ANSYS電場分析教程

ANSYS電場分析指南

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靜電場分析（h方法）

14.1什么是靜電場分析

靜電場分析用以確定由電荷分布或外加電勢所產(chǎn)生的電場和電場標量位（電壓）分布。該分析能加

二種形式的載荷：電壓和電荷密度。

靜電場分析是假定為線性的，電場正比于所加電壓。

靜電場分析可以使用兩種方法：h方法和p方法。本章討論傳統(tǒng)的h方法.下一章討論p方法.

14.2h方法靜電場分析中所用單元

h方法靜電分析使用如下ANSYS單元：

表1.二維實體單元

單元維數(shù)形狀或特征自由度

PLANE1212-D四邊形，8節(jié)點每個節(jié)點上的電壓

表2.三維實體單元

單元維數(shù)形狀或特征自由度

SOUD1223-D磚形（六面體），20節(jié)點每個節(jié)點上的電壓

SOLID1233-D磚形（六面體），20節(jié)點每個節(jié)點上的電壓

表3.特殊單元

單元維數(shù)形狀或特征自由度

無（超單取決于構(gòu)成本單元的

MATRIX50取決于構(gòu)成本單元的單元類型

元）單元

每個藝點1個；磁矢量位，溫

INFIN1102-D4或8節(jié)點

度，或電位

六面體，8或20節(jié)AX、AY、AZ磁矢勢，溫度，電

INFIN1113-D

點勢，或磁標量勢

INFIN92-D平面，無界，2節(jié)點AZ磁矢勢，溫度

四邊形4節(jié)點或三角

INFIN473-DAZ磁天勢，溫度

形3節(jié)點

14.3h方法靜電場分析的步驟

靜電場分析過程由三個主要步驟組成：

1.建模

2加載和求解

3.觀察結(jié)果

14.3.1建模

定義工作名和標題：

命令:/FILNAME,/TITLE

GUI:UtilityMenu>File>ChangeJobname

UtilityMenu>File>ChangeTitle

如果是GUI方式，設(shè)置分析參考框：

GUI:MainMenu〉Preferences〉日ectromagnetics:日ectric

設(shè)置為Electric,以確保電場分析所需的單元能顯示出來。之后就可以使用ANSYS前處理器來建立

模型，其過程與其它分析類似，詳見《ANSYS建模和分網(wǎng)指南》.

對于靜電分析，必須定義材料的介電常數(shù)（PERX）,它可能與溫度有關(guān)，可能是各向同性，也可能

是各向異性。

對于微機電系統(tǒng)（MEMS）,最好能更方便地設(shè)置單位制，因為一些部件只有幾微米大小.詳見下面

MKS制到pMKSV制電參數(shù)換算系數(shù)和MKS制到pMSVfA制電參數(shù)換算系數(shù)表

表4.MKS制到I1MKSV制電參數(shù)換算系數(shù)表

電參數(shù)MKS制量綱乘數(shù)RMKSV制量綱

電壓V(kg)(m)2/(A)(s)31V(kg)(pm)2/(pA)(s)3

電流AA1012PAPA

電荷C(A)⑸1012pC(pA)(s)

導電率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3106pS/nm(pA)2(s)3/(kg)(|im)3

電阻率Qm(kg)(m)3/(A)2(s)310-6TOpim(kg)@m)3/(pA)2(s)3

介電常數(shù)1F/m(A)2(s)”(kg)(m)3106pF/pm(pA)2(s)2/(kg)(|jm)3

能量J(kg)(m)2/(s)21012PJ(kg)(|im)2/(s)2

電容F(A)2(s)”(kg)(m)21012pF(pA)2(s)4/(kg)(nm)2

電場V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/|im(kg)(nm)/(s)3(pA)

2

通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)21pC/(nm)(pA)(s)/(Pm)2

自由空間介電常數(shù)等于8.0854E-6pF/Rm

表5.MKS制到pMSVfA制電參數(shù)換算系數(shù)表

電參數(shù)MKS制量綱乘數(shù)UMSVfA制量綱

電壓V(kg)(m)2/(A)(s)31V(g)(pm)2/(fA)(s)3

電流AAIO。fAfA

電荷C(A)⑸1015fc(fA)⑸

導電率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3109fS/pm(fA)2(s)3/(g)@m)3

電阻率Qm(Kg)(m)3/(A)2(s)310-9--(g)(|im)3/(fA)2(s)3

介電常數(shù)F/m(A)2(s)”(kg)(m)3109fF/pm(fA)2(s)2/(g)3m戶

能量J(kg)(m)2/(s)21015fJ(g)(Hm)2/(s)2

招F(A)2(s)4/(kg)(m)210八fF(fA)2(s)V(g)(pm)2

電場V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/pm(g)(Hm)/(s)3(fA)

