ANSYS电磁场分析指南 第十七章 其它分析选项和求解方法.docx

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ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法

第十七章其它分析选项和求解方法

17.1引言

本章叙述ANSYS程序用于电磁、电场、静电场和电流分析的加载选项和其它求解方法。

所有这些分析类型，都可以使用ANSYS命令而不用GUI菜单路径来对边界条件和载荷进行施加、删除、列表显示或运算操作，本章就是描述应该使用哪些命令。

本章也解释每种分析类型的有效的载荷步选项。

载荷步选项用于控制如何施加载荷，它们包括：

·时间和时间步

·子步数

·载荷的阶跃或斜坡变化

·收敛容差（对非线分析）

·输出控制

另外，对于2-D和3-D静磁分析（标量势法、棱边单元法或矢量势法），还有另外一种求解选择，即，可通过人工控制求解顺序而不是让程序自动控制求解分析（用MAGSOLV命令或其菜单MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Magnetics>-StaticAnaly-OptandSolv可让程序自动控制求解分析）。

本章描述这种人工方法所要求的菜单路径或命令。

本章信息按分析类型编排，例如，首先是2-D静磁分析的全部加载和求解选项，接着是3-D标量势法磁分析的全部加载和求解选项，以此类推。

17.22-D静磁分析加载选项

2-D静磁分析对载荷的施加、删除、列表显示、传递、或缩放，可用的命令如下。

关于这些命令的详细描述以及它们相应的菜单路径请参见ANSYS命令手册。

注意：

对于这类分析，约束载荷为磁矢量自由度（AZ），力载荷为电流段（CSGX），表面载荷为Maxwell面（MXWF）和无限表面（INF），体载荷为源电流密度（JS）、磁虚位移（MUDI）、和电压降（VLTG）。

