ANSYS电磁场分析指南 第八章 3

第八章3 -D瞬态磁场分析（棱边单元法）8.1用棱边元方法进行3-D瞬态分析用棱边元方法进行3-D瞬态分析的步骤与下一章的用MVP方法进行瞬态分析 的步骤大体一样，只不过它们使用不同的自由度和运算法则，棱边元方法使用 Frontal、sparse、JCG和ICCG求解器。参见ANSYS基本过程手册中求解器 的详细介绍。ANSYS 支持 3D 静态、时谐、瞬态棱边单元分析。前面两章讨论的是静态和时 谐分析，本章讨论瞬态分析。8.2 3-D 瞬态磁场分析（棱边元方法）的步骤1. 在 GUI 菜单过滤中选定 Magnetic-Edge 项2. 定义任务名和题目命令：/FILNAME 和/TITLEGUI:Utility MenuFileChange JobnameUtility MenuFileChange Title3. 进入ANSYS前处理器命令： /PREP7GUI:Main MenuPreprocessor4. 选择 SOLID117 单元命令： ET,solid117GUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete5. 定义 SOLID117 单元选项对导电区用 AZ-VOLT 自由度，对不导电区用 AZ 自由度。命令： KEYOPTGUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete与第七章“谐波分析”描述的类似6定义材料特性对涡流区必须说明电阻值RSVX，材料定义的过程详见第二章。7建立模型用 Main MenuPreprocessor-Modeling- 界面。8. 赋予特性命令：VATTGUI: Main menuPreprocessor-Attributes-Define9. 划分网格（用 Mapped 网格）命令： VMESHGUI:Main MenuPreprocessor-Meshing-Mesh-Volumes-Mapped10. 进入求解器命令： /SOLUGUI:Main MenuSolution11给模型边界加磁力线平行和磁力线垂直边界条件命令： DAGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Boundary用 AZ=0 来模拟磁力线平行边界条件，磁力线垂直边界条件是自然边界条件 无需说明。12. 给绞线圈加电流密度载荷命令： BFE,jsGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Excitation除了加电流密度载荷外，还可以给一个块导体加总电流：命令： F,ampsGUI:MainMenuSolution-Loads-Apply-Electric-Excitation-Impressed Current-注意：在加总电流之前需耦合节点 VOLT 自由度。13. 选择瞬态分析类型命令：ANTYPE,transient,newGUI:Main MenuSolutionNew AnalysisTransient注意：若要重启动一个先前做过的分析（如施加了另外一种载荷），可使用 命令ANTYPE,TRANSIENT,REST。重启动分析要求先前分析的几个相关文件 Jobname.EMAT, Jobname.ESAV, 和 Jobname.DB 还可用。14. 定义分析选项定义求解方法和求解器。选择求解方法：命令： TRNOPTGUI： Main menuSolutionAnalysis Options瞬态磁场分析要求选择全波方法（full）棱边元方法可以选用FRONT（缺省值），sparse, JCG,或者ICCG求解器。用下 列命令选择求解器：命令： EQSLVGUI:Main menuSolutionAnalysis Options15. 选择载荷步选项。如下对载荷步选项作了阐述：8.2.1 时间选项该选项说明载荷步终结的时间。命令： TIMEGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load StepOpts-Time/FrequencTime-Time StepMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step8.2.2 子步数和时间步长积分时间步长是瞬态分析时间积分方程中的时间增量，可用DELTIM命令或其等效菜单路径直接定义，或用 NSUBST 或其等效菜单路径间接定义。时间步步长决定了求解精度，时间步长越小，精度就越高。当载荷出现较大 的阶跃时，紧跟其后的第一个时间积分步长是尤为关键的。通过减小时间步步长， 可以减少求解大阶跃变化(如温度过热加载)时的误差。注意：时间步步长也不能过小，尤其是在建立初始化条件时。太小的数值会 使ANSYS在计算时产生数值误差。