MAXWELL2D,3D使用說明.doc

Ansoft Maxwell 2D/3D 使用說明32目 錄第1章 Ansoft 主界面控制面板簡介第2章 二維（2D）模型計(jì)算的操作步驟2.1 創(chuàng)建新工程 22.2 選擇求解問題的類型 32.3 創(chuàng)建模型（Define Model） 42.4 設(shè)定模型材料屬性（Setup Materials） 62.5 設(shè)定邊界條件和激勵源（Setup Boundaries/Sources） 82.6 設(shè)定求解參數(shù)（Setup Executive Parameters） 92.7 設(shè)定求解選項(xiàng)（Setup Solution Options） 102.8 求解(Solve) 102.9 后處理（Post Process） 112.10 工程應(yīng)用實(shí)例 12第3章 三維（3D）模型計(jì)算的操作步驟3.1 建模 143.2 定義材料屬性 173.3 加載激勵和邊界條件 183.4 設(shè)置求解選項(xiàng)和求解 183.5 后處理 183.6 補(bǔ)充說明 183.7 例1 兩電極電場計(jì)算 183.8 例2 電壓互感器下半部分電場計(jì)算 22第4章 有限元方法簡介4.1 有限元法基本原理 284.2 有限元網(wǎng)格自適應(yīng)剖分方法 29第1章 Ansoft 主界面控制面板簡介在Windows下安裝好Ansoft軟件的電磁場計(jì)算模塊Maxwell之后，點(diǎn)擊Windows的“開始”、“程序”項(xiàng)中的Ansoft、Maxwell Control Panel，可出現(xiàn)主界面控制面板（如下圖所示），各選項(xiàng)的功能介紹如下。1.1 ANSOFT 介紹Ansoft公司的聯(lián)系方式，產(chǎn)品列表和發(fā)行商。1.2 PROJECTS創(chuàng)建一個新的工程或調(diào)出已存在的工程。要計(jì)算一個新問題或調(diào)出過去計(jì)算過的問題應(yīng)點(diǎn)擊此項(xiàng)。點(diǎn)擊后出現(xiàn)工程控制面板，可以實(shí)現(xiàn)以下操作：l 新建工程。l 運(yùn)行已存在工程。l 移動，復(fù)制，刪除，壓縮，重命名，恢復(fù)工程。l 新建，刪除，改變工程所在目錄。1.3 TRANSLATORS 進(jìn)行文件類型轉(zhuǎn)換。點(diǎn)擊后進(jìn)入轉(zhuǎn)換控制面板，可實(shí)現(xiàn)： 1. 將AutoCAD格式的文件轉(zhuǎn)換成Maxwell格式。2. 轉(zhuǎn)換不同版本的Maxwell文件。1.4 PRINT 打印按鈕，可以對Maxwell的窗口屏幕進(jìn)行打印操作。1.5 UTILITIES 常用工具。包括顏色設(shè)置、函數(shù)計(jì)算、材料參數(shù)列表等。第2章 二維（2D）模型計(jì)算的操作步驟2.1 創(chuàng)建新工程選擇Mexwell Control Panel (Mexwell SV)啟動Ansoft軟件點(diǎn)擊PROJECTS打開工程界面（如圖2.1所示）點(diǎn)擊New進(jìn)入新建工程面板（如圖2.2所示）。在新建工程面板中為工程命名（Name），選擇求解模塊類型（如Maxwell 2D, Maxwell 3D, Maxwell SV等）。Maxwell SV為Student Version即學(xué)生版，它僅能計(jì)算二維場。在這里我們選擇Maxwell SV version 9來完成二維問題的計(jì)算。圖2.1 工程操作界面圖2.2 新建工程界面2.2 選擇求解問題的類型上一步結(jié)束后，建立了新工程（或調(diào)出了原有的工程），進(jìn)入執(zhí)行面板（Executive Commands）如圖2.3所示。面板的左邊是一系列的執(zhí)行菜單，在接下來的求解過程中將順次執(zhí)行它們（前面的菜單沒有正確執(zhí)行時后面的菜單為灰色，不能執(zhí)行）。第一步，選擇求解器（Solver），點(diǎn)擊后會出現(xiàn)場類型選項(xiàng)，包括靜電場（Electrostatic），穩(wěn)恒磁場（Magnetostatic）和正弦時變渦流場（Eddy Current）等。選擇用戶要求解的問題類型。第二步，選擇求解區(qū)域幾何類型（Drawing），包括平行平面場（XY Plane）和軸對稱場（RZ Plane）。對于場域模型創(chuàng)建模塊（Define Model），設(shè)定模型材料屬性模塊（Setup Materials），設(shè)定邊界條件與激勵源模塊（Setup Boundaries/Sources），設(shè)定執(zhí)行參數(shù)模塊（Setup Executive Parameters），設(shè)定求解參數(shù)模塊（Setup Solution Options），求解模塊（Solver）與后處理模塊（Post Process）將在下面分別詳細(xì)說明。圖2.3 執(zhí)行面板（Executive Commands）2.3 創(chuàng)建模型（Define Model）點(diǎn)擊Define Model選項(xiàng)，進(jìn)入模型繪制面板（2D Modeler）如圖2.4所示。圖2.4：模型繪制面板（2D Modeler）2.3.1 模型繪制命令項(xiàng)介紹File創(chuàng)建新文件（New）或調(diào)出已有文件（Open）及保存幾何模型文件（Save）；導(dǎo)入和導(dǎo)出其他格式文件（Import）；設(shè)置打印選項(xiàng)（Print Setup）；打?。≒rint）；退出模型繪制界面（Exit）。實(shí)際上，進(jìn)入該界面后可以直接建立模型，然后在推出時程序?qū)⑻釂柺欠癖４婺Ｐ停視詣影垂こ堂x予模型文件名。在建模期間若擔(dān)心信息丟失，可以使用保存命令存盤。