17.2.1在关键点上加载：

所执行的任务相应的命令

加约束DK

删除约束DKDELE

列表显示约束DKLIST

传递约束DTRAN

加力FK

删除力FKDELE

列表显示出力FKLIST

传递力FTRAN

加体载荷BFK

删除体载荷BFKDELE

列表显示体载荷BFKLIST

传递体载荷BFTRAN

17.2.2在线上加载：

所执行的任务相应的命令

加约束DL

删除约束DLDELE

列表显示约束DLLIST

传递约束DTRAN

加面载荷SFL

删除面载荷SFLDELE

面载荷列表显示SFLLIST

传递面载荷SFTRAN

加面载荷设置SFGRAD

加体载荷BFL

删除体载荷BFLDELE

列表显示体载荷BFLLIST

17.2.3在面上加载：

所执行的任务相应的命令

加约束DA

删除约束DADELE

列表显示约束DALIST

传递约束DTRAN

加面载荷SFA

删除面载荷SFADELE

面载荷列表显示SFALIST

传递面载荷SFTRAN

加面载荷设置SFGRAD

加体载荷BFA

删除体载荷BFADELE

列表显示体载荷BFALIST

17.2.4在体上加载：

所执行的任务相应的命令

加体载荷BFV

删除体载荷BFVDELE

列表显示体载荷BFVLIST

17.2.5在节点上加载：

所执行的任务相应的命令

加约束D

删除约束DDELE

列表显示约束DLIST

缩放约束DSCALE

加约束设置DSYM，DCUM

加力F

删除力FDELE

列表显示力FLIST

缩放力FSCALE

加力设置FCUM

加面载荷SF

删除面载荷SFDELE

列表显示面载荷SFLIST

缩放面载荷SFSCALE

加面载荷设置SFCUM，SFGRAD

加体载荷BF

删除体载荷BFDELE

体载荷列表显示BFLIST

缩放体载荷BFSCALE

17.2.6在单元上加载：

所执行的任务相应的命令

加面载荷SFE

删除面载荷SFEDELE

列表显示面载荷SFELIST

缩放面载荷SFESCALE

加面载荷设置SFCUM，SFFUN，SFGRAD

加体载荷BFE

删除体载荷BFEDELE

列表显示体载荷BFELIST

缩放体载荷BFESCALE

加体载荷设置BFECUM

17.32-D静磁分析的另外一种求解方式

本手册第2章叙述了如何使用MAGSOLV命令或它的等效菜单路径来快速求解2-D静磁分析，本节解释如何人工地用两步求解顺序来进行求解。

17.3.1给第一步解算定义载荷步选项

可以给2-D静磁分析定义通用或非线性载荷步选项。

17.3.1.1通用选项

在非线性静磁分析中，一般都要使用通用选项，这些选项是：

·子载荷步数或时间步长

一个非线性分析要求在每个载荷步内有多个子步，以便ANSYS能逐步地施加所定义的载荷，从而得到精确的结果。

缺省为每载荷步内程序只使用一个子步。

命令：

NSUBST

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandSubstps

·阶跃或斜坡加载

如果为阶跃加载，则在第一子步就加上全载荷值，且载荷值在其余子步保持不变。

如果为斜坡加载（缺省），则每个子步都逐步增加载荷值。

要定义到底是阶跃型或是斜坡型加载，可用KBC命令或使用上述TIME命令的GUI路径。

17.3.1.2非线性选项

第一次求解所仅有的非线性载荷步选项是平衡迭代数。

缺省的平衡迭代数是每子步25次平衡迭代，但该第一步求解是不需要收敛的，故推荐每子步执行一次平衡迭代即可。

用下面方法之一来定义平衡迭代数：

命令：

NEQIT

GUI：

MainMenu>Solution>Nonlinear>EquilibriumIter

17.3.2写载荷数据或开始求解

对第一步近似求解可以将载荷数据写到载荷步文件中，或者立即开始求解第一载荷步，用下面的方法之一可以把载荷数据写入载荷步文件：

命令：

LSWRITE

GUI：

MainMenu>Solution>WriteLSFile

用下面方法之一来立即求解该载荷步：

命令：

SOLVE

GUI：

MainMenu>Solution>CurrentLS

17.3.3给第二个载荷步定义载荷步选项

可以对第二个载荷步定义通用选项、非线性选项、输出控制等。

17.3.3.1通用选项

通用选项在此用以定义子步数（用NSUBST命令或其等效菜单路径），对第二个载荷步，只需定义一个子载荷步即可。

17.3.3.2非线性选项

该选项主要是确定平衡迭代的选项，对于第二步求解，整个子步定义5到10次平衡迭代。

其他非线性载荷步选取项包括：

·收敛容差

当满足规定的收敛标准时，ANSYS才认为一个非线性求解是收敛的。

收敛检查可以基于磁势、电流段、或二者兼有，用户需要为收敛检查项定义一个典型值（VALUE），并为该典型值定义一个容差（TOLER），最后的收敛准则由VALUE*TOLER给出。