通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)2103fC/(pm)2(fA)(s)/(|im)2

自由空間介電常數(shù)等于8.0854E-3fF/Rm

14.3.2加威荷和求解

本步定義分析類型和選項、給模型加載、定義載荷步選項和開始求解。

14.3.2.1進入求解處理器

命令:/SOLU

GUI:MainMenu>Solution

14.3.2.2定義分析類型

選擇下列方式之一：

?GUI:選菜單路徑MainMenu>Solution>NewAnalysis并選擇靜態(tài)分析

命令:ANTYPE,STATIC,NEW

?如果你要重新開始一個以前做過的分析（例如，分析附加載荷步），執(zhí)行命令A(yù)NTYPE,

STATIC,REST,重啟動分析的前提條件是：預(yù)先完成了一個靜電分析，且該預(yù)分析的Jobname.

EMAT,Jobname.ESAV和Jobname.DB文件都的。

14.3.2.3定義分析選項

可以選擇波前求解器（缺?。?、預(yù)條件共匏梯度求解器（PCG）、雅可比共奧梯度求解器（JCG）

和不完全喬列斯基共輾梯度求解器（ICCG）之一進行求解：

命令：EQSLV

GUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions

如果選擇JCG求解器或者PCG求解器，還可以定義一個求解器誤差值，缺省為IO%

14.3.2.4加載

靜電分析中的典型載荷類型有：

14.3.2.4.1電壓（VOLT）

該載荷是自由度約束，用以定義在模型邊界上的已知電壓：

命令：D

GUI:MainMenu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-日ectric-Boundary>-Voltage-

14.3.2.4.2電荷空度（CHRG）

命令：F

GUI:MainMenu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-Charge-OnNodes

14.3.2.4.3面電荷密度（CHRGS）

命令：SF

GUI:MainMenu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Excitation-SurfChrgDen-

14.3.2.4.4Maxwell力標志（MXWF）

這并不是真實載荷,只是表示在該表面將計算靜電力分布，MXWF只是一個標志。通常，MXWF

定義在靠近"空氣-電介質(zhì)”交界面的空氣單元面上，ANSYS使用Maxwell應(yīng)力張量法計算力并存儲在

空氣單元中，在通用后處理器中可以進行處理。

命令：FMAGBC

GUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Flag>-MaxwellSurf-option

14.3.2.4.5無限面標志（INF）

這并不是真實載荷，只是表示無限單元的存在JNF僅僅是一個標志.

命令：SF

GUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-日ectric-Flag>-InfiniteSurf-option

分頁

14.3.2.4.6體電荷密度(CHRGD)

命令：BF,BFE

GUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-日ectric-Excitation>-ChargeDensity-option

另外，還可以用命令BFL、BFL.BFV等命令分別把體電荷密度加到實體模型的線、面和體上,

14.3.2.4.7定義載荷步選項

對于靜電分析，可以用其它命令將載荷加到電流傳導分析模型中，也能控制輸出選項和載荷步選項，

詳細信息可參見第16章”分析選項和求解方法"

14.3.2.4.8保存數(shù)據(jù)庫備份

使用ANSYS工具條的SAVE_DB按鈕來保存一個數(shù)據(jù)庫備份.在需要的時候可以恢復(fù)模型數(shù)據(jù)：

命令:RESUME

GUI:UtilityMenu>File>ResumeJobname.db

14.3.2.4.9開始求解

命令：SOLVE

GUI:MainMenu>Solution>CurrentLS

14.3.2.4.10結(jié)束求解

命令：FINISH

GUI:MainMenu>Finish

14.3.3觀察結(jié)果

ANSYS和ANSYS/Emag程闈G靜電分析結(jié)果寫到結(jié)果文件Jobname.RST中，結(jié)果中包括如下數(shù)

據(jù)：

主數(shù)據(jù)：節(jié)點電壓(VOLT)

導出數(shù)據(jù)：

?節(jié)點和單元電場(EFX,EFY,EFZ,EFSUM)

?節(jié)點電通量密度(DX,DY,DZ,DSUM)

?節(jié)點靜電力(FMAG:分量X,Y,Z,SUM)

?節(jié)點感生電流段(CSGX,CSGY,CSGZ)

通常在POST1通用后處理器中觀察分析結(jié)果：

命令:/POST1

GUI:MainMenu>GeneralPostproc

對于整個后處理功能的輻描述，見ANSYS基本分析過程指南。

將所需結(jié)果讀入數(shù)據(jù)庫：

命令:SET”,“TIME

GUI:UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary

如果所定義的時間值處并沒有計算好的結(jié)果，ANSYS將在該時刻進彳談性插值計算.