Edit 進(jìn)行圖形編輯，包括選擇對象（Select）和取消選擇（Deselect）、剪切（Cut）、復(fù)制（Copy）和粘貼（Paste）、刪除（Clear）；定義對象屬性（Attributes）；控制對象的可見性（Visibility）等。復(fù)制功能可以沿坐標(biāo)軸、線或?qū)ΨQ面復(fù)制對象。Reshape 修改物體的形狀。包括對選中的物體進(jìn)行按比例大小縮放（Scale Selection）；對定義圓弧的線段數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置（Edge-Number of Segments）（在畫圓弧時已進(jìn)行了定義）。圓弧線段的長度應(yīng)小于有限元網(wǎng)格相應(yīng)邊界單元的邊長，否則會帶來較大的計(jì)算誤差。因此，應(yīng)定義較多的圓弧線段數(shù)（如對于圓周最好設(shè)180段）。Boolean 不同物體之間的運(yùn)算，包括合并（Union）、相減（Subtract）（如形成一個圓環(huán)可以通過兩個圓相減得到）、相交（Intersect）等操作。Arrange 模型排列，包括移動（Move），旋轉(zhuǎn)（Rotate），鏡像（Mirror），同時可以重新定義模型尺度，即變換模型大小。Object 選擇物體模型繪制類型，包括：直線或折線（Polyline，雙擊鼠標(biāo)結(jié)束畫線）、圓弧（Arc）、由點(diǎn)定義的光滑曲線（Spline）、矩形（Rectangle）、圓（Circle）。Model 模型繪制參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，包括距離測量（Measure）、繪圖量綱（Drawing Units）、繪圖板大小定義（Drawing Sizes）、畫筆捕捉設(shè)定（Snapto Mode）、顏色與文字大小默認(rèn)值設(shè)定（Defaults）。Window 繪圖窗口顯示與坐標(biāo)處理等，包括顯示縮放（Change View - Zoom in, out）、坐標(biāo)平移或旋轉(zhuǎn)（Coordinate System）、繪圖界面網(wǎng)格設(shè)置（Grid）、填充封閉區(qū)域（Fill Solids）。Help 提供在線幫助。2.3.2 板面快捷工具功能介紹工具條圖2.5為快捷工具條的圖標(biāo)，從左到右依次為：畫折線或直線、順時針弧線、逆時針弧線、光滑曲線、寫文字標(biāo)記、繪制矩形、圓；物體平移、物體旋轉(zhuǎn)、選擇物體、取消選擇、設(shè)置顏色、物體屬性（包括顯示物體的端點(diǎn)和給物體定位）、測量（包括顯示所選兩點(diǎn)的坐標(biāo)與距離，兩點(diǎn)連線與水平線的夾角）、放大、縮小、適應(yīng)（使顯示平面與物體大小適應(yīng)）、坐標(biāo)平移、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。圖2.5：快捷工具條繪圖區(qū)繪圖區(qū)是繪制物體的區(qū)域?？梢岳肳indow命令項(xiàng)中的Cascade-Subwindows選項(xiàng)打開多個繪圖區(qū)窗口?？梢哉{(diào)整這些窗口的位置和布局，也可以對每個窗口進(jìn)行放大或縮小等操作，而其他窗口中的物體保持不變，此功能可以用來從不同的視角觀察繪圖區(qū)域，例如可以在一個窗口上放大局部區(qū)域觀察細(xì)節(jié)，而另一個觀察整體。狀態(tài)欄狀態(tài)欄位于模型繪制面板的底部，顯示鼠標(biāo)所在位置的坐標(biāo)值，其主要用途是在建模工程中直接輸入坐標(biāo)或幾何尺寸，這是建模的一個常用的辦法。因?yàn)橛檬髽?biāo)建模不易獲得準(zhǔn)確坐標(biāo)數(shù)據(jù)。若要在數(shù)據(jù)欄中輸入坐標(biāo)時，應(yīng)將鼠標(biāo)移出繪圖區(qū)域，否則移動鼠標(biāo)時會更改數(shù)據(jù)欄中的數(shù)據(jù)。注意數(shù)據(jù)輸入后按Enter健生效。信息欄信息欄位于“狀態(tài)欄”的上面，用來提示應(yīng)進(jìn)行的操作或顯示鼠標(biāo)功能。例如，點(diǎn)擊建立矩形區(qū)域命令后，信息欄顯示：MOUSE LEFT: Select first corner point of rectangle（按鼠標(biāo)左健選擇（確定）矩形的第一個角點(diǎn)）， MOUSE RIGHT: Abort command（按鼠標(biāo)右健中斷當(dāng)前命令）。注意：按鼠標(biāo)右健中斷命令功能會經(jīng)常用到。若在U、V（X、Y）數(shù)據(jù)欄中輸入數(shù)據(jù)后按Enter健，信息欄顯示：MOUSE LEFT: Select second corner point of rectangle （選擇矩形的第二個角點(diǎn)），此時在dU、dV數(shù)據(jù)欄中輸入矩形的寬和高按Enter健便可建立矩形。2.3.3 建模的基本操作程序小結(jié)（1） 選擇Model/Drawing Plane命令，設(shè)置模型的繪制平面。選項(xiàng)中包括XY Plane和RZ Plane.（2） 選擇Model/Drawing Size重新定義模型區(qū)域的大小。（3） 選擇Model/Drawing Units來定義模型所用的單位。（4） 創(chuàng)建模型。建議通過畫直線和圓弧來完成場域邊界的建立。（5） 需要的時候，利用Edit,Reshape和Arrange菜單命令修改你所建立的模型。（6） 在建立模型的過程中也可以調(diào)用Window菜單命令新建子面板，用于模型細(xì)節(jié)或其他方面的建模。（7） 保存所建立的模型，退出模型繪制面板。