例如，若定义5000作为电流段典型值，定义0.001作为容差，则电流段收敛标准将是5.0。

对于各种势的收敛检查，ANSYS将两次连续平衡迭代之间节点势的改变量（ΔA=Ai-Ai-1）与收敛标准比较。

对于电流段的收敛检查，ANSYS将不平衡载荷矢量与收敛标准进行比较，不平衡载荷矢量是外加电流（段）和内部（计算）电流（段）两者之间的差值。

对于2-D静磁分析，ANSYS推荐基于电流段的收敛检查。

ANSYS提供了两种定义收敛容差的方式，分别是：

命令：

CNVTOL

GUI：

MainMenu>Solution>Nonlinear>ConvergenceCrit

·终止一个不收敛求解

如果ANSYS在规定平衡迭代数内，其解不收敛，ANSYS要么中断求解，要么继续求解下一载荷步，这要根据所定义的中断准则而定。

定义中断准则的方式是：

命令：

NCNV

GUI：

MainMenu>Solution>Nonlinear>CriteriatoStop

17.3.3.3输出控制

ANSYS提供如下三种进行输出控制的方式：

·控制打印输出

这种选项控制在打印输出文件（Jobname.OUT）中的结果数据：

命令：

OUTPR

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>SoluPrintout

·控制数据库和结果文件输出

这种选项控制保存在结果文件（Jobname.RMG）中的数据：

命令：

OUTRES

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>DB/ResultsFile

·外推结果

该选项通过把单元积分点结果拷贝到节点而不是外推到节点的方式来观察单元积分点结果（缺省是用外推方式）：

命令：

ERESX

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>IntegrationPt

17.3.4写载荷数据或开始求解

对第二步求解可以将载荷数据写到载荷步文件中，或者立即开始求解，用下面的方法之一可以把载荷数据写入载荷步文件：

命令：

LSWRITE

GUI：

MainMenu>Solution>WriteLSFile

用下面方法之一来立即求解该载荷步：

命令：

SOLVE

GUI：

MainMenu>Solution>CurrentLS

17.3.5开始求解

只有当在上面只写了载荷步文件而没有用SOLVE命令或它的等效菜单路径来立即求解载荷步时，才需执行此步。

用下面方法之一，开始求解全部载荷步：

命令：

LSSOLVE

GUI：

MainMenu>Solution>FromLSFiles

一个2-D静磁分析典型的求解命令顺序如下：

/solu

nsubst,3!

Threesubsteps

neqit,1!

Oneequilibriumiteration

outres,all,none!

Donotsaveresults

solve!

Solvetheanalysis

nsubst,1!

Onesubstep

neqit,20!

Upto20equilibriumiterations

cnvtol,csg,,le-3!

Convergencecriteria

outres,all,last!

Saveconvergedsolution

solve!

Solve

finish

17.42-D或3-D谐波磁分析（MVP方法）的加载选项

对于2-D谐波磁分析或3-D基于节点方法的谐波磁分析，可以定义如下载荷：

·约束：

矢势（AZ）或时间积分标量势（VOLT）

·力：

电流段（CSGX）或电流（AMPS）

·体载荷：

源电流密度（JS）或电压降（VLTG）

用本章前面“2-D静磁分析加载选项”一节中列出的命令来对载荷进行施加、删除、列表显示、操作运算、或进行加载设置。

其差别只是不能用SF族命令，因为谐波分析不处理面载荷。

17.52-D或3-D谐波磁分析（MVP方法）的载荷步选项

可以定义动态选项、通用选项、和输出控制

17.5.1动态选项

该分析类型的动态选项仅为谐波载荷的分析频率范围（HZ）。

利用下面方法之一，定义分析频率范围：

命令：

HARFRQ

GUI：

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FregandSubstps

17.5.2通用选项

在此有两种通用选项：

谐波求解数、载荷变化方式（阶跃或斜坡）。

可以定义任意数量的谐波求解数。

ANSYS程序在用户定义的频率范围内平均分布谐波求解数（或子步）。

例如，如果定义的频率范围为50到60HZ，定义的谐波求解数为10，则程序将分别计算频率在51、52、53、…、59和60HZ处的响应，对于频率范围的下限值（此处为50）则不做计算。

