工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析(概述)

工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析（0）華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系陳德智2007.11推薦教材或參考書顏威利.電氣工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析.機(jī)械工業(yè)出版社,2006湯蘊(yùn)璆.電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng).科學(xué)出版社,1998周克定.工程電磁場(chǎng)專論.華中工學(xué)院出版社,1986倪光正.工程電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算.機(jī)械工業(yè)出版社,2004金建銘.電磁場(chǎng)有限元方法.西安電子科技大學(xué)出版社,1998劉圣民.電磁場(chǎng)的數(shù)值方法.華中理工大學(xué)出版社,1991推薦教材或參考書章本照.流體力學(xué)數(shù)值方法.機(jī)械工業(yè)出版社,2003閻照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解.中國(guó)水利水電出版社,2006孫明禮.ANSYS10.0電磁學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程.機(jī)械工業(yè)出版社,2006劉國(guó)強(qiáng).ANSOFT工程電磁場(chǎng)有限元分析.電子工業(yè)出版社,2005第0章緒論為什么要做電磁場(chǎng)的分析電磁場(chǎng)分析所要解決的問題電磁場(chǎng)分析的主要方法電磁場(chǎng)數(shù)值方法的現(xiàn)狀和趨勢(shì)本課程的內(nèi)容與定位1.為什么要做電磁場(chǎng)的分析電磁現(xiàn)象的兩種分析方法：電磁場(chǎng)與電路感應(yīng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)差下的磁通分布1.為什么要做電磁場(chǎng)的分析路與場(chǎng)分析的是同一種對(duì)象。路采用集成參數(shù)化方法，簡(jiǎn)單，近似。場(chǎng)是分布式的，復(fù)雜，但是更加本質(zhì)，給出更多更加真實(shí)的信息，揭示問題的實(shí)質(zhì)。場(chǎng)是路的基礎(chǔ)，路是從場(chǎng)中抽象出來的。借助于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，路的做法很多時(shí)候也很有效；但實(shí)際上是一種不得已的做法。1.為什么要做電磁場(chǎng)的分析很多時(shí)候必須知道場(chǎng)的分布，并對(duì)之加以控制。1.為什么要做電磁場(chǎng)的分析傳統(tǒng)的電機(jī)也許已積累了充分的經(jīng)驗(yàn)，但即便如此，想比別人出色一點(diǎn)，就離不開場(chǎng)的研究。各種新型電磁裝置的設(shè)計(jì)都離不開場(chǎng)的分析。

新型電機(jī)包括其控制，完全是個(gè)場(chǎng)的問題。沒有場(chǎng)的概念，是不可能的。——馬志源電磁兼容問題、集成電路設(shè)計(jì)、雷達(dá)與隱身問題、核磁診斷，等等都離不開場(chǎng)的分析與計(jì)算。場(chǎng)的計(jì)算還是認(rèn)識(shí)復(fù)雜電磁現(xiàn)象的幾乎唯一的技術(shù)途徑?；匦铀倨鞔盆F的三維有限元分析1.為什么要做電磁場(chǎng)的分析2.電磁場(chǎng)分析所要解決的問題電磁場(chǎng)的正問題： 給定場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域，各區(qū)域材料的組成和特性，以及激勵(lì)源的特性，求場(chǎng)域中場(chǎng)量隨時(shí)間、空間分布的規(guī)律。（由源求場(chǎng)）工程問題物理模型數(shù)學(xué)模型求解方法結(jié)果分析2.電磁場(chǎng)分析所要解決的問題電磁場(chǎng)的逆問題： 給定電磁裝置理想的性能指標(biāo)或參數(shù)、場(chǎng)型分布等，通過對(duì)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。實(shí)際上就是電磁裝置的綜合設(shè)計(jì)問題。（由場(chǎng)溯源）

逆問題的求解一般都是將其化為一系列的正問題，通過某種優(yōu)化算法，不斷的修正源（包括邊界條件、介質(zhì)等）的分布，逐漸逼近所需要的場(chǎng)。逆問題的求解過程3.電磁場(chǎng)分析的主要方法作圖法：定性分析，粗糙實(shí)驗(yàn)法：成本高昂，有時(shí)無法實(shí)現(xiàn)