2.4 設(shè)定模型材料屬性（Setup Materials）2.4.1 界面介紹模型材料界面分為4塊（如下圖所示），左上部為物體(object)和已定義的材料名(Material)列表。尚未定義的材料名為UNASSIGNED，場域背景(Background)默認(rèn)設(shè)定材料為真空(Vacuum)。左下部分為Ansoft給定的或用戶加入的材料庫(Material)，右上部分為模型圖，右下部分為材料的具體參數(shù)。2.4.2 設(shè)置材料屬性1 若材料庫中存在所需材料，則從物體列表中選中一個物體，然后從材料庫中選擇所需材料，最后點(diǎn)擊“Assign”即可完成該物體的材料屬性設(shè)定。2 若材料庫中不存在所需材料，則需要先填加新材料到材料庫，然后再設(shè)定物體的材料屬性。填加新材料到材料庫中的步驟如下。（1） 選擇Material中的Add（2） 在Material Properties下面的文本框內(nèi)填入材料名。 （3） 如果需要，可選擇材料名文本框下面的Perfect Conductor（良導(dǎo)體）， Anisotropic Material（各向異性材料）或B-H Nonlinear Material（非線性磁材料）。（4） 在材料屬性參數(shù)欄中輸入具體的材料屬性值，包括Rel. Permittivity (相對介電常數(shù))，Conductivity (電導(dǎo)率，西門子/米)，Elec. Coercivity (電矯頑力)，Elec. Retentivity (電記憶力)，Polarization (電極化強(qiáng)度)。對磁場計(jì)算還有Rel. Permeability相對磁導(dǎo)率，Magnetic Coercivity磁矯頑力，Magnetic Retentivity磁記憶力，Magnetization 磁化強(qiáng)度。（5） 對非線性材料，點(diǎn)擊B-H Curve按鈕，定義材料的B-H曲線。（6） 對于材料的屬性，也可以用函數(shù)的方法賦值，具體做法是點(diǎn)擊Functions按鈕，在彈處的對話框中輸入函數(shù)的名稱和表達(dá)式，然后在屬性賦值時，利用函數(shù)名稱賦值。（7） 材料性質(zhì)設(shè)定后，點(diǎn)擊Enter。模型材料定義界面2.4.3 排除物體有些情況下，可能讓一些物體不參加計(jì)算，這時，就可以利用排除該物體來實(shí)現(xiàn)該目的。一種典型的情況是，對于一個閉合的場域問題（如由第一類邊界包圍的一個電場區(qū)域）背景可以不參加計(jì)算，這時就可以利用排除背景來實(shí)現(xiàn)。具體做法為：選擇要排除的物體，點(diǎn)擊Exclude?？蒊nclude來恢復(fù)物體。2.5 設(shè)定邊界條件和激勵源（Setup Boundaries/Sources）2.5.1 界面介紹邊界條件和激勵源的界面如下圖所示，左側(cè)為已經(jīng)設(shè)定的邊界激勵條件（第一次打開時為空），右部上方為場域模型，用來配合選擇邊界或物體，右下方為設(shè)定邊界或激勵源的賦值區(qū)域。2.5.2 基本操作步驟1. 選擇要賦值的邊界或物體，方法：點(diǎn)擊Edit/Select/Edge（Object/By Clicking），然后鼠標(biāo)變?yōu)橐粋€黑色箭頭，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇邊界（或物體）。按鼠標(biāo)右鍵則退出選擇模式。2. 選擇要加載邊界條件還是激勵源，方法：點(diǎn)擊Assign/Boundary/Value設(shè)置邊界值、Boundary/Symmetry設(shè)置對稱邊界值、Boundary/Balloon設(shè)置開域場邊界，Assign/Source/Solid設(shè)置激勵源（電荷或電流）。Symmetry設(shè)置對稱邊界值分為奇對稱(Odd)和偶對稱(Even)。奇對稱可理解為對稱邊界兩側(cè)場源異號，對電場問題對稱邊為零電位線，磁場問題為一條磁力線；偶對稱為同號源，電場問題為電位的法向?qū)?shù)或電場強(qiáng)度的法向分量為零，磁場問題為磁場強(qiáng)度的切向?yàn)榱慊虼帕€垂直于對稱邊界。如對于下圖所示的一個電場問題，設(shè)大圓邊界電位值為10V，小圓為5V，左側(cè)邊界(Edge)為奇對稱，其它三條邊界設(shè)為Balloon。電位分布如圖所示。從電位結(jié)果可以看出，實(shí)際問題是左側(cè)有一個對稱模型，但大圓電位值-10V，小圓為-5V。3. 鍵入邊界或激勵數(shù)值。也可以用函數(shù)賦值，具體做法與上面講到的用函數(shù)設(shè)定模型材料屬性的方法類似。4. 點(diǎn)擊Assign保存設(shè)置并退出。然后點(diǎn)擊File/Exit/Yes退出界面。2.5.3 幾點(diǎn)說明1. 當(dāng)完成物體選擇后，注意讓光標(biāo)在場域內(nèi)點(diǎn)擊右鍵退出/完成選擇步驟。2. 對于包含在其他物體內(nèi)部的物體，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊不能進(jìn)行選擇時，可以利用Edit/Visibility隱藏外面的物體，然后再選擇；但最好是利用物體的名稱(By Name)進(jìn)行選擇。3. 對于背景(Background)，也可以和其他物體一樣處理，可以單獨(dú)選擇它的各個邊(Edge)，也可以作為整體(Object)選擇，根據(jù)不同的情況加載不同的邊界條件。4. 要想改變已設(shè)定過的邊界或物體，應(yīng)先刪除原來的設(shè)定，即在界面左側(cè)的列表中選中物體名然后按Del鍵。2.6 設(shè)定求解參數(shù)（Setup Executive Parameters）該步驟用來完成以下幾個集總參數(shù)的求解設(shè)定。1. 施加在一個物體或一組物體上的電磁力 (Force)。2. 施加在一個物體或一組物體上的力矩 (Torque)。3. 