電磁場 軟件MAXWELL使用說明

1、Ansoft Maxwell 2D/3D 使用說明23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(gè)新的工程或調(diào)出已存在的工程。要計(jì)算一個(gè)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)

2、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）

3、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

4、沒有正確執(zhí)行時(shí)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(shí)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(lì)源模塊（Setup Boundaries/Sources），設(shè)定執(zhí)行參數(shù)模塊（Setup Executi

5、ve 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

6、 Setup）；打印（Print）；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(shí)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

7、）；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(shí)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(gè)圓環(huán)可以通過兩個(gè)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(shí)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（Pol

8、yline，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 Solid

9、s）。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(shí)針弧線、逆時(shí)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。可以利用Window命令項(xiàng)中的Cascade-Subwindows選項(xiàng)打開多個(gè)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(gè)窗口進(jìn)行