇方程求解器    9.1.4  加載和求解    9.1.5  備份數(shù)據(jù)    9.1.6  求解    9.1.7  計(jì)算電感矩陣和磁鏈    9.1.8  后處理  9.2  節(jié)點(diǎn)法三維諧波磁場分析    9.2.1  建立三維諧波磁分析的物理環(huán)境    9.2.2  加載和求解    9.2.3  觀察結(jié)果  9.3  節(jié)點(diǎn)法三維瞬態(tài)磁場分析    9.3.1  建立三維瞬態(tài)分析的物理環(huán)境    9.3.2  加載和求解    9.3.3  觀察節(jié)點(diǎn)法三維瞬態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果  9.4  標(biāo)勢法和矢勢法聯(lián)合使用    9.4.1  建立混合區(qū)域的模型    9.4.2  矢量域和標(biāo)量域的界面    9.4.3  施加載荷、求解混合模型    9.4.4  觀察結(jié)果第10章  靜電場h方法分析  10.1  電場分析要用到的單元  10.2  穩(wěn)態(tài)電流傳導(dǎo)分析的步驟    10.2.1  建立模型    10.2.2  加載并求解    10.2.3  觀看結(jié)果  10.3  實(shí)例1——正方形電流環(huán)中的磁場    10.3.1  問題描述    10.3.2  GUI操作方法    10.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)  10.4  實(shí)例2——三側(cè)向測井儀器的電場分析    10.4.1  問題描述    10.4.2  命令流實(shí)現(xiàn)第11章  靜電場h方法分析  11.1  h方法靜電場分析中用到的單元  11.2  用h方法進(jìn)行靜電場分析的步驟    11.2.1  建模    11.2.2  加載和求解    11.2.3  觀察結(jié)果  11.3  多導(dǎo)體系統(tǒng)求解電容    11.3.1  對地電容和集總電容    11.3.2  步驟  11.4  開放邊界的Trefftz方法    11.4.1  概述    11.4.2  步驟  11.5  實(shí)例1——屏蔽微帶傳輸線的靜電分析    11.5.1  問題描述    11.5.2  GUI操作方法    11.5.3  命令流實(shí)現(xiàn)  11.6  實(shí)例2——電容計(jì)算實(shí)例    11.6.1  問題描述    11.6.2  GUI操作方法    11.6.3  命令流實(shí)現(xiàn)  11.7  實(shí)例3——做一個(gè)開放邊界模型的靜電分析    11.7.1  問題描述    11.7.2  GUI操作方法    11.7.3  命令流實(shí)現(xiàn)第12章  靜電場P方法分析  12.1  用P方法進(jìn)行靜電場分析要用到的單元  12.2  P方法靜電場分析的步驟  12.3  實(shí)例1——用P方法進(jìn)行靜電驅(qū)動(dòng)梳靜電場分析    12.3.1  問題描述    12.3.2  GUI操作方法    12.3.3  命令流實(shí)現(xiàn)第13章  電路分析  13.1  電路分析中要用到的單元    13.1.1  使用CIRCU124單元    13.1.2  使用CIRCU125單元  13.2  使用電路建模程序    13.2.1  建立電路    13.2.2  避免電路不合理  13.3  電路分析的步驟    13.3.1  靜態(tài)電路分析    13.3.2諧波電路分析    13.3.3  瞬態(tài)電路分析  13.4  實(shí)例1——諧波電路分析    13.4.1  問題描述    13.4.2  GUI操作方法    13.4.3  命令流實(shí)現(xiàn)  13.5  實(shí)例2——瞬態(tài)電路分析    13.5.1  問題描述    13.5.2  GUI操作方法    13.5.3  命令流實(shí)現(xiàn)第14章  高頻電磁場分析  14.1  高頻分析中要用到的單元  14.2  高頻電磁場諧波分析的步驟    14.2.1  建立物理環(huán)境    14.2.2  建立模型、定義材料特性、劃分網(wǎng)格    14.2.3  求解高頻諧波分析    14.2.4  查看結(jié)果  14.3  高頻電磁場模態(tài)分析的步驟  14.4  實(shí)例1——同軸波導(dǎo)的高頻諧波分析    14.4.1  問題描述    14.4.2  GUI操作方法    14.4.3  命令流實(shí)現(xiàn)  14.5  實(shí)例2——腔體高頻模態(tài)分析    14.5.1  問題描述    14.5.2  GUI操作方法    14.5.3  命令流實(shí)現(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：ANSYS／Multiphysics和ANSYS／Emag模塊把諧波電磁分析結(jié)果寫到磁場分忻結(jié)果文件Jobname.RMG中，如果激活了電位（VOIT）、電流（CURR）或EMF自由度，寫入Jobname.RST文件。結(jié)果包括下面所列數(shù)據(jù)，所有結(jié)果都在所計(jì)算的工作頻率下諧波變化。基本數(shù)據(jù)：節(jié)點(diǎn)自由度（AZ，VOLT，CURR）導(dǎo)出數(shù)據(jù)：·節(jié)點(diǎn)磁通密度（BX，BY，BSUM）·節(jié)點(diǎn)磁場強(qiáng)度（HX，HY，HSUM）·節(jié)點(diǎn)磁力（FMAG：X，Y，SLIM分量）·節(jié)點(diǎn)洛倫茲力（Iorentz）（FMAG：X，Y，SUM分量）·節(jié)點(diǎn)感生電流段（CSGZ）·單位體積焦耳熱（JHEAT）注意：對于線性時(shí)諧分析，磁通密度B有可能超出B-H曲線輸入的值，這些值只是真實(shí)波形基頻諧波分量的近似值，而不是實(shí)際的值。參看具體單元的幫助可以提取更多的數(shù)據(jù)。在POSTI通用后處理器或：POST26時(shí)間歷程后處理器中都能檢察分析結(jié)果。由于計(jì)算結(jié)果與輸入負(fù)載有相差（即輸出滯后于輸入），因而結(jié)果值是復(fù)數(shù)形式的，以實(shí)部和虛部分量的形式來計(jì)算和存儲(chǔ)。通用后處理器POSTl用以檢察在給定頻率下整個(gè)模型的結(jié)果，而POST26時(shí)間歷程后處理器用以檢察在整個(gè)頻率范圍內(nèi)模型中給定位置處的結(jié)果。對于諧波磁場分析，頻率范同通常只由AC頻率組成。因此，常用POSTI檢察分析結(jié)果。選擇后處理器的方式：命令：／POSTI，／POST26GUI：Main Menu>General.PostprocMain Menu>TimeHist Postpro后處理中常用的命令及其GUI路徑見表3.4。用ETABIE命令可以得到很多不常用的項(xiàng)。關(guān)于讀入結(jié)果數(shù)據(jù)、等值線顯示、矢量顯示、列表顯示、磁力、磁力矩等詳細(xì)內(nèi)容可以參考第2章相關(guān)內(nèi)容。利用命令宏計(jì)算其他感興趣的項(xiàng)：·EMAGI！RR宏計(jì)算靜電場或電磁場分析中的相對誤差。

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