電容、電感、電阻值，對于多個物體給出分布參數(shù)矩陣(Matrix)。4. 鐵心損耗 (Core Loss)5. 磁鏈 (Flux Lines)設(shè)定方法或過程為：首先點(diǎn)擊Setup Executive Parameters下相應(yīng)的參數(shù)項(xiàng)進(jìn)入設(shè)定面板，然后選擇所要計(jì)算的物體。例如，若模型中有5個物體，想要計(jì)算所有物體間的電容，則應(yīng)全部選定，也可僅選其中的2個物體計(jì)算一個電容值。對于力（力矩）計(jì)算，可以直接選擇物體計(jì)算各物體的受力（力矩），也可以先創(chuàng)建一個group，然后選擇此group包含的物體，以實(shí)現(xiàn)合力（力矩）的計(jì)算。選擇一個物體后要按右下角的Include Selected Objects: Yes，然后物體列表中的名字后變?yōu)閅es。2.7 設(shè)定求解選項(xiàng)（Setup Solution Options）該部分可以設(shè)置網(wǎng)格剖分、方程求解精度和求解方法等。Ansoft具有網(wǎng)格自適應(yīng)功能，這是該軟件的一大優(yōu)點(diǎn)，自適應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格單元的合理分布，從而可以提高計(jì)算精度。自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)分是一個迭代過程，程序先生成一個單元較少的初始(Initial)網(wǎng)格網(wǎng)格，然后計(jì)算場量，根據(jù)場量分布細(xì)分一些區(qū)域的網(wǎng)格，然后再計(jì)算場，依次循環(huán)。該部分的具體內(nèi)容如下。1. Starting Mesh: 自適應(yīng)迭代過程的起始網(wǎng)格。該選項(xiàng)的第一部分為設(shè)置迭代過程是從初始網(wǎng)格開始(Initial)，還是從已經(jīng)迭代計(jì)算過的當(dāng)前網(wǎng)格開始(Current)。很顯然，設(shè)置為Current是在上次已計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)迭待，這樣可以節(jié)省時間。順便指出，在迭代過程中用戶可以終止計(jì)算，程序?qū)⒈４娈?dāng)前結(jié)果，即亦可以得到計(jì)算結(jié)果。該選項(xiàng)的第二部分為人工網(wǎng)格處理(Manual Mesh)，點(diǎn)擊該項(xiàng)后進(jìn)入網(wǎng)格處理界面，其中最常用的功能是網(wǎng)格細(xì)分(Refine)，利用該命令可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)(Point)、面(Area)、物體(Object)的網(wǎng)格細(xì)分，選擇Point后光標(biāo)變?yōu)槭郑缓蟀醋箧I便細(xì)分光標(biāo)附近的網(wǎng)格，按Area后光標(biāo)也變?yōu)槭?，按一下左鍵后拖拉鼠標(biāo)到一個位置再按一次左鍵定義一個矩形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格將被細(xì)分。2. Solver Residual: 方程求解器余量誤差控制，一般利用默認(rèn)值1e-5即可。3. Solver Choice: 求解器計(jì)算方法選擇，一般選自動(Auto)方式即可。4. Solve for: 求解目的。計(jì)算場Fields，計(jì)算參數(shù)Parameters（上一步設(shè)定求解參數(shù)時所設(shè)定的內(nèi)容，如電容，電感，電阻，力，力矩等）。5. 是否要利用自適應(yīng)技術(shù)，若是則選中Adaptive Analysis。然后要設(shè)定每部細(xì)分百分?jǐn)?shù)或每步約增加的單元百分?jǐn)?shù)(Percent refinement per pass)，一般設(shè)定30%為亦；設(shè)定自適應(yīng)迭代終止判據(jù)或控制參量(Stopping Criterion)，要求的總步數(shù)(Number of required passes)和誤差百分?jǐn)?shù)(Percent error)。該誤差只是相鄰兩次迭代的總能量計(jì)算誤差，并不表示場量的計(jì)算誤差。一般應(yīng)設(shè)定一個較下的數(shù)值（如0.01），然后有迭代次數(shù)控制終止，因次數(shù)和誤差只要一個條件滿足程序就會停止。步數(shù)開始可選側(cè)1，待通過后處理判斷結(jié)果正確后再分幾次逐漸增加步數(shù)，以免一次定義步數(shù)太多而需要太長的計(jì)算時間。2.8 求解(Solve)對上述內(nèi)容設(shè)定完畢后就可以進(jìn)行求解，在求解過程中，點(diǎn)擊abort按鈕，可以強(qiáng)行推出求解過程。當(dāng)然如果前面的設(shè)置有錯誤的話，求解將不能正常完成。選擇右上角的Profile按鈕，在Command/Info窗口中顯示求解到每一步的信息；點(diǎn)擊右上角的Convergence（收斂）按鈕，可以觀察每一個求解步長的信息，包括剖分單元數(shù)，總能量值和能量誤差；點(diǎn)擊右上角的Solutions及其內(nèi)部的相應(yīng)項(xiàng)(如Force)，可以顯示相應(yīng)量的求解收斂情況。2.9 后處理（Post Process）求解完成后，點(diǎn)擊Post Process進(jìn)入結(jié)果輸出、圖形顯示和分析界面。這里僅介紹最常用的一些功能。在進(jìn)入后處理界面后，選擇Plot菜單的Mesh選項(xiàng)，可以繪制計(jì)算過程中的網(wǎng)格剖分情況，了解剖分單元的分布。