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ansoft 2D使用简介


一、 Ansoft 主界面控制面板简介
在 Windows 下安装好 Ansoft 软件的电磁场计算模块 Maxwell 之后,点击 Windows 的“开始”“程序”项中的 Ansoft、Maxwell Control Panel,可出现主界面控制面板(如 、 图 1 所示) ,各选项的功能介绍如下。

图 1 ansoft 主界面控制面板

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1.1 ANSOFT xxxxx 介绍 Ansoft 公司的联系方式,产品列表和发行商。 1.2 PROJECTS 创建一个新的工程或调出已存在的工程。要计算一个新问题或调出过去计算过的 问题应点击此项。点击后出现工程控制面板,可以实现以下操作: ? ? ? ? 新建工程。 运行已存在工程。 移动,复制,删除,压缩,重命名,恢复工程。 新建,删除,改变工程所在目录。

1.3 TRANSLATORS 进行文件类型转换。点击后进入转换控制面板,可实现: 1. 2. 将 AutoCAD 格式的文件转换成 Maxwell 格式。 转换不同版本的 Maxwell 文件。

1.4 PRINT 打印按钮,可以对 Maxwell 的窗口屏幕进行打印操作。 1.5 UTILITIES 常用工具。包括颜色设置、函数计算、材料参数列表等。

二、 二维(2D)模型计算的操作步骤

2.1 创建新工程
选择 Mexwell Control Panel 启动 Ansoft 软件→点击 PROJECTS 打开工程界面(如 图 2 所示)→点击 New 进入新建工程面板(如图 3 所示) 。在新建工程面板中为工程 命名(Name) ,选择求解模块类型(如 Maxwell 2D, Maxwell 3D, Maxwell PEmeg 等) 。 在这里我们选择 Maxwell 2D version 11 来完成二维问题的计算。

图 2 工程操作界面

图 3 新建工程界面

2.2 选择求解问题的类型
上一步结束后,建立了新工程(或调出了原有的工程) ,进入执行面板(Executive Commands)如图 4 所示。面板的左边是一系列的执行菜单,在接下来的求解过程中将 顺次执行它们(前面的菜单没有正确执行时后面的菜单为灰色,不能执行) 。

第 一 步 , 选 择 求 解 器 ( Solver ) 点 击 后 会 出 现 场 类 型 选 项 , 包 括 静 电 场 , (Electrostatic) ,稳恒磁场(Magnetostatic)和正弦时变涡流场(Eddy Current)等。选 择用户要求解的问题类型。我们的变压器问题通常选用涡流场(Eddy Current) 。 第二步,选择求解区域几何类型(Drawing) ,包括平行平面场(XY Plane)和轴 对称场(RZ Plane) 。在此选择 XY Plane。 对于场域模型创建模块 (Define Model) 设定模型材料属性模块 , (Setup Materials) , 设定边界条件与激励源模块(Setup Boundaries/Sources) ,设定执行参数模块(Setup Executive Parameters) ,设定求解参数模块(Setup Solution Options) 求解模块(Solver) , 与后处理模块(Post Process)将在下面分别详细说明。

图 4 执行面板(Executive Commands)

2.3 创建模型(Define Model)
点击 Define Model 选项,进入模型绘制面板(2D Modeler)如图 5 所示。

图 5 模型绘制面板(2D Modeler) 2.3.1 模型绘制命令项介绍 File 创建新文件(New)或调出已有文件(Open)及保存几何模型文件(Save) ;导入 和导出其他格式文件(Import) ;设置打印选项(Print Setup) ;打印(Print) ;退出模型 绘制界面(Exit) 。实际上,进入该界面后可以直接建立模型,然后在推出时程序将提 问是否保存模型,且会自动按工程名赋予模型文件名。在建模期间若担心信息丢失, 可以使用保存命令存盘。 Edit 进行图形编辑,包括选择对象(Select)和取消选择(Deselect) 、剪切(Cut) 、复 制(Copy)和粘贴(Paste) 、删除(Clear) ;定义对象属性(Attributes) ;控制对象的 可见性(Visibility)等。复制功能可以沿坐标轴、线或对称面复制对象。 Reshape 修改物体的形状。包括对选中的物体进行按比例大小缩放(Scale Selection) ;对定 义圆弧的线段数进行重新设置(Edge-Number of Segments) (在画圆弧时已进行了定 义) 。圆弧线段的长度应小于有限元网格相应边界单元的边长,否则会带来较大的计算 误差。 Boolean 不同物体之间的运算,包括合并(Union) 、相减(Subtract) (如形成一个圆环可 以通过两个圆相减得到) 、相交(Intersect)等操作。 Arrange 模型排列,包括移动(Move) ,旋转(Rotate) ,镜像(Mirror) ,同时可以重新定 义模型尺度,即变换模型大小。 Object 选择物体模型绘制类型,包括:直线或折线(Polyline,双击鼠标结束画线) 、圆 弧(Arc) 、由点定义的光滑曲线(Spline) 、矩形(Rectangle) 、圆(Circle) 。

