GUI操作：工程电磁场仿真与应用

1.设定工作环境

（1）设定图形界面的使用偏好。选择路径“Main Menu”→“Preferences”，弹出Preferences for GUI Filtering 对话框，选择“Electric”（见图3-22），这样可以过滤不需要的图形工作菜单，简化后续操作。

图3-22　设定使用偏好

（2）设定标题。选择路径“Utility Menu”→“File”→“Change Title”，弹出的对话框中输入“MAGNETIC FIELD FROM A SQUARE CURRENT LOOP”（见图3-23），单击“OK”按钮。

图3-23　设定标题

2.定义模型参数

（1）定义单元类型。单元（Element）是ANSYS 进行有限元计算使用的模型类型，可以根据维度分为点、线、面等各种维度的单元，也可以根据分析类型分为适用于结构场、热场、电场或磁场等的单元。设定好单元后，要选定单元引用号（Element Type reference numbe），后续分析中将使用此编号来选定单元。选择路径“Main Menu”→“Preprocessor”→“ElementType”→“Add/Edit/Delete”，弹出Element Types 单元类型对话框，对话框开始显示“NONE DEFINED”（见图3-24），单击“Add…”按钮，弹出Library of Element Types单元类型库对话框（见图3-25），在此对话框左边栏中选择“Elec Conduction”，右边滚动栏中选择“3D Line 68”，对话框下面的“Element Type reference number”保持默认值1不变。单击“OK”按钮，定义了一个LINK68 单元，且其单元引用号为1（见图3-26）。最后单击“Close”按钮，关闭单元类型对话框。

图3-24　单元类型对话框

图3-25　单元类型库对话框

图3-26　定义的“LINK68”单元

（2）定义材料属性。定义方形线圈的电阻，为简化分析，假设电阻为线性，与温度无关。材料编号（Material Model Number）为“1”。选择路径“Main Menu”→“Preprocessor”→“MaterialProps”→“Material Models”，弹出Define Material Model Behavior 定义材料模型性质对话框（见图3-27）。右边栏中双击“Electromagnetics”→“Resistivity”→“Constant”，弹出Resistivity for Material Number 1 对话框定义材料的电阻（见图3-28）。在“RSVX”输入框中输入“4.0E-8”，单击“OK”按钮。单击“Material”→“Exit”退出（见图3-29）。

图3-27　定义材料模型性质对话框

图3-28　定义材料的电阻

图3-29　完成定义材料模型性质

（3）定义导线横截面积是常数。因为在求解过程中不需要导线的横截面积，所以可以输入任意设定，这里设为“1.0”。实常数编号设定为“1”。选择路径“Main Menu”→“Preprocessor”→“RealConstants”→“Add/Edit/Delete”，出现“Real Constants”实常数对话框（见图3-30），对话框开始显示“NONE DEFINED”，单击“Add…”按钮，出现“Element Types for Real Constants”实常数单元对话框（见图3-31），在对话框中显示“Type 1 LINK68”，选择此单元，单击“OK”按钮，出现“Real Constants Set Number 1，for LINK68”实常数编号1，LINK68 对话框（见图3-32）。在“Cross-sectional area”横截面输入栏中输入“1”，单击“OK”按钮，回到“Real Constants”实常数对话框，列出常数组1（见图3-33）。

图3-30　实常数对话框

图3-31　实常数单元对话框

图3-32　实常数编号1，LINK68 对话框

图3-33　列出常数组1

单击“Close”退出窗口。

3.建立模型

问题模型简单，所以采用自下而上的节点建模方法即可，直接使用节点建模，不需要再划分网格。

注意：之后采用自上而下的实体建模方法建模是需要划分网格的。

（1）创建节点单元。

创建节点方法“Main Menu”→“Preprocessor”→“Modeling”→“Create”→“Nodes”→“In Active CS”，弹出“Create Nodes in Active Coordinate System”当前坐标系下建立节点对话框（见图3-34），在“Node Number”栏中输入“1”。“Location in active CS”保持空白，则系统默认其中填写坐标值为（0，0，0）。因为不需要选装，所以“Rotation angles（degree）”不填。完成后，因为要继续创建其他节点，所以单击“Apply”按钮确定，这样此对话框仍然处于打开状态，如果单击“OK”按钮，此对话框将会关闭。节点2～6的创建方法如图3-35～图3-39所示。创建完节点6 后，单击“OK”按钮保存设置并关闭此对话框。