但顯示網(wǎng)格之前一定要選擇要顯示的部分，具體要通過Edit/Select來選擇。選擇Plot菜單的Field選項(xiàng)進(jìn)行結(jié)果場圖的繪制，此時會彈出一個Create New Plot的界面（如下圖所示為電場問題的界面），界面從左到右分成三個部分，第一個部分是繪制的場量(Plot Quantity)，包括電壓phi（畫等位線）、電場強(qiáng)度的幅值mag E、電位移mag D（畫場量分布云圖）、電場強(qiáng)度和電位移矢量E Vector和D Vector（畫矢量圖）還有能量分布圖；第二部分是繪制的區(qū)域，包括點(diǎn)(Point)、線(Line)和面(Surface)；第三部分是繪制區(qū)所屬的范圍。在每項(xiàng)中都選擇一個項(xiàng)目后可按OK鍵。在Plot菜單下還有Visibility和Delete，點(diǎn)擊后將給出已顯示的場圖列表。圖形顯示方式是重疊覆蓋式，要想顯示哪個場圖（已被遮蓋的場圖）可選擇Visibility然后點(diǎn)擊場圖名字，每點(diǎn)擊一次Visibility狀態(tài)將在Yes/No之間變換。Delete用來刪除場圖以釋放內(nèi)存空間。值的注意的是，在后處理界面中可以象創(chuàng)建場域模型界面那樣曾加幾何模型，其目的是為了進(jìn)行模型上的場量顯示，如要想觀察沿一條線上的場分布，而該線段在場域建模時有沒有建立，則可以在此建立。2.10 工程應(yīng)用實(shí)例一平行板電容器，極板厚2mm，寬100mm，極間距50mm，所充介質(zhì)的相對介電常數(shù)為5。計(jì)算電場、電容值和極板所受的力。1. 點(diǎn)擊PROJECTS/New創(chuàng)建一個新的項(xiàng)目，命名為：Example1，Type: Maxwell SV Version 9 (或其它2D版本)，點(diǎn)擊OK. 2. Solver: Electrostatic; Drawing: XY Plane.3. 點(diǎn)擊Define Model/Draw Model。選擇Model/Drawing Size設(shè)置Minima: X=-70, Y=-40; Maxima: x=70, Y=40。建立大一點(diǎn)Background是為了考慮電容器的端部，實(shí)際上還可以選擇更大的Background以減小外邊界對計(jì)算精度的影響。4. 點(diǎn)擊Window/Grid設(shè)為dU、dV均為1。5. 點(diǎn)擊Object/Rectangle (或繪制矩形快捷鍵)，在點(diǎn)(-50, 25)處點(diǎn)擊左鍵, 釋放左鍵后向右上方移動鼠標(biāo)至dU=100, dV=2處點(diǎn)擊左鍵，然后改變物體的名字和顏色（如果覺著必要），點(diǎn)OK退出建立上極板。也可以利用界面下邊的坐標(biāo)文本框輸入數(shù)據(jù)，而不用鼠標(biāo)。點(diǎn)擊Object/Rectangle繪制下極板（建議利用界面下邊的坐標(biāo)文本框而不用鼠標(biāo)）。點(diǎn)擊Object/Rectangle繪制電容器內(nèi)部區(qū)域，即角點(diǎn)為(-50,-25)(50,25)的矩形用來設(shè)定介質(zhì)參數(shù)。6. 點(diǎn)擊File/Exit/Yes7. 進(jìn)入Setup Materials定義物體的材料屬性。將background定義為真空vacuum（默認(rèn)值）；點(diǎn)擊Object1, 從材料列表中找到并點(diǎn)擊Copper, 按Assign；類似地設(shè)定Object2。對Object3需要增加一種材料，點(diǎn)擊Materials/Add，材料名設(shè)為ESP2, 設(shè)定Rel. Permittivity為2，按Enter；然后設(shè)定Object3為ESP2。Exit退出。8. 進(jìn)入Setup Boundaries/Sources，依次選擇Edit/Select/Object/By Clicking，鼠標(biāo)變?yōu)樨Q直箭頭，把鼠標(biāo)移動到上面極板處，點(diǎn)擊左健選擇，被選擇的物體呈現(xiàn)雙線條狀。然后點(diǎn)擊右健，鼠標(biāo)恢復(fù)原來形狀，選擇步驟完成。然后依次選擇Assign/Boundary/Value，在界面右下邊出現(xiàn)的面板中找到Value，然后在對話框中輸入電位值10V，點(diǎn)擊左側(cè)的Assign按鈕。用同樣方法給下極板設(shè)定0V電壓。用同樣方法給Background設(shè)為Balloon。然后File/Exit/Yes保存退出。9. 進(jìn)入Setup Executive Parameters/Force，點(diǎn)擊Object1，點(diǎn)擊Include下的Yes。只設(shè)定上極板即可，因?yàn)橄聵O板的受力一定相同。Exit退出。10. 進(jìn)入Setup Executive Parameters/Matrix設(shè)定電容求解，依次點(diǎn)擊Object1，Include in matrix, Signal Line, Assign；然后點(diǎn)擊Object2，Include in matrix, Ground, Assign。11. 進(jìn)入Setup Solution/Options進(jìn)行求解設(shè)置，設(shè)置如下：Starting Mesh: Initial Percent refinement per pass: 30, Number of requested passes: 8, Percent Error: 0.01.12. 設(shè)置完畢后進(jìn)行求解，點(diǎn)擊solve/nominal problem13. 點(diǎn)擊Solutions/Force可看到力的計(jì)算結(jié)果為F(x)=5.3E-11, F(y)=-4.7E-7N。