對于線單元（UNK68）,只能用以下方式得到導出結(jié)果：

命令：ETABLE

GUI:MainMenu>GeneralPostprooElementTable>DefineTable

命令:PLETAB

GUI:MainMenu>GeneralPostprooPlotResults>ElemTable

MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>Plot曰emTable

命令：PRETAB

GUI:MainMenu>GeneralPostprooListResults>ListElemTable

MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>ElemTableData

繪制等值線圖：

命令:PLESOL,PLNSOL

GUI:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ElementSolution

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu

繪制矢量圖：

命令:PLVECT

GUI:MainMenu>GeneralPostprooPlotResults>Predefined

MainMenu>GeneralPostprooPlotResults>UserDefined

以表格的方式顯示數(shù)據(jù)：

命令：PRESOL,PRNSOL,PRRSOL

GUI:MainMenu>GeneralPostprooListResults>ElementSolution

MainMenu>GeneralPostprooListResults>NodalSolution

MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu

P0ST1執(zhí)行許多其他后處理功能，包括按路徑和載荷條件的組合繪制結(jié)果圖。更詳細信息見ANSYS

基本分析過程手冊。

14.4多導體系統(tǒng)提取電容

靜電場分析求解的一個主要參數(shù)就是電容。在多導體系統(tǒng)中，包括求解自電容和互電容，以便在電

路模擬中能定義等效集總電容。CMATRIX宏命令能求得多導體系統(tǒng)自電容和互電容。詳見《ANSYS理

論手冊》5.10節(jié)。

\_Conductors

(ground)

Conductor1Conductor2

圖1三導體系統(tǒng)”更$

14.4.1對地電容和集總電容

有限元仿真計算，可以提取帶(對地)電壓降導體由于電荷堆積形成的"對地"電容矩陣。下面敘

述一個三導體系統(tǒng)(一個導體為地)。方程式中和為電極和上的電荷，5和6分別為電壓

QiQ212

降。

Qi=(Cg)n(Ui)+(Cg)i2(U2)

Q2=(Cg)i2(Ui)+(Cg)22(U2)

\_Conductors

(ground)

Conductor1￡)Conductor2

ISi\I1/12IfFpi

G)H二(⑴這二：

---k--------------

圖2三導體系統(tǒng)等效集總電容r

式中Cg稱作為“對地電容"矩陣。這些對地電容并不表示集總電容(常用于電路分析)，因為它

們不涉及到二個導體之間的電容。使用CMATRIX宏命令能把對地電容矩陣變換成集總電容矩陣，以便用

于電路仿真。

圖2描述了三導體系統(tǒng)的等效集總電容。下面二個方稗§述了感應(yīng)電荷與電壓降之間形成的集總電

容：

Q1=(CI)H(UI)+(CI)12(UI-U2)

Q2=(C1)12(U1—U2)+(C1)22(U2)

式中G稱為"集總電容"的電容矩陣。

分頁

14.4.2步驟

CMATRIX宏命令將進行多元模擬，可求得對地電容矩陣和集總電容矩陣值。為了便于CMATRIX

宏命令使用，必須把導體節(jié)點組成節(jié)點部件，而且不要加任何載荷到模型上(電壓、電荷、電荷密度等

等)?導體節(jié)點的部件名必須包括同樣的前綴名，后綴為數(shù)字，數(shù)字按照1到系統(tǒng)中所含導體數(shù)目進行編

號。最高編號必須為地導體(零電壓).

應(yīng)用CMATRIX宏命令步驟如下：

1.建模和分網(wǎng)格。導體假定為完全導電體，故導電體區(qū)域內(nèi)都不需要進行網(wǎng)格劃分,只需對周圍的

電介質(zhì)區(qū)和空氣區(qū)進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點部件用導體表面的節(jié)點表示。

2.選擇每個導體面上的茫點，組成節(jié)點部件。

命令：CM

GULUtilityMenu>Select>Comp/Assembly>CreateComponent

導體節(jié)點的部件名必須包括同樣的前綴名，后綴為數(shù)字，數(shù)字按照1到系統(tǒng)中所含導體數(shù)目進行編

號。例如圖2中，用前綴"Cond”為三導體系統(tǒng)中的節(jié)點部件命名，分別命名為為"Condi"、

"Cond2"和"Cond3",最后一個部件"Cond3"應(yīng)該為表示地的節(jié)點集。

3.用下列方法之一，進入求解過程：

命令：Solu

GUI:MainMenu>Solution

4.選擇方程求解器(建議用JCG):