比如，如果使用小于1E-10的时间步步长会产 生数值误差。如选择阶跃(St epped)加载模式，在第一个子步上程序就加上全部载荷并一 直保持常数，如选择斜坡(Ramped )加载模式，程序在每个子步上增加载荷值。命令：NSUBST,DELTIMGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Tiem/FrequencTime-Time Step8.2.3 自动计算时间步长在瞬态分析中也叫时间步长最优化，它使程序自动调整两个子步骤间的载荷 增量，并在求解过程中根据模型的响应情况增加或减小时间步长。在大多数情况下，你需要打开这个选项，此外为了更好地控制时间步长的变 化幅度，还要输入积分时间步长的上限和下限。命令： AUTOTSGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/frequencTimeMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution-Load Step Opts-Tiem/FrequencTime-Time Step8.2.4 Newton-Raphson 选项这些选项定义在非线性求解过程中，切向刚度矩阵的更新频率，选项为：程序自动选择(Program-chosen)(系统缺省)全方法(Full)修正法(Modified)初刚度法(Ini tial-s tiffness)在非线性分析中，推荐使用 Full 选项，其 adaptive descent 选项可有助于 瞬态分析收敛。命令：NROPTGUI:Main MenusolutionAnalysis Options8.2.5 平衡迭代数该选项使得在每一个子步都能得到一个收敛解，缺省为 25 次迭代，但是根 据所处理问题的非线性程度，可适当增加这个数值。对线性瞬态分析，只需1 次迭代。命令： NEQITGUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Options-NonlinearEquilibrium IterMain MenuSolution-Load Step Options-NonlinearEquation Iter8.2.6 收敛容差只要运算满足所说明的收敛判据，程序就认为它收敛，收敛判据可以基于磁 势(A),也可以是磁电流段(CSG),或二者都有。在实际定义时，需要说明一个典 型值(VALUE)和收敛容差(TOLER)，程序将VALUE*TOLER的值视为收敛判据。例如， 如说明磁电流段的典型值为 5000，容差为 0.001，那么收敛判据则为 5.0。 ANSYS 公司推荐VALUE值由缺省确定，TOLER的值为1.0e-3。命令： CNVTOLGUI:Main MenuPreprocessorLoadsNonlinearconvergence CritMain MenuSolutionNonlinearConvergence Crit8.2.7 终止不收敛解当程序在指定的平衡迭代数内无法收敛，则程序根据你所指定的终止判据或 终止求解、或直接进行第二个载荷步的求解。8.2.8 控制打印输出该选项控制你将哪些数据输出到打印输出文件中去。命令：OUTPRGUI:Main MenuPreprocessorLoadsOutput CtrlsSolu PrintoutMain MenuSolutionOutput CtrlsSolu Printout8.2.9 控制数据库和结果文件输出 该选项控制你将哪些数据输出到结果文件中去。根据缺省，程序将每个载荷步中的最后一个子步的数据写入到结果文件中去。命令： OUTRESGUI: Main MenuPreprocessorOutput CtrlsDB/Result FileMain MenuSolutionOutput CtrlsDB/Result File8.2.10 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： RESUMEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.db8.2.11 开始求解如果对所有加载情况一并求解，用下列方式：命令:LSSOLVEGUI:Main MenuSolutionFrom LS Files如果只有一个载荷步，也可以用下列方式：命令:SOLVEGUI:Main MenuSolutionCurrent LS当使用棱边元方程时，在缺省情况下，ANSYS程序先估算待分析区域所有单元和节点。估算时，把不需要的自由度值设置为零，使计算更快进行：命令： GAUGEGUI:Main Menu SolutionLoad Step Opts - magnetics - Options Only - Gauging使用棱边元方法做电磁分析必须要求估算，因此，在大多数情况下，不要关 闭自动估算。