點(diǎn)擊Solutions/Matrix可看到電容的計(jì)算結(jié)果為1.0E-10F/m。14. 點(diǎn)擊Post Process進(jìn)入后處理。下圖為電位分布圖和網(wǎng)格圖。從網(wǎng)格圖可以看出單元分布的合理性。如果想要具體觀察一些部位的電場強(qiáng)度大小，可以在模型中畫一條短線，具體操作如下：順次選擇Geometry/Create/Line，在左邊出現(xiàn)的對話框中輸入x, y值的大小，點(diǎn)擊俄Enter，然后輸入下一點(diǎn)的位置點(diǎn)擊Enter, 點(diǎn)擊Done，命名為利Line1，然后順次選擇：Plot/Field/mag E /Line Line1 /all繪制沿線的場分布曲線。第3章 三維（3D）模型計(jì)算的操作步驟3.1 建模1 新建工程（Project）雙擊MAXWELL圖標(biāo)，打開MAXWELL面板。單擊Project，打開工程窗口，然后單擊new按鈕，彈出圖1所示的窗口。輸入文件名（如test3d），選擇分析類型（Type）為Maxwell 3D Version 6，單擊OK。圖1 工程主界面2 選擇求解類型Solver（求解器）有三種類型，默認(rèn)的求解器是Megnetostatic（靜磁場），另外兩個是Electrostatic（靜電場）和Eddy Current（渦流場）。根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。3 進(jìn)入建模窗口單擊Draw按鈕，彈出圖2所示窗口。默認(rèn)單位制是mm，單擊該按鈕可以修改單位制，然后單擊OK。圖2 單位設(shè)定界面4 建模的準(zhǔn)備工作和基本技能（1）準(zhǔn)備工作開始打開建型界面時看到四個小窗口，其為從不同角度觀察的界面（視圖），在建模時最好只利用右上角的三維坐標(biāo)界面；將鼠標(biāo)移動到右上角窗口的左下角，此時鼠標(biāo)變成黑色，兩邊都有箭頭，即，按下鼠標(biāo)左鍵向左下方拖拉，擴(kuò)大該窗口。（2）基本技能：i）圖形旋轉(zhuǎn)。光標(biāo)在窗口中點(diǎn)右鍵，彈出一個圖3所示的窗口，單擊其中的Rotate，菜單消失，鼠標(biāo)變成弧狀，按住左鍵拖動可以旋轉(zhuǎn)物體。ii）圖形放大與縮小。單擊工具欄中的“+”號按鈕可放大圖形，“”號可縮小，“x”號使圖形充滿窗口。iii）移動工作平面。移動工作平面可視為建立一個局部坐標(biāo)，設(shè)置一個特定坐標(biāo)原點(diǎn)與方向的坐標(biāo)系。移動工作平面在建模中具有非常重要的作用，可大大簡化建模過程，如建立兩個圓柱時，可首先設(shè)定工作平面的坐標(biāo)系使其Z軸與第一個圓柱的軸線重合，建立該圓柱；然后設(shè)定工作平面的坐標(biāo)系使其Z軸與第二個圓柱的軸線重合，建立該圓柱。移動工作平面的具體操作步驟為：先在界面左上角的xyz后面的文本框中輸入坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，然后執(zhí)行菜單操作Coordinates-Set Current CS-Move Origin，將坐標(biāo)系移動到該點(diǎn)。在角度(Rad弧度或Ang度)欄內(nèi)填上角度，然后執(zhí)行菜單操作Coordinates- Set Current CS-Rotate X, Y或Z可以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。菜單Coordinates-Global可以將坐標(biāo)系移回原點(diǎn)。圖45 建模MAXWELL 3D有三種建模方法：直接建立模型、用宏命令文件生成模型、導(dǎo)入二維模型然后旋轉(zhuǎn)拉伸得到三維模型。下面分別介紹。(1) 直接建立模型i) 建立方體。根據(jù)立方體的尺寸計(jì)算出坐標(biāo)，在左上角的xyz后面的空格中輸入立方體的一個頂點(diǎn)坐標(biāo)，然后在菜單中選擇Solids-Box，或者單擊菜單欄的按鈕，進(jìn)入建模狀態(tài)。然后單擊Enter，在Enter Box Size下面的空格中輸入正方體xyz方向的寬度。最后單擊Enter完成建模。ii) 建圓柱。在左上角的xyz后面的空格中輸入圓柱一個端面的中心坐標(biāo)，然后在菜單中選擇Solids-Cylinder，或者單擊菜單欄的按鈕，進(jìn)入建模狀態(tài)，選擇圓柱的對稱軸。單擊Enter，在Radius & Height下面的空格中輸入半徑R和高度H，段數(shù)（圓柱的弧是由直線近似的，段數(shù)表示的就是直線的數(shù)量，越多越精確，但是剖分也越復(fù)雜）默認(rèn)值是12（可以增加，最好是4的整數(shù)倍）。最后單擊Enter完成建模。iii) 建矩形面積。這里介紹矩形的目的是因?yàn)樵诰€圈上面加電流的時候需要建立一個橫截面。在左上角的xyz后面的空格中輸入矩形一個頂點(diǎn)的坐標(biāo)，在菜單中選擇Lines-Rectangle，單擊Enter，選擇矩形所在的平面（XY/YZ/ZX），輸入相應(yīng)的長寬，例如選擇XY，那么輸入X和Y方向的距離。單擊Enter，生成矩形。iv) 建空心圓柱體（圓筒）。建立圓筒模型有兩種方法。(a) 建立兩個圓柱然后相減。先建兩個圓柱，然后在菜單中選擇Solids-Subtract進(jìn)入相減狀態(tài)，用鼠標(biāo)選擇大（被減）圓柱（注意：鼠標(biāo)選擇的時候相應(yīng)的圓柱會變色，以免誤選），然后OK；再選擇小圓柱，OK。(b) 先建立矩形面，然后旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的方法是，在菜單中Solids-Sweep-Around Axis，在窗口左邊的Object名字框內(nèi)點(diǎn)擊所要選擇的矩形的名字，OK；再選擇旋轉(zhuǎn)軸，然后輸入旋轉(zhuǎn)角度，Enter。