图3-34　建立节点1

图3-35　建立节点2

图3-36　建立节点3

图3-37　建立节点4

图3-38　建立节点5

图3-39　建立节点6

（2）改变视角。

因为现在的视角方向限制，不利于模型的观看（见图3-40），所以读者可以改变视角方向。选择路径“Utility Menu”→“PlotCtrls”→“Pan Zoom Rotate”，弹出移动、缩放和旋转设置框（见图3-41），单击视角方向“iso”或者“Obliq”分别在（1，1，1）和（1，2，3）方向上观察模型。结果分别如图3-42 和图3-43所示。也可以使用ANSYS 右侧的图形控制按钮来设定视角（见图3-44）。

图3-40　没有改变视角时的模型

图3-41　移动、缩放和旋转设置框

图3-42　视角方向“iso”

图3-43　视角方向“Obliq”

图3-44　图形控制按钮来设定视角

（3）创建导线单元。

导线单元连接节点。导线单元采用上面已建立的材料、单元来建立。选择路径“Main Menu”→“Preprocessor”→“Modeling”→“Create”→“Elements”→“AutoNumbered”→“Thru Nodes”，弹出节点拾取框（见图3-45），确保拾取状态是“Pick”，然后在图形界面上选取节点1 和节点2，或者选择“List of Items”，直接在其中的输入框中输入“1，2”，单击“Apply”按钮完成，然后用同样方法建立连接其他节点的导线。

当建立完第一条导线后，也可以采用复制单元的方法来建立其他导线。选择路径“Main Menu”→“Preprocessor”→“Modeling”→“Copy”→“Elements”→“Auto Numbered”，弹出单元拾取框，在图形界面上拾取单元1，单击“OK”按钮，或者在输入框中输入“1”（见图3-46）。弹出“Copy Elements （Automatically-Numbered）”复制单元对话框（见图3-47），在“Total number of copies”输入栏中输入“4”，单击“OK”按钮，得到如图3-48所示模型。

(www.xing528.com)

图3-45　节点拾取框

图3-46　单元拾取框

图3-47　复制单元对话框

图3-48　导线单元模型

4.施加载荷

（1）施加电压。选择路径“Main Menu”→“Solution”→“DefineLoads”→“Apply”→“Electric”→“Boundary”→“Voltage”→“On Nodes”，弹出节点拾取框，在图形界面上拾取节点5，或者可以直接在拾取框中输入“5”（见图3-49），单击“OK”按钮，弹出“Apply Voltage On nodes”施加节点电压对话框（见图3-50）在“Load VOLT value”输入栏中输入“0”，单击“OK”按钮，由此可以给节点5 施加0 V 电压。

图3-49　节点拾取框

图3-50　施加节点电压

（2）施加电流。

选择路径“Main Menu”→“Solution”→“Define Loads”→“Apply”→“Electric”→“Excitation”→“Current”→“On Nodes”，弹出节点拾取框，在图形界面上拾取节点1，或者直接在拾取框的输入栏中输入“1”。单击“OK”按钮，弹出“Apply AMPS On nodes”给节点施加电流对话框，在“Load AMPS value”输入栏中输入“7.5”，单击“OK”按钮，由此可以给节点1 施加7.5 A 的电流载荷（见图3-51）。

图3-51　施加节点电流

（3）数据库和结果文件输出控制。

选择路径“Main Menu”→“Solution”→“Load Step Opts”→“OutputCtrls”→“DB/Results File”，弹出“Controls for Database and Results File Writing”数据库和结果文件输出控制对话框（见图3-52）。在“Item to be controlled”后的下拉菜单中选择“Element solution”，检出并确认在“File write frequency”下面的单选框中选择了“Last substep”，单击“OK”按钮，把最后一步的单元求解结果写到数据库中。