命令：EQSLV

GUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions

5.執(zhí)行CMATRIX宏：

命令：CMATRIX

GUI:MainMenu>Soution>日0(1「001己9(101>CapacMatrix

CMATRIX宏要求下列輸入：

?對稱系數(shù)（SYMFAC）:如果模型不對稱，對稱系數(shù)為1（缺省）。如果你利用對稱只建一部分

模型，乘以對稱系數(shù)得到正轆容值。

?節(jié)點部件前綴名（Condname）9定義導體節(jié)點部件名.上例中，前綴名為"Cond"。宏命令

要求字符串前綴名用單引號。因此，本例輸入為‘Cond'，在GUI菜單中，程序會自動處理單引號。

?導體系統(tǒng)中總共的節(jié)點部件數(shù)（NUMCON）,上例中，導體節(jié)點部件總數(shù)為"3"。

?地基準選項（GRNDKEY）.如果模型不包含開放邊界，那么最高節(jié)點部件號表示"地".在這

種情況下，不需特殊處理，身妾將"地"作為基準設(shè)置為零（缺省狀態(tài)值）.如果模型中包含開放邊界

（使用遠場單元或Trefttz區(qū)域），而模型中無限遠處又不能作為導體，那么可以將"地"選項設(shè)置為零

（缺?。Ｔ谀承┣闆r下，必須把遠場看作導體"地"（例如，在空氣中單個帶電荷球體,為了保持電荷

平衡，要求無限遠處作為"地"）。用INFIN111單元或Trefftz區(qū)域表示遠場地時，把"地"選項設(shè)置

為"V

?輸入貯存電容值矩陣的文件名（Capname）,宏命令貯存所計算的三維數(shù)組對地電容和集總電

容矩陣值。其中和"j"列代表導體編號，"k"列表示對地（k=l）或集總（k=2）項。缺省名為

CMATRIX.例如，CMATRIX（ij,l）為對地項,CMATRIX（iJ2）為集總項.宏命令也建立包含矩陣的

文本文件，其擴展名為.TXT.

注意:在使用CMATRIX命令前，不要施加非均勻加載。

以下操作會造成非均勻加載：

?在節(jié)點或者實體模型上施加非。自由度值的命令（D,DA,等）

?在節(jié)點、單元或者實體模型定義非。值的命令（F,BF,BFE,BFA,等）

?帶非0項的CE命令

CMATRIX執(zhí)行一系列求解，計算二個導體之間自電容和互電容，求解結(jié)果貯存在結(jié)果文件中，可

以便于后處理器中使用。執(zhí)行后，給出一個信息表。

如果遠場單元（INFIN110和INFIN111）共享一個導體邊界（例如地平面），可以把地面和無限遠

邊界作為一個導體（只需要把地平面節(jié)點組成一個節(jié)點部件）。

下圖圖3描述了具有合理的NUMCOND和GRNDKEY選項設(shè)置值的各種開放和閉合區(qū)域模型。

1.三導體一一封閉系統(tǒng)

2.雙導體，其中一個為

地，無限遠單元模擬

"infinite”情況

3.地面上的三導體，無

限遠單元和地平面的電

位為0

4.雙導體，其中一個為

地，用Trefftz域模擬開

放邊界

NUMC0ND=35.三導體，用Trefftz

域模擬“無限遠”處的

IIIIIIGRNDKEY=1“地”