附加說明建模時每步或建完一個部分后都要按Enter確認(rèn)，在這個操作之前可以在窗口中看到閃爍的圖形，這個圖形就是按Enter之后要建立的模型，如果想取消該模型，可以單擊Cancel鍵。(2) 用宏命令文件生成模型。宏命令文件是可以用記事本編輯的，當(dāng)然為了不用死記硬背命令極其格式，我們可以先用GUI（圖形界面方式，即建模的第一種方式）建立模型，然后察看它的宏命令文件來得到相應(yīng)的命令格式。由此可以看出，用此種方法建立幾種相似的模型或進(jìn)行模型修改可以大大減少工作量。察看宏命令文件的方法是：打開Ansoft文件加下 當(dāng)前工程名.pjt文件夾下mod3文件夾下當(dāng)前工程名.mac，該文件的代碼及其含義如下。（注：2D問題不能用宏命令文件）NewObjColor 192 192 192定義新建物體的顏色為灰色Cyl 0, 0, 0 2 1 1 cyl1 12 1, 0, 1建立圓柱，圓心在0,0,0，名稱為cy11NewObjColor 192 192 192定義新建物體的顏色為灰色Cyl 0, 0, 0 2 2 1 cyl2 12 2, 0, 1 建立圓柱，圓心在0,0,0，名稱為cy12NewObjColor 192 192 192定義新建物體的顏色為灰色Rectangle 0, 0, 0 2 1 1 rect1 1建立矩形，名稱為rect1FitAllViews 執(zhí)行fit命令如果模型有改變，可修改這個mac文件，然后另存。執(zhí)行宏命令文件的方法是：在建模窗口菜單中依次選擇File-Macro-Execute或者直接按Ctrl+F3，彈出下圖所示的窗口。用鼠標(biāo)選擇mac文件，Ok即可自動執(zhí)行里面的命令。(3) 導(dǎo)入二維模型。菜單操作：File-Import-2D Modeler File，選擇二維模型文件導(dǎo)入即可。具體方法和步驟參見附錄中的例1：氣體開關(guān)電場計(jì)算。3.2 定義材料屬性在工程菜單中選擇Setup Materials進(jìn)入材料屬性定義窗口，界面如下圖所示。圖中的Bachground是背景空氣區(qū)域，其他兩個物體的材料屬性都還沒有定義，故為UNASSIGNED標(biāo)志。設(shè)定物體屬性的方法為：在物體列表框中選擇一個物體，在下面的材料名稱框中選擇這個物體對應(yīng)的材料，單擊Assign（施加）按鈕可完成定義。這種情況適用于材料列表中已有所需材料的情況。若沒有，則需要自己定義材料，方法為：單擊Material按鈕，選擇add（添加），然后在右邊的空格中輸入材料名稱和屬性值。定義完材料屬性之后，單擊Exit關(guān)閉窗口，然后單擊yes保存。3.3 加載激勵和邊界條件在工程菜單中選擇Setup Boundary/Sources進(jìn)入加載窗口。加載之前要選擇欲施加載荷的物體，具體操作是進(jìn)入菜單File-Edit-Select By Name來選擇。加載激勵電場問題的源為：Voltage（電壓）、Charge（電荷）和Charge Density（電荷密度）；磁場問題的源為：Current（電流）、Current Density（電流密度）和Voltage（電壓）。對于時變場或渦流問題的源一般與計(jì)算磁場的源相同。施加邊界條件施加邊界條件和激勵源的主界面如下圖所示，可在激勵和邊界條件之間切換。完成施加邊界條件和激勵源后關(guān)閉窗口，單擊yes保存。3.4 設(shè)置求解選項(xiàng)與求解在工程菜單中選擇Setup Solution-Options進(jìn)入窗口設(shè)置求解選項(xiàng)。選項(xiàng)說明跟二維相同。完成設(shè)置后單擊OK。在工程菜單中選擇Solve-Nominal Problems求解。3.5 后處理在工程菜單中選擇Postprocess-Nominal Problems進(jìn)入后處理窗口。后處理的功能將在后面結(jié)合實(shí)例講解。3.6 補(bǔ)充說明在打開一個工程時，若軟件彈出“該工程被鎖住(Locked)”的信息，應(yīng)單擊右下角的Recover按鈕，然后單擊“是”。3.7 例1 兩電極電場計(jì)算1問題描述空氣中有高、低壓兩個電極，兩個電極均為圓柱導(dǎo)體前端有一個半球，如下圖所示，球的半徑為10mm，兩球頂點(diǎn)相距20mm，圓柱半徑為20mm，高為100mm。計(jì)算目的是得到電場分布，察看電場強(qiáng)度和電位分布。為了說明軟件的使用方法，我們計(jì)算其全模型。因?yàn)槭禽S對稱模型，可以先建立平面模型然后旋轉(zhuǎn)得到三維模型。2. 模型建立對該問題先建立二維模型然后導(dǎo)入二維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)生成三維模型。利用圖形界面建模的操作步驟如下。(1) 新建工程。雙擊MAXWELL圖標(biāo)，打開MAXWELL面板。單擊Project，打開工程窗口，然后單擊new按鈕。輸入文件名(如kaiguan2d)，選擇分析類型為Maxwell SV Version 9（二維軟件），單擊OK，打開kaiguan2d工程窗口。(2) 將Drawing從默認(rèn)的XY Plane改成RZ Plane。不用修改Solver，因?yàn)橹皇墙?，不用?jì)算。(3) 單擊Define Model-Draw Model進(jìn)入建模窗口。(4) 進(jìn)入菜單Model-Drawing Size修改畫板尺寸。R為左下角標(biāo)出的U方向，Z為V方向。將原來的0,-35,100,35改成0,0,100,200，然后OK。(5) 進(jìn)入菜單Model-Snap to Mode，去掉Snap to grid（捕捉柵格）前面的對號，如下圖。注：Snap to vertex為捕捉頂點(diǎn)。(6) 畫電極。先畫一個如下圖所示的電極。單擊工具欄的畫順時針圓弧，然后在屏幕下方的UV后面的空格中分別填入圓心（0, 20），單擊Enter。