图3-52　数据库和结果文件输出控制对话框

5.求解

首先求解计算导线环中的电流分布，然后使用BIOT 命令计算由电流场产生的磁场。

（1）计算导线环中的电流分布。

选择路径“Main Menu”→“Solution”→“Solve”→“Current LS”，弹出一个状态显示窗口（见图3-53）和“Solve Current Load Step”求解当前载荷步对话框（见图3-54）。确认后，单击求解对话框“OK”按钮开始求解，直到提示“Solution is done”求解结束。

图3-53　状态显示窗口

图3-54　求解当前载荷步对话框

（2）计算由电流场产生的磁场。

在命令输入窗口输入“biot，new”，按回车后确认求解比奥-萨法尔磁场积分。

6.查看计算结果

（1）查看节点6 磁场强度。

因为磁场强度是矢量，所以ANSYS 分别用X，Y，Z 三个方向的值来表达该矢量。选择路径“Utility Menu”→“Parameters”→“Get Scalar Data”，弹出“Get Scalar Data”获取标量数据对话框（见图3-55），在左边选取栏中选择“Results data”，在右边选择“Nodal results”，单击“OK”按钮，弹出“Get Nodal Results Data”获得节点结果数据对话框（见图3-56）。在“Name of parameter to be defined”所定义参数名称栏中输入“hx”，在“Node number N”中输入“6”，即获得节点6 的数据。在“Results data to be retrieved”后面的栏中，左侧栏选择“Fluxgradient”，右侧栏选择“Mag source HSX”，单击“Apply”按钮，即将节点6 由电流环产生的磁场的X 方向的磁场强度HSX 赋给了定义的参数“hx”。同样方法获得节点6 由电流环产生的磁场的Y 和Z 方向的磁场强度HSY 和HSZ，并将它们分别赋给定义的参数“hy”和“hz”。

图3-55　获取标量数据对话框

图3-56　获得节点结果数据对话框

（2）定义真空磁导率和磁通密度。

因为，ANSYS 中没有现成的命令可以直接得到由电磁感应产生的磁场的磁通密度，所以用户需要先定义真空中的磁导率，然后由计算得到磁通密度。选择路径“Utility Menu”→“Parameters”→“Scalar parameters”，弹出“Scalar Parameters”标量参数对话框，在“Selection”输入栏输入MUZRO=1.25664E-6（真空磁导率），单击“Accept”按钮，然后在“Selection”输入栏依次输入：

单击“Accept”按钮确认，单击“Close”按钮关闭，其输入参数如图3-57所示。

图3-57　标量参数对话框

（3）查看所有参数选择路径“Utility Menu”→“List”→“Status”→“Parameters”→“All Parameters”，如图3-58所示。

图3-58　所有参数列表

（4）对比理论值与ANSYS 的计算值。

定义数组选择路径“Utility Menu”→“Parameters”→“Arrayparameters”→“Defiine/Edit”，弹出“Array Parameters”数组参数对话框（见图3-59），单击“Add…”按钮弹出“Add New Array Parameter”增加新数组参数对话框，在“Parameter name”输入栏输入“LABEL”，“Parameter type”后面单选框选择“Character Array”，“No.of rows，cols，planes”后面三个输入栏中分别输入“3，2，0”，单击“Apply”按钮。这样就定义了一个名为LABEL的三行两列的字符数组（见图3-60）。

图3-59　数组参数对话框

图3-60　定义LABEL 数组

用同样方法定义一个三行三列数组“VALUE”（见图3-61）。完成后，“Array Parameters”对话框显示如图3-62所示。

然后给数组赋值，即把理论值、计算值和比率赋值给一般数组，把文字标识赋值给字符数组。这部分操作很多不能通过GUI 完成，所以，只能使用命令流形式，而且还有部分命令甚至不能通过命令窗口输入，所以，用户最好通过session editor 输入。

图3-61　定义VALUE 数组

图3-62　数组参数对话框

EX1.vrt 内容如下：