缺省的载荷变化方式是斜坡变化，即载荷值随每个子步逐渐增加。

如果使用阶跃加载方式，则在频率范围内全部子步都保持相同载荷值。

用下面的方法之一载荷变化方式：

命令：

KBC

GUI：

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeStep

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandSubstps

17.5.3输出控制

可以控制打印输出、控制数据库和结果文件输出以及外推结果，详见本章第三节。

17.62-D或3-D瞬态磁分析（MVP方法）的加载选项

可以对2-D瞬态磁分析或3-D基于节点MVP方法瞬态磁分析定义如下载荷：

·约束：

矢势（AZ）和时间积分标量势（VOLT）

·力：

电流段（CSGX）、电流（AMPS）

·面载荷：

Maxwell面（MXWF）

·体载荷：

源电流密度（JS）、虚位移（MVDI）、电压降（VLTG）

使用本章第二节“2-D静磁分析加载选项”所列命令来加这些载荷。

17.72-D或3-D节点法瞬态磁分析（MVP方法）的载荷步选项

对于瞬态磁分析，可以定义动态选项、起始条件、通用选项、非线性选项、和输出控制。

17.7.1动态选项

1）时间积分效应

这些载荷步选项用以确定在分析中是否包括瞬态效应，例如涡流阻尼效应和电感。

注意：

对于瞬态分析，ANSYS假设时间积分效应是打开的（除非由于建立初始条件而将其关闭）。

如果时间积分效应被关闭，则ANSYS相当于是计算静态解。

开关时间积分效应的方式如下：

命令：

TIMINT

GUI：

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeIntegration

2）瞬态积分参数

这些参数控制时间积分方案性质、定义自动时间步长功能的准则，详见理论手册。

用下面方法之一，定义瞬态积分参数：

命令：

TINTP

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequenc>TimeIntegration

17.7.1.1初始条件

当激活时间积分效应时，可以在模型选择出的节点上定义初始条件。

可以对模型中的有效自由度，如AX、AY、AZ、VOLT或MAG等，定义初始条件。

如果不对模型的自由度定义初始条件，则缺省的初始条件值为零。

设置自由度初始条件的方式如下：

命令：

IC

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>InitialCondit’n>Define

用下面所示方法之一，列表显示初始条件：

命令：

ICLIST

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>InitialCondit’n>ListPicked

17.7.1.2通用选项

1）时间选项

该选项定义载荷步的结束时间，详见本章第三节。

2）子载荷步数或时间步长

积分时间步是时间积分算法所用的时间增量，可通过DELTIM命令或它的等效菜单路径，或通过NSUBST命令或它的等效菜单路径来直接定义它。

时间步大小直接影响求解的精度，其值越小，精度越高，而且第一个积分时间步大小特别关键。

注意：

应避免采用过小的时间步，特别是在建立初始条件时。

在ANSYS中，过小的数会引起计算误差，例如，当时间步小于1E-10时，就可能引起数值误差。

如果以阶跃的形式加载，则ANSYS在第一个子步上就加上全部的载荷值，且其值在其余子步保持不变。

如果以斜坡的形式加载（缺省），则每个子步的载荷都逐步递增。

用下面的命令或菜单路径来定义时间步长：

命令：

DELTIM

GUI：

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeStep

3）自动时间步长功能

在瞬态分析中，该功能也称为时间步优化。

自动时间步长功能允许ANSYS在子步间根据模型的响应来自动确定载荷增量的大小。

对于大多数问题，都应打开自动时间步长功能且对积分时间步长的值设置上下限，该上下限有助于控制时间步的变化程度，但该功能对CURR自由度（电压供电导体）或EMF自由度（电路供电模型）无效。

用下面命令或菜单路径来定义自动时间步长功能：

命令：

AUTOTS

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeStep

17.7.1.3非线性选项

1）平衡迭代数

该选项用以在每个子步获得收敛解，缺省值是每个子步内执行25次平衡迭代。

根据问题的非线性程度的高低，用户可以适当增加该数值。

对于线性瞬态分析，仅定义一次平衡迭代即可。

关于如何定义子步，详见本章第3节中的描述。

2）收敛容差

当满足规定的收敛标准时，ANSYS才认为一个非线性求解是收敛的。

收敛检查可以基于磁势、电流段、或二者兼有，用户需要为收敛检查项定义一个典型值（VALUE），并为该典型值定义一个容差（TOLER），最后的收敛准则由VALUE*TOLER给出。