然后輸入圓弧的起始點(diǎn)（10，20），即在dU欄中輸入10，在dV欄中輸入0，單擊Enter；dU和dV是在圓心坐標(biāo)的基礎(chǔ)上得增量。再輸入圓弧的終點(diǎn)（0，10），即在dU欄中輸入0，在dV欄中輸入-10，單擊Enter。然后會彈出一個將圓由多少段直線段表示的提問窗口，定義段數(shù)（Number of segments）或角度增量（Angular increment）后單擊OK，畫板上出現(xiàn)一段圓弧。附注：實(shí)際上由圓心坐標(biāo)與起始點(diǎn)坐標(biāo)即可定義圓弧的半徑，若所輸入的終點(diǎn)坐標(biāo)沒有在圓弧上，則圓弧會終止在圓心與終點(diǎn)的連線上。單擊工具欄中的進(jìn)入畫線狀態(tài)?，F(xiàn)在U、V欄中分別輸入10和20，然后在dU、 dV中輸入10和0，按Enter；再在dU、dV中輸入0和100，按Enter；再在dU、dV中輸入-20和0，按Enter；再按Enter即可得到下圖所示的模型(為節(jié)省篇幅圖形旋轉(zhuǎn)了90度)。 (7) 退出保存建模窗口。單擊Exit退出工程窗口。(8) 新建一個名為kaiguan3d的工程，選擇MAXWELL 3D Version 6。選擇求解器為Electrostatic。(9) 建三維模型。單擊Draw進(jìn)入建模窗口。單擊OK確認(rèn)單位制為mm。菜單操作File-Import-2D Modeler File，選擇kaiguan2d.pjt目錄，選擇該目錄下的kaiguan2d.sm2，OK。二維模型成功導(dǎo)入到xy平面。二維模型旋轉(zhuǎn)成三維。菜單操作：Solids-Sweep-Around Axis。選擇Object，按OK。Sweep Axis選擇Y，OK，模型一半被建立。做關(guān)于xoz坐標(biāo)面的鏡像拷貝生成模型的另一半。菜單操作：Edit-Select All選擇所有物體；菜單操作：Edit-Duplicate-Mirror；給定對稱面上的一點(diǎn)，即給定xyz的坐標(biāo)分別為0,0,0，Enter，然后再輸入一點(diǎn)定義對稱面的法向，相對于對稱面上的一點(diǎn)(0,0,0)，應(yīng)給定xyz的坐標(biāo)為0,-10,0，Enter。退出保存。3. 定義材料屬性在工程窗口中單擊Setup Materials，打開材料屬性定義窗口。將Object12全部定義為Copper（銅、導(dǎo)體）。單擊Exit和Yes。4. 定義邊界條件在工程窗口中單擊Setup Boundaries/Sources。菜單操作：Edit-Select-By Name或者用鼠標(biāo)選擇高壓電極Object1，單擊Done，在Value后面的空格中輸入100，單擊Assign按鈕。然后選擇低壓電極Object2，單擊Done，在Value后面的空格中輸入0，單擊Assign按鈕。退出保存或保存退出。5. 定義求解選項(xiàng)在工程窗口中單擊Setup Solution，Number of Request Passes（迭代步數(shù)）中輸入2。注：三維模型要求計(jì)算時間一般較長，所以不要將一個新模型的迭代步數(shù)設(shè)置太大，察看結(jié)果趨勢正確后再加步數(shù)。6. 求解在工程窗口中單擊Solve-Nominal Problem進(jìn)行求解。7. 后處理。察看XOY面電位分布。菜單操作：Plot-Field-phi, Surface xy, -all-, ok, ok，電位顯示結(jié)果如下圖所示?？梢钥吹?，由于計(jì)算步數(shù)只有2，單元較少所以電位分布圖局部不光滑，呈鋸齒狀，增加計(jì)算步數(shù)即可得到好的結(jié)果。察看電場強(qiáng)度。菜單操作：Plot-Field-E, Vector Surface, xy, -all-, ok。Size（箭頭大?。?0, Spacing（箭頭間距）10。8. 結(jié)果文件輸出方法利用計(jì)算器可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出結(jié)果數(shù)據(jù)的功能。（1）準(zhǔn)備工作在Ansoft工作目錄的pjt文件夾下用記事本建立兩個文件，將它們的擴(kuò)展名分別修改為pts和reg。pts文件的內(nèi)容為給定所要觀察的場點(diǎn)的坐標(biāo)，其格式如下（三個點(diǎn)）：0-50000050（2）導(dǎo)出結(jié)果數(shù)據(jù)到文件以電場強(qiáng)度的結(jié)果為例。單擊工具欄中的計(jì)算器按鈕，在input中單擊Qty按鈕并選擇E，在ouput中選擇Export-To File，在Points File Name中選擇已建立的擴(kuò)展名為pts的文件，Output File Name中選擇已建立的擴(kuò)展名為reg的文件，OK即可。用記事本打開reg文件，即可看到如下結(jié)果。Vector data 0 -5 0 5866.51211916 -55464.2863341955 8098.07920337690 0 0 -794.167058431997 -55535.4035275828 2945.319567012770 5 0 3264.90141432673 -55591.4792657537 -2160.260578669033.8 例2 電壓互感器下半部分電場計(jì)算一、二維模型建立可以通過先建二維模型然后旋轉(zhuǎn)生成三維模型的方法建模。二維模型還可以分部分建立，如分為外殼、線圈、中屏、高壓屏等，讓后在三維界面中逐個讀入二維模型。各部分二維模型的建立與所保存的文件名如下所示。1. 外殼，文件夾：m2xwk1.pjt按逆時針順序依次畫直線和圓弧便可以得到外殼的二維模型如下圖所示。圖1 外殼的二維模型2. 線圈，文件夾：m2xxq1.pjt按逆時針（或順時針）順序依次畫直線和圓弧可得到線圈的二維模型如下圖所示。圖2 線圈的二維模型3. 中屏，文件夾：m2szp1.pjt按逆時針（或順時