123-WOFS

Trefftzdomain

6.三導體，其中一個是地,

用Trefftz域模擬開放邊界

7.雙導體，其中一個是

地,開放邊界作為自然邊

界條件

4?wors

后面有例題詳細介紹如何利用CMATRIX做電容計算。

14.5開放邊界的Trefftz方法

模擬開放區(qū)域的一種方法是利用遠場單元(INFIN11O和1NFIN111),另一種方法為混合有限元一

Trefftz方法(稱作Trefftz方法)。Trefftz方法以邊界元方法的創(chuàng)立者名字命名。Trefftz方法使用與有

限元類似的正定剛度矩陣高效處理開放區(qū)域的邊界問題。它可處理大縱橫比的復(fù)雜面幾何體，它很易生成

Trefftz完整函數(shù)系統(tǒng)。對于處理靜電問題中的開放邊界條件是一種易用而精確的方法。Trefftz方;擲理

論分析參見《ANSYS理論手冊》。本手冊有"用Trefftz方法進行靜電場分析"的例題。

分頁

14.5.1概述

使用Trefftz方法需要建立TTrefftz區(qū)域zTrefftz區(qū)域日下列部分組成：

?在有限兀區(qū)域內(nèi)的一個Tretttz源節(jié)點部件，但與有限兀模型無關(guān)；

?帶有標記的有限元區(qū)域的外表面；

?由Trefftz源節(jié)點部件和帶有標記的有限元外表面共同創(chuàng)建的子結(jié)構(gòu)矩陣；

?由子結(jié)構(gòu)定義的超單元；

?連同子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一組約束方程；

與遠場單元法相比，Trefftz方法有許多優(yōu)點，也有一些缺點。

Trefftz方法有如下正面特征：

?本方法形成對稱矩陣；

?處理開放邊界時，不存在理論上的限制；

?不存在奇異積分；

?未知數(shù)最少（20-100人未知量就可得到可靠結(jié)果）；

?可用于大縱橫比邊界；

?允許靈活的生成格林（Greens）函數(shù)；

?利用Trefftz區(qū)域，可以在兩個無關(guān)聯(lián)的有限元區(qū)之間建立賽系；

Tefftz方法與遠場單元匕然有如下優(yōu)點；

?通常具有更高的精確度；

?遠場區(qū)不要求建模和劃分單元；

?可用于大縱橫比有限元區(qū)域，并且具有很好精度；

?遠場單元區(qū)不必按一般有限元要求的那樣，把有限元區(qū)擴展到超出裝置模型區(qū)很多；

Trefftz方法與遠場單元匕戚有如下缺點：

?只能用于全對稱模型；

?只對三維分析有效；

?模型外表面單元只能是四面體單元；

?要求定義有限元區(qū)內(nèi)Trefftz源節(jié)點部件，并生成子結(jié)構(gòu)和約束方程（當然，這一過程是程序自動

完成）。

Trefftz方法有如下限制：

?Trefftz節(jié)點最大數(shù)為1000;

?最高容許的節(jié)點號為1,000,000;

?最高容許的外表面節(jié)點數(shù)為100,000；

?外表面容許的最大單元面數(shù)（小平面）為100,000；

Trefftz方法假設(shè)無限遠處是0電位。因此，在處理具有不同電位的多電極系統(tǒng)時，使用本方法要注

意建立不同的節(jié)點部件。當然，對于使用CMATRIX命令宏來提取電容，程序已經(jīng)完全考慮，已經(jīng)把無限

遠處設(shè)成了0電位或者接近0電位。

14.5.2步驟

在3-D靜電分析中建立一個Trefftz區(qū)域，定義Trefftz區(qū)域按下列過程進行：

1）建立一個靜電區(qū)域的有限元模型（包括導體、介質(zhì)和四周空氣）。對有限模型加上全部必需的邊

界條件（電壓、電荷、電荷密度等）

2）對有限元區(qū)域的外表面加上標志，作一個無限面來處理。加無限面標志（INFLabel）,使用如下

方法：

命令：SF,SFA,SFE

GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply〉-日ectric-Flag>-InfiniteSurf-On

Nodes

MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Eectric-Flag>-InfiniteSurf-OnAreas

MainMenu>Preprocessor>Trefftz-Domain>InfiniteSurf-OnAreas

3）建立Trefftz源節(jié)點.源節(jié)點作為Trefftz區(qū)域的未知量。這些未知量表示Trefftz方法的源電

荷，用CURR自由度計算且儲存Trefftz節(jié)點上的這些源電荷.