實(shí)測(cè)法 模擬法計(jì)算法： 解析法 數(shù)值法電磁場(chǎng)問題研究方法計(jì)算法實(shí)驗(yàn)法作圖法解析法數(shù)值法實(shí)測(cè)法模擬法定性定量積分法分離變量法鏡像法、電軸法微分方程法保角變換法有限差分法有限元法邊界元法矩量法模擬電荷法數(shù)學(xué)模擬法物理模擬法

分離變量法、格林函數(shù)法、積分變換法等。解析法：求解偏微分方程的經(jīng)典方法

主要優(yōu)點(diǎn)：解是精確的；具有一定的普適性，當(dāng)問題中的某些參數(shù)變化時(shí)不必重新求解；具有明確的解析表達(dá)式，能夠反映參數(shù)之間的依賴關(guān)系；解連續(xù)可微。

主要缺點(diǎn)：適用的范圍非常有限，僅有極少數(shù)的問題可以直接求解。解析法主要用于理論分析，獲取簡(jiǎn)單、但具有典型意義問題的解答，建立概念，得到定性理解。數(shù)值法的基本思想是，把求解的場(chǎng)域劃分成許多細(xì)小的網(wǎng)格（剖分），網(wǎng)格與網(wǎng)格之間通過網(wǎng)格邊邊界和節(jié)點(diǎn)連結(jié)在一起。以節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)量值（或位函數(shù)值）為待求未知量，根據(jù)函數(shù)滿足的微分方程確定節(jié)點(diǎn)未知場(chǎng)量之間的關(guān)系，這種關(guān)系用代數(shù)方程來描述。每個(gè)未知量建立一個(gè)代數(shù)方程，所有的代數(shù)方程聯(lián)立得到代數(shù)方程組，求解得到節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值。只要節(jié)點(diǎn)足夠密，這些節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值就能很好的反映場(chǎng)的分布（離散解）。數(shù)值法（離散法）：三要素網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代數(shù)方程組主要步驟：

場(chǎng)域離散方程離散解方程組后處理數(shù)值法（離散法）代表方法：有限差分法、有限元法數(shù)值法：

主要優(yōu)點(diǎn)：適用的范圍廣泛，原則上可以求解任何問題。缺點(diǎn)是：計(jì)算量大，因此數(shù)值法的發(fā)展是與高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展的。當(dāng)今科學(xué)中，科學(xué)計(jì)算被認(rèn)為是與科學(xué)理論和科學(xué)實(shí)驗(yàn)并列的三種基本科學(xué)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從天氣預(yù)報(bào)到導(dǎo)彈發(fā)射、到飛機(jī)設(shè)計(jì)，幾乎所有領(lǐng)域問題的解決都離不開數(shù)值計(jì)算方法。在電磁場(chǎng)領(lǐng)域，電磁場(chǎng)數(shù)值分析技術(shù)已經(jīng)成為解決工程實(shí)際問題的主要手段。

3.電磁場(chǎng)數(shù)值方法的現(xiàn)狀和趨勢(shì)數(shù)值法的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不可分離；目前已開發(fā)出大量的商用軟件，可以滿足工程電磁場(chǎng)分析的部分要求；新的問題仍然存在，新的方法仍在不斷提出；目前的難點(diǎn)和熱點(diǎn)：多物理場(chǎng)的耦合問題；逆問題；并行計(jì)算方法；新材料、新領(lǐng)域4.本課程的定位與內(nèi)容兼顧基礎(chǔ)性和實(shí)用性

（1）專門從事電磁場(chǎng)分析的研究； （2）利用電磁場(chǎng)分析技術(shù)解決工程問題。使用商用軟件解決工程電磁場(chǎng)問題熟悉電磁場(chǎng)的基本概念：

確定分析模型； 解讀分析結(jié)果，尋找有用信息了解算法的一般原理和思想：

用最少的計(jì)算資源得到最好的結(jié)果5.本課程的定位與內(nèi)容強(qiáng)調(diào)電磁場(chǎng)的物理概念如何建模如何分析、解讀結(jié)果算法的基本原理不過多關(guān)注程序不太多涉及軟件以有限元方法為主也介紹其他方法，以擴(kuò)大眼界必