Model 模型绘制参数设置与调整,包括距离测量(Measure) 、绘图量纲(Drawing Units) 、 绘图板大小定义(Drawing Sizes) 、画笔捕捉设定(Snapto Mode) 、颜色与文字大小默 认值设定(Defaults) 。 Window 绘图窗口显示与坐标处理等,包括显示缩放(Change View - Zoom in, out) 、坐标 平移或旋转 (Coordinate System) 绘图界面网格设置 、 (Grid) 填充封闭区域 、 (Fill Solids) 。 Help 提供在线帮助。 2.3.2 板面快捷工具功能介绍 工具条 图 6 为快捷工具条的图标,从左到右依次为:画折线或直线、顺时针弧线、逆时 针弧线、光滑曲线、写文字标记、绘制矩形、圆;物体平移、物体旋转、删除选择的 物体、 取消选择、 设置颜色、 物体属性(包括显示物体的端点和给物体定位) 、测量(包 括显示所选两点的坐标与距离,两点连线与水平线的夹角) 、放大、缩小、适应(使显 示平面与物体大小适应) 、坐标平移、坐标旋转。

图 6 快捷工具条 绘图区 绘图区是绘制物体的区域。可以利用 Window 命令项中的 Cascade-Subwindows 选 项打开多个绘图区窗口。可以调整这些窗口的位置和布局,也可以对每个窗口进行放 大或缩小等操作,而其他窗口中的物体保持不变,此功能可以用来从不同的视角观察 绘图区域,例如可以在一个窗口上放大局部区域观察细节,而另一个观察整体。 状态栏 状态栏位于模型绘制面板的底部,显示鼠标所在位置的坐标值,其主要用途是在 建模工程中直接输入坐标或几何尺寸,这是建模的一个常用的办法。因为用鼠标建模 不易获得准确坐标数据。若要在数据栏中输入坐标时,应将鼠标移出绘图区域,否则 移动鼠标时会更改数据栏中的数据。注意数据输入后按 Enter 健生效。 信息栏 信息栏位于“状态栏”的上面,用来提示应进行的操作或显示鼠标功能。例如, 点击建立矩形区域命令后,信息栏显示:MOUSE LEFT: Select first corner point of rectangle(按鼠标左健选择(确定)矩形的第一个角点) MOUSE RIGHT: Abort , command(按鼠标右健中断当前命令) 。注意:按鼠标右健中断命令功能会经常用到。

若在 U、V(X、Y)数据栏中输入数据后按 Enter 健,信息栏显示:MOUSE LEFT: Select second corner point of rectangle (选择矩形的第二个角点) ,此时在 dU、dV 数据 栏中输入矩形的宽和高按 Enter 健便可建立矩形。 2.3.3 绘图时的注意事项 用鼠标在绘图区直接建模的时候,所有的线条都是对齐到网格的。所以要想有细 微的操作必须缩小网格。在 WINDOW\GRID 中更改网格密度。在修改过程中,如果出 现图 7 所示的问题。

图 7 网格太小错误

必须用 拉选择

将画图区域放大才可以将网格密度改小。

画图时物体的选择必须是鼠标单击选择一个或同时选择几个物体。不能用鼠标拖 2.3.4 建模的基本操作程序小结 (1) 选择 Model/Drawing Plane 命令,设置模型的绘制平面。选项中包括 XY Plane 和 RZ Plane. (2) 选择 Model/Drawing Size 重新定义模型区域的大小。 (3) 选择 Model/Drawing Units 来定义模型所用的单位。 (4) 创建模型。建议通过画直线和圆弧来完成场域边界的建立。 (5) 需要的时候,利用 Edit,Reshape 和 Arrange 菜单命令修改你所建立的模型。 (6) 在建立模型的过程中也可以调用 Window 菜单命令新建子面板, 用于模型细节或 其他方面的建模。 (7) 保存所建立的模型,退出模型绘制面板。

2.4 设定模型材料属性(Setup Materials)
2.4.1 界面介绍 模型材料界面分为 4 块(如图 8 所示) ,左上部为物体(object)和已定义的材料名 (Material)列表。尚未定义的材料名为 UNASSIGNED,场域背景(Background)默认设定 材料为真空(Vacuum)。左下部分为 Ansoft 给定的或用户加入的材料库(Material),右上 部分为模型图,右下部分为材料的具体参数。