如圖4"定義Trefftz的區(qū)域"中步驟3所示，應(yīng)在模型裝置與有限元區(qū)外表面之間設(shè)置Trefftz源

節(jié)點。Trefftz源節(jié)點離模型裝置的距離應(yīng)該小于到有限元模型勺俵面的距離，這樣Trefftz方法計算所

得的結(jié)果會更精確。Trefftz源節(jié)點離有限元模型外表面表面越遠，得到的結(jié)果越精確。例如，X方向

上,Trefftz節(jié)點正好包圍模型裝置（b/c>1），有限元外邊界設(shè)置到較遠距離處（a/b>2）。對丫和Z方向

應(yīng)用大致相同的規(guī)則。若Trefftz源節(jié)點不接近于裝置或在有限元區(qū)域表面上，會導致一個近似奇異轆而

產(chǎn)生不正確的結(jié)果。

利用定義一個簡單實模型體（如六面體、球、園柱體或它們的布爾運算組合體等），很容易地建立包圍

模型裝置并在有限元區(qū)域內(nèi)的Trefftz節(jié)點。但是它應(yīng)該在有限元外表面的內(nèi)部,如圖4所示。

一旦定義了簡單模型體，可以采用下列方法之一把簡單實模型劃分網(wǎng)格并建立Trefftz節(jié)點：

命令:TZAMESH

GUI:MainMenu>Preprocessor>TrefftzDomain〉MeshTZGeometry

用TZAMESH命令對體表面進行網(wǎng)格劃分，然后刪除非求解單元，只留下Trefftz節(jié)點。它把

Trefftz節(jié)點組成命名為TZ-NOD的節(jié)點部件，以備在Trefftz子結(jié)構(gòu)生成中調(diào)用。

Trefftz方法只要求很少的源節(jié)點。缺省時，TZAMESH命令把簡單實模型體各邊分成二段。對大縱

橫比幾何體，可按規(guī)定的長度劃分實體。這二種選項在TZAMESH命令中都有效.它會提供很多Trefftz

節(jié)點，但是并不是節(jié)點越多精度越高。精度也受外表面單元數(shù)和Trefftz源項近似的影響。一般例題將不

超過20到lOOTrefftz節(jié)點。

利用下列方法，可刪除Trefftz節(jié)點：

命令:CMSEL?TZ_NOD

NDELE,ALL

CMDELE,TZ_NOD

GUI:MainMenu>Preprocessor>TrefftzDomain>DeleteTZNodes

4）建立Trefftz子結(jié)構(gòu)、超單元、和約束方程。Trefftz方法使用有限元模型的外表面和Trefftz節(jié)

點建立子結(jié)構(gòu)矩陣。用MATRIX50超單元將該矩陣組合到模型中。另外，需要一組約束方程來完善

Trefftz區(qū)域。利用TZEGEN宏命令，可自動完成建立子結(jié)構(gòu)、用超單元組合到模型、定義約束方程等過

程。

建立子結(jié)構(gòu)并使其以超單元的方式組合到模型中，用下列方式：

命令:TZEGEN

GUI:MainMenu>Preprocessor>TrefftzDomain>-Superelement-GenerateTZ

TZEGEN命令也自動定約束方程。

一旦建立了Trefftz區(qū)域，就由IJ用標準求解步驟來解題。

如果分網(wǎng)面上的單元發(fā)生了變動或要建立一個新的Trefftz區(qū)域，則已定義的Trefftz區(qū)域應(yīng)被刪

除。在求解模型內(nèi)只能同時存在一個Trefftz區(qū)域。

采用下列方法可刪除Trefftz超單元、相應(yīng)的約束方程和全部Trefftz文件：

命令:TZDELE

GUI:MainMenu>Preprocessor>TrefftzDomain>-Superelement-DeleteTZ

TZDELE命令刪除在生成超單元過程中產(chǎn)生的全部Trefftz文件，包括如下文件：

?Jobname.TZN-----Trefftz源節(jié)點

?Jobname.TZE---在有限元邊界上的Trefftz表面

?Jobname.TZX——在有限元邊界上表面節(jié)點

?Jobname.TZM——Trefftz材料文件

洋見本手冊例題"用Trefftz方法進彳通爭電分析（命令方法）”

步驟1::建立有限元模型，用步驟2：標記空氣域的外表面

空氣包圍整個模型

步驟3：在空氣域外表面和

b、?模型之間建立Trefftz源節(jié)

f點

步界4：建立Trefftz子結(jié)構(gòu)、超單元和約束方程

圖4定義Trefftz區(qū)域

分頁

14.6用h方法進行靜電場分析的實例（GUI方式）

14.6.1問題描述

本節(jié)描述如何做一個屏硼（帶傳輸線的靜電分析，該傳輸線是由基片、微帶和屏蔽組成。微帶電勢為

Vi,屏蔽的電勢為Vo,確定傳輸線的電容。該算例的描述見下圖.

MaterialProperties

GeometricProperties

Air

a=10cm

￡=1

rb=1cm

w=1cm

Substrate

￡=10Loading

r

V=10cm

1

V=1cm

wors

材料和幾何參數(shù)

14.6.2分析方法與建模提示

2

通過能量和電位差的關(guān)系可以求得電容：We=l/2C(Vi-Vc),We是靜電場能量，C為電容。在后

處理器中對所有單元能量求和可以獲得靜電場的能量。

后處理器中還可以畫等位線和電場矢量圖等。

14.6.3目標結(jié)果

目標

電容,pF/m178.1

步驟1：開始

1.進入ANSYS程序.

2.選擇菜單路徑UtilityIVenu>File>ChangeTitle.

3.輸入"Microstriptransmissionlineanalysis."

4點擊OK.

5.選擇MainMenu〉Preferences.

6點擊Magnetic-Nodal和Electric.

7.點擊OK.