如果是专家级用户，可以用GAUGE,OFF关闭估算，并用自己的经验 程序进行相应估算。估算后ANSYS程序删除进行估算时设置的约束，因此，估算 过程对用户是透明的。16离开求解器命令：FINISHGUI:Main MenuFinish17. 后处理，后面详细阐述8.3 观察结果ANSYS/Emag程序将棱边元方法瞬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（AZ,VOLT）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）节点洛仑兹磁力（FMAG: X,Y,Z分量和SUM）单元总电流密度（ JTX,JTY,JTZ）单位体积生成的焦耳热（ JHEAT）单元磁能（仅对线性材料才有效）在后处理磁场分析的解时，在POST1通用后处理器中可观察整个模型在给定 时间点处的解；在POST26时间历程后处理器中可观察模型中某一指定点在整个 瞬态分析中的历程解，如下选择后处理器。命令： /POST1, /POST26GUI: Main MenuGeneral PostprocMain MenuTimeHist Postpro后处理命令的完整描述，参见ANSYS基本过程手册。8.3.1在P0ST26时间历程后处理器中观察结果数据可参看本指南第 6 章的详细阐述。在后处理数据时，数据库中的模型数据一定要与结果数据相统一，结果文件 必须可用。如果模型不在数据库中，用下列恢复操作，再用SET命令读入想了解 的结果集数据。命令：RESUMEGUI: Utility MenuFileResume Jobname.dbP0ST26 后处理中研究的是各种变量和时间的关系，每个变量有一个确定的参 考号，时间变量为参考号 1，其他变量需定义。定义主数据变量：命令： NS0LGUI： Main MenuTimeHist PostproDefine Variables定义导出数据变量：命令： ES0LGUI： Main MenuTimeHist PostproDefine Variables定义感生数据变量：命令： RF0RCEGUI： Main MenuTimeHist PostproDefine Variables定义好一个变量后，可将它根据时间或其他任何变量进行图形显示：命令： PLVARGUI： Main MenuTimeHist PostproGraph Variables对定义好的一个变量列表：命令： PRVARGUI： Main MenuTimeHist PostproList Variables仅列出最大变量值：命令：EXTREMGUI： Main MenuTimeHist PostproList Extremes可用PMGTRAN命令计算某个单元组元(Component)总的磁力、能量损耗、能 量和电流值：命令： PMGTRANGUI： Main MenuTimeHist PostproElec&MagMagnetics在 POST26 后处理器中，还可以对各种变量进行数学运算，也可将变量的值赋给某数组参数中。参见ANSYS基本过程手册8.3.2在POST1时间历程后处理器中观察结果数据在 POST1 中后处理数据时，数据库中的模型数据一定要与结果数据相统一， 结果文件必须可用。用 SET 命令将某一指定时间点的数据读入数据库中：命令： SET,timeGUI： Utility MenuListResultsLoad Step Summary如果没有数据和指定的时间点对应，程序自动进行线性插值以得到在指定的 时间点的数据；如果指定的时间点超出了瞬态分析的时间范围，则程序自动使用 瞬态分析的最后一个时间点。除了用时间值指定读入的数据，也可用载荷步和载 荷子步来指定读入的数据。可如下画出磁场强度和磁通量密度等数据的等值线：命令： PLESOL, PLNSOLGUI： Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsElement SolutionMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solution8.3.2.1 计算其他感兴趣的项目从后处理可用的数据库中，还可以计算其他感兴趣的项目(如全局磁力、力 矩、源的输入能量、电感、磁链和终端电压)。 ANSYS 程序设置下列宏来进行这 些计算： SENERGY宏计算电磁场中的储能 FMAGBC宏对单元部件施加力边界条件 FMAGSUM 对单元部件上施加的力求和 MMF 宏计算沿一路径的磁动势 PMGTRAN 宏计算瞬态电磁场的概要信息. POWERH宏计算导体的均方根（RMS）能耗想了解更多的宏，请参见第 11 章“电磁场宏命令”。