2.4.2 设置材料属性 1.若材料库中存在所需材料,则从物体列表中选中一个物体,然后从材料库中选择所 需材料,最后点击“Assign”即可完成该物体的材料属性设定。 2.若材料库中不存在所需材料,则需要先填加新材料到材料库,然后再设定物体的材 料属性。填加新材料到材料库中的步骤如下。 (1) 选择 Material 中的 Add (2) 在 Material Properties 下面的文本框内填入材料名。 (3) 如果需要, 可选择材料名文本框下面的 Perfect Conductor (良导体) Anisotropic , Material(各向异性材料)或 B-H Nonlinear Material(非线性磁材料) 。 (4) 在材料属性参数栏中输入具体的材料属性值,包括 Rel. Permittivity (相对介电 常数),Conductivity (电导率),Elec. Coercivity (电矫顽力),Elec. Retentivity (电 记忆力),Polarization (电极化强度)。对磁场计算还有 Rel. Permeability 相对磁 导 率 , Magnetic Coercivity 磁 矫 顽 力 , Magnetic Retentivity 磁 记 忆 力 , Magnetization 磁化强度。 (5) 对非线性材料,点击 B-H Curve 按钮,定义材料的 B-H 曲线。 (6) 对于材料的属性,也可以用函数的方法赋值,具体做法是点击 Functions 按钮, 在弹处的对话框中输入函数的名称和表达式,然后在属性赋值时,利用函数名 称赋值。 (7) 材料性质设定后,点击 Enter。

图 8 模型材料定义界面

2.4.3 排除物体 有些情况下,可能让一些物体不参加计算,这时,就可以利用排除该物体来实现 该目的。一种典型的情况是,对于一个闭合的场域问题(如由第一类边界包围的一个 电场区域)背景可以不参加计算,这时就可以利用排除背景来实现。具体做法为:选 择要排除的物体,点击 Exclude。可 Include 来恢复物体。

2.5 设定边界条件和激励源(Setup Boundaries/Sources)
2.5.1 界面介绍 边界条件和激励源的界面如图 9 所示,左侧为已经设定的边界激励条件(第一次 打开时为空) ,右部上方为场域模型,用来配合选择边界或物体,右下方为设定边界或 激励源的赋值区域。

图 9 边界条件和激励源设定

2.5.2 基本操作步骤 1. 选择要赋值的边界或物体,方法:点击 Edit/Select/Edge(Object/By Clicking) ,然后 鼠标变为一个黑色箭头,用鼠标点击选择边界(或物体) 。按鼠标右键则退出选择 模式。 2. 选择要加载边界条件还是激励源,方法:点击 Assign/Boundary/Value 设置边界值、 Boundary/Symmetry 设置对称边界值、Boundary/Balloon 设置开域场边界,Assign/ Source/Solid 设置激励源 (电荷或电流) Symmetry 设置对称边界值分为奇对称(Odd) 。 和偶对称(Even)。奇对称可理解为对称边界两侧场源异号,对电场问题对称边为零 电位线,磁场问题为一条磁力线;偶对称为同号源,电场问题为电位的法向导数或 电场强度的法向分量为零,磁场问题为磁场强度的切向为零或磁力线垂直于对称边

界。对于图示的磁场问题,设定上面磁芯的四个绕组的电流分别为-8A、8A、8A、 -8A ,下面磁芯的四个绕组的电流分别为 0A、0A、0A、0A。虽然下面的绕组设置 电流为 0,但不能不设置电流,否则会得到错误的结果。 3. 键入边界或激励数值。也可以用函数赋值,具体做法与上面讲到的用函数设定模型 材料属性的方法类似。 4. 点击 Assign 保存设置并退出。然后点击 File/Exit/Yes 退出界面。 2.5.3 几点说明 1. 当完成物体选择后,注意让光标在场域内点击右键退出/完成选择步骤。 2. 对 于 包 含 在 其 他 物 体 内 部 的 物 体 , 用 鼠 标 点 击 不 能 进 行 选 择 时 , 可 以 利 用 Edit/Visibility 隐藏外面的物体,然后再选择;但最好是利用物体的名称(By Name) 进行选择。 3. 对于背景(Background),也可以和其他物体一样处理,可以单独选择它的各个边 (Edge),也可以作为整体(Object)选择,根据不同的情况加载不同的边界条件。 4. 要想改变已设定过的边界或物体,应先删除原来的设定,即在界面左侧的列表中选 中物体名然后按 Del 键。