步驟2:定義參數(shù)

1.選擇UtilityMenu>Pa,ameters>ScalarParameters.

2.輸入下列參數(shù)，若發(fā)生輸入錯誤，重新輸入即可

VI=1.5

V0=OS

3.點擊Close

步驟3:定義單元類型

1.選擇MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete.

2點擊Add.

3.點擊高亮度的"Electrostatic1"和2DQuad121."

4.點擊OK.

5點擊Close.

步驟4:定義材料屬性

1.選擇MainMenu>Preorocessor>MaterialProps>MaterialModels.

2.在材料窗口，依次雙擊以下選項:Electromagnetics,RelativePermittivity,Constant

3.MURX(Relativepermeability)輸入1,點擊OK.在定義材科的窗口的左邊區(qū)域顯示的材料號為1.

4.選擇菜單路徑Edit>Copy.點擊0K。把材料1拷貝到材料2.

5在材料框中，雙擊2號材料和Permittivity(constant).

6.在PERX區(qū)域輸入10,點擊OK.

7.選擇菜單路徑Material〉Exit

8.點擊SAVE_DBontheANSYSToolbar.

步驟5:建立幾何模型和壓縮編號

1.選擇MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Rectangle>ByDimensions.

2.輸入下列值（用TAB鍵,在輸入?yún)^(qū)域間切換）

XI域0

X2域.5

Y1域0

Y2域1

3.點擊Apply.

4.創(chuàng)建第2個矩形，輸入下列值：

XI域.5

X2域5

Y1域0

Y2域1

5.點擊Apply.

6.創(chuàng)建第3個矩形，輸入下列值：

XI域0

X2域.5

Y1域1

7.點擊Apply.

8.創(chuàng)建第4個矩形，輸入下列值：

XI域.5

X2域5

Y1域1

Y2域10

9.點擊OK.

10.粘接所有面，選擇

MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Booleans-Glue>Areas.

11.點擊PickAll.

12.選擇MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>CompressNumbers.

13.設(shè)置"Itemtobecompressed"為"Areas."

14點擊OK.

分頁

步驟6:為模型各個部分指定屬性為網(wǎng)格劃分作準備

1.選擇UtilityMenu>Select>Entities.

?把頂端的選項按鈕由"Ncdf"設(shè)置為?

3.把緊接著的選項按鈕設(shè)置為"ByNum/Pick."

4.點擊OK.

5.通過點擊，選取面1和2.（面1和2在圖形窗口的底部）被選中的面會改變顏色。

6點擊OK.

7.選擇MainMenu〉Preprocessor〉-Attributes-define>PickedAreas.點擊PickAll.

8.設(shè)置'Materialnumber"為2.

9點擊OK.

10.選擇UtilityMenu>Select>Entities.

11確認兩個按鈕為"Areas"和"ByNum/Pick."

12點擊SeleAll,點擊OK.

13.點擊PickAll.

14.選擇UtilityMenu>Select>Entities.

15.把頂部按鈕設(shè)置為"Lines/

16.把底部按鈕設(shè)置為"ByLocation."

17點擊丫Coordinates

18在"Min,Max"區(qū)域，輸入1.

19點擊Apply.

20點擊Reselect和XCoordinates按鈕

21.在"Min,Max'區(qū)域，輸入.25.

22點擊OK..

步驟7:劃分模型

1.選擇MainMenu>Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-Lines-AIILines.

2.在"No.ofelementdivisions"區(qū)域，輸入8.

3點擊OK.

4.選擇UtilityMenu>Select>Entities.

5確認頂部按鈕設(shè)置為"Lines」

6.設(shè)置下面的按鈕為"ByNum/Pick.-

7.點擊FromFull.

義點擊SAIAAll,點擊OK.

9.點擊PickAll.

10.選擇MainMenu>Preprocessor>MeshTool.

IL點擊SmartSize按鈕.

12.將Smartsizing滑塊移動到3.

13.確認Mesh對象設(shè)置為-Areas."

14.點擊shape:Tri按鈕.

15.點擊MESH按鈕.

16.點擊PickAll.

17點擊Close

步驟8:施加邊界條件和載荷

1.選擇UtilityMenu>Select>Entities.

2.設(shè)置頂部按鈕為-Nodes."

3.設(shè)置下面的按鈕為"ByLocation."

4點擊丫Coordinates和FromFull按鈕.

5.在"Min,Max"區(qū)域，輸入1.

6.點擊Apply.

7點擊XCoordinates和Reselect按鈕.

8在"Min,Max"區(qū)域，輸入0,5

9點擊OK.

10.選擇MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-On

Nodes.

IL點擊PickAll.