例如，若定义5000作为电流段典型值，定义0.001作为容差，则电流段收敛标准将是5.0。

ANSYS推荐用户不要自己定义VALUE的值，而让程序自动计算该值，程序中缺省的TOLER值为1E-3。

对于各种势的收敛检查，ANSYS将两次连续平衡迭代之间节点势的改变量（ΔA=Ai-Ai-1）与收敛标准比较。

对于磁电流段的收敛检查，ANSYS将不平衡载荷矢量与收敛标准进行比较，不平衡载荷矢量是外加电流（段）和内部电流（计算电流）两者之间的差值。

定义收敛容差的方式是：

命令：

CNVTOL

GUI：

MainMenu>Solution>Nonlinear>ConvergenceCrit

3）终止一个不收敛求解

如果ANSYS在规定平衡迭代数内，其解不收敛，ANSYS要么中断求解，要么继续求解下一载荷步，这要根据所定义的中断准则而定。

定义中断准则的方式是：

命令：

NCNV

GUI：

MainMenu>Solution>Nonlinear>CriteriatoStop

17.7.1.4输出控制

ANSYS提供如下三种进行输出控制的方式：

1）控制打印输出

这种选项控制在打印输出文件（Jobname.OUT）中的结果数据：

命令：

OUTPR

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>SoluPrintout

2）控制数据库和结果文件输出

这种选项控制保存在结果文件（Jobname.RMG）中的数据：

命令：

OUTRES

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>DB/ResultsFile

缺省情况下，ANSYS只将每个载荷步最后一个子步的结果写入结果文件，如果希望将所有子步（即：

所有求解频率）的结果都写入结果文件，请将写入频率定义为“ALL”或1。

3）外推结果

该选项通过把单元积分点结果拷贝到节点而不是外推到节点的方式来观察单元积分点结果（缺省采用外推方式）：

命令：

ERESX

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>IntegrationPt

17.83-D静磁分析（标量方法）的加载选项

对于使用标量方法求解的3-D静磁分析，可以施加如下载荷：

·约束：

磁标量势（MAG）

·力：

磁通量（FLUX）

·面载荷：

Maxwell面（MXWF）

·体载荷：

虚位移

·电流（通过SOURC36单元类型施加）

具体命令详见本章第二节中的描述。

17.93-D标量静磁分析（RSP方法）的另外一种求解方式

本节解释如何人工地用两步求解顺序来进行求解。

17.9.1定义载荷步选项

对于RSP分析方法，可以定义5种类型的载荷步选项

17.9.1.1Newton-Raphson选项

该选项定义切线矩阵的修正频率，可用的选项有：

·由程序自动选择（缺省）

·全方法（Full）

·修正法（Modified）

·初始刚度法（Initial-stiffness）

对于3-D分析，推荐使用带自适应下降功能的全Newton-Raphson法，定义Newton-Raphson选项的方式如下：

命令：

NROPT

GUI：

MainMenu>Solution>AnalysisOptions

17.9.1.2Biot-Savart选项

对于用SOURC36单元来描述模型中电流外，有一种对称映射选择。

如果有一个电流源关于总体直角坐标的Z轴呈圆形对称（例如一个线圈），可用SOURC36单元来只定义它的一部分扇形体，方式如下：

命令：

E

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>ThruNodes

命令：

EGEN

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Copy>AutoNumbered

然后，可通过EMSYM命令或MainMenu>Solution>-Magnetics>CopySources来复制电流源。

用下面方法之一，定义Biot-Savart计算：

命令：

BIOT

GUI：

MainMenu>Solution>Magnetics->Biot-Savart

缺省时（即不规定Biot-Savart计算），在开始求解过程中，要计算所有被选择了的源单元对被选择了的全部节点的HS贡献。

ANSYS求解过程中不做进一步的HS计算。

17.9.1.3通用选项

在非线性静磁分析中，一般都要使用通用选项，对于3-D静磁场分析，唯一可定义的通用选项是定义子载荷步数或时间步长

一个非线性分析要求在每个载荷步内有多个子步，以便ANSYS能逐步地施加所定义的载荷，从而得到精确的结果。

缺省为每载荷步内程序只使用一个子步。

对于RSP方法，建议使用一个子步（缺省）：

命令：

NSUBST

GUI：

MainMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandSubstps

17.9.1.4非线性选项

·平衡迭代的数目

缺省的平衡迭代数是每子步25次平衡迭代，根据自由度非线性的程度，有可能需要增大该值。

定义平衡迭代数的方式是：

·收敛容差

当满足规定的收敛标准时，ANSYS才认为一个非线性求解是收敛的。

用户需要为收敛检查项定义一个典型值（VALUE），并为该典型值定义一个容差（TOLER），最后的收敛准则由VALUE*TOLER给出。

例如，若定义5000作为电流段典型值，定义0.001作为容差，则电流段收敛标准将是5.0。

ANSYS推荐用户不要自己定义VALUE的值，而让程序自动计算该值，程序中缺省的TOLER值为1E-3。

收敛检查可以基于磁势（MAG）、磁流（FLUX）、或二者兼有。

对于各种势的收敛检查，ANSYS将两次连续平衡迭代之间节点势的改变量（Δφ=φi-φi-1）与收敛标准比较。

对于磁流的收敛检查，ANSYS将迭代误差与收敛标准进行比较。

如果在定义的平衡迭代步中没有收敛，ANSYS会根据用户定义的标准要么中止，要么进行下一个加载步求解。

对于3D标量位静态磁场分析，推荐使用磁流作为收敛标准。

可以通过图形方式和命令行方式对收敛范数进行跟踪。

定义收敛容差的方式是：

17.9.2开始求解

命令：

SOLVE

GUI：

MainMenu>Solution>CurrentLS

17.9.2.1定义附加加载条件（可选择的）

重复1步到3步。

17.