2.6 设定求解参数(Setup Executive Parameters)
该步骤用来完成以下几个集总参数的求解设定。 1. 施加在一个物体或一组物体上的电磁力 (Force)。 2. 施加在一个物体或一组物体上的力矩 (Torque)。 3. 电容、电感、电阻值,对于多个物体给出分布参数矩阵(Matrix)。 4. 铁心损耗 (Core Loss) 5. 磁链 (Flux Lines) 设定方法或过程为: 首先点击 Setup Executive Parameters 下相应的参数项进入设定 面板,然后选择所要计算的物体。例如,若模型中有 5 个物体,想要计算所有物体间 的电容,则应全部选定,也可仅选其中的 2 个物体计算一个电容值。对于力(力矩) 计算,可以直接选择物体计算各物体的受力(力矩) ,也可以先创建一个 group,然后 选择此 group 包含的物体,以实现合力(力矩)的计算。选择一个物体后要按右下角 的 Include Selected Objects: Yes,然后物体列表中的名字后变为 Yes。

2.7 设定求解选项(Setup Solution Options)
该部分可以设置网格剖分、方程求解精度和求解方法等。Ansoft 具有网格自适应 功能,这是该软件的一大优点,自适应技术可以实现网格单元的合理分布,从而可以 提高计算精度。自适应网格细分是一个迭代过程,程序先生成一个单元较少的初始 (Initial)网格,然后计算场量,根据场量分布细分一些区域的网格,然后再计算场,依 次循环。该部分的具体内容如下。

1. Starting Mesh: 自适应迭代过程的起始网格。该选项的第一部分为设置迭代过程是 从初始网格开始(Initial),还是从已经迭代计算过的当前网格开始(Current)。很显然, 设置为 Current 是在上次已计算结果的基础上继续迭待,这样可以节省时间。顺便 指出,在迭代过程中用户可以终止计算,程序将保存当前结果,即亦可以得到计算 结果。该选项的第二部分为人工网格处理(Manual Mesh),点击该项后进入网格处理 界面,其中最常用的功能是网格细分(Refine),利用该命令可以实现点(Point)、面 (Area)、物体(Object)的网格细分,选择 Point 后光标变为十字,然后按左键便细分 光标附近的网格,按 Area 后光标也变为十字,按一下左键后拖拉鼠标到一个位置 再按一次左键定义一个矩形区域,区域内的网格将被细分。 2. Solver Residual: 方程求解器余量误差控制,一般利用默认值 1e-5 即可。 3. Solver Choice: 求解器计算方法选择,一般选自动(Auto)方式即可。 4. Solve for: 求解目的。计算场 Fields,计算参数 Parameters(上一步设定求解参数时 所设定的内容,如电容,电感,电阻,力,力矩等) 。 5. 是否要利用自适应技术,若是则选中 Adaptive Analysis。然后要设定每部细分百分 数或每步约增加的单元百分数(Percent refinement per pass),一般设定 30%为亦;设 定自适应迭代终止判据或控制参量(Stopping Criterion),要求的总步数(Number of required passes)和误差百分数(Percent error)。 该误差只是相邻两次迭代的总能量计算 误差,并不表示场量的计算误差。一般应设定一个较下的数值(如 0.1) ,然后有迭 代次数控制终止,因次数和误差只要一个条件满足程序就会停止。步数开始可选侧 1,待通过后处理判断结果正确后再分几次逐渐增加步数,以免一次定义步数太多 而需要太长的计算时间。

2.8 求解(Solve)
对上述内容设定完毕后就可以进行求解,在求解过程中,点击 abort 按钮,可以强 行推出求解过程。当然如果前面的设置有错误的话,求解将不能正常完成。 选择右上角的 Profile 按钮,在 Command/Info 窗口中显示求解到每一步的信息; 点击右上角的 Convergence(收敛)按钮,可以观察每一个求解步长的信息,包括剖分 单元数,总能量值和能量误差;点击右上角的 Solutions 及其内部的相应项(如 Force), 可以显示相应量的求解收敛情况。 2.9 后处理(Post Process) 求解完成后,点击 Post Process 进入结果输出、图形显示和分析界面。这里仅介绍 最常用的一些功能。 在进入后处理界面后,选择 Plot 菜单的 Mesh 选项,可以绘制计算过程中的网格 剖分情况,了解剖分单元的分布。但显示网格之前一定要选择要显示的部分,具体要 通过 Edit/Select 来选择。

选择 Plot 菜单的 Field 选项进行结果场图的绘制,此时会弹出一个 Create New Plot 的界面(如下图所示为电场问题的界面) ,界面从左到右分成三个部分,第一个部分是 绘制的场量(Plot Quantity),包括磁力线 Flux Lines、磁感应强度 mag B、磁场强度 mag H、电流密度分布 mag J 等等;第二部分是绘制的区域,包括点(Point)、线(Line)和面 (Surface);第三部分是绘制区所属的范围。在每项中都选择一个项目后可按 OK 键。图 11 是磁力线的分布情况。图 12 是磁密分布情况。

图 10 后处理 plot 界面

图 11 磁力线分布

图 12 磁密分布


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