12.在"Valueofvoltage(VOLT)"區(qū)域輸入VI.

13點擊OK.

14.選擇UtilityMenu>Select>Entities.

15.確認上面的兩個按鈕設(shè)置為“Nodes-和"ByLocation."

16點擊丫Coordinates和FromFull按鈕.

17.在"Min,Max"區(qū)域,輸入0.

18點擊Apply.

19點擊AlsoSele按鈕.

20在"Min,Max'區(qū)域，輸入10.

21.點擊Apply.

22點擊XCoordinates按鈕.

23在"Min,Max"區(qū)域,渝入5.

24點擊OK.

25.選擇MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-On

Nodes.

26.點擊PickAll.

27.在"Valueofvoltage(VOLT)"區(qū)域,輸入V0.

28點擊OK.

步驟9:對面進行縮放

1.選擇UtilityMenu>Select>Entities.

2.確認頂部的按鈕設(shè)置為,Nodes,"下面的按鈕設(shè)置為'ByNum/Pick,"和"FromFull".

3點擊SeleAll按鈕，點擊OK點擊PickAll.

4.選擇MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>Scale>Areas.

5.點擊PickAll.

6.在'RX,RY,RZScaleFactors"區(qū)域，輸入下列值：

RXfield.01

RYfield.01

RZfield0

7.在"Itemstobescaled"區(qū)域設(shè)置技鈕為"Areasandmesh/

8.在"Existingareaswillbe"區(qū)域設(shè)置按鈕為"Moved."

9.點擊OK.

10.選擇MainMenu>Finish.

分頁

步驟10:求解

1.選擇MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS.

2.點擊Close.

3.點擊OK開始求解.求解后要彈出一個提示信息，點擊Close.

4.選擇MainMenu>Finish.

步驟11：存儲分析結(jié)果

1.選擇MainMenu>GeneralPostprooElementTable>defineTable.

2.點擊Add.

3.在"Userlabelforitem-區(qū)域，輸入SENE.

4.在"Resultsdataitem"區(qū)域，點亮"Energy"（當左邊的"Energy”顯示為高亮度時，右邊的"Elec

energySENE”自動顯示為高亮度）

5.點擊0K.

6.點擊Add.

7.在"Userlabelforitem"區(qū)域，輸入EFX.

8.S"Resultsdataitem"區(qū)域,點亮"Flux&gradient"和"ElecfieldEFX.，

9.點擊OK.

10.點擊Add.

11在"Userlabelforitem"區(qū)域輸入EFY.

12在"Resultsdataitem"區(qū)域，點亮"Flux&gradient"和'ElecfieldEFY2

13.點擊OK.

14點擊Close

15點擊SAVE_DB

步驟12：畫結(jié)果圉

1.選擇UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering.

2.設(shè)置"Numberingshownwith"區(qū)域為"Colorsonly."

3.點擊OK.

4.選擇MainMenu>GeneralPostprooPlotResults>-ContourPlot-NodalSolu.

S在"Itemtnhpcontourpd"區(qū)域，點亮"DCFqcluticn"和"FlorpotpnVOIT

6.點擊OK.

7.選擇MainMenu>GeneralPostprooPlotResults>-VectorPlot-User-defined.

8.在"Item"區(qū)域，輸入EFX.

9.在“Lab2"區(qū)域輸入EFY.

10點擊0K.

步驟13:進行電容計算

1.選擇MainMenu>GeneralPostprooElementTable>SumofEachItem.

2.點擊OK.一個彈出窗口會顯式所有單元表及其值。

3.點擊Close

4.選擇UtilityMenu>Ra,ameters>GetScalarData.

5.在"Typeofdatatoberetrieved"區(qū)域,點亮"Resultsdata"和"Elemtablesums."

6點擊OK.彈出的對話框顯式求和的單元表值。

7.在"Nameofparametertobedefined,"區(qū)域，輸入W.

8.設(shè)置"Elementtableitem"區(qū)域為?SENE."

9點擊OK.

10.選擇UtilityMenu〉Parameters〉ScalarParameters.

11.輸入下列值：

C=(w*2)/((Vl-V0)**2)

C=((C*2)*lel2)

12.點擊Close.

13.選擇UtilityMenu>List>Status>Parameters>NamedParameter.

Id.在"Nameofparameter"區(qū)域，點亮C.

15.點擊OK.彈出窗口顯式C的值。

16.點擊Close關(guān)閉彈出窗口。

分頁

步驟14:完成分析

選擇MainMenu>Finish.點擊QUIT,選擇一種退出方式并點擊0K.

分頁

14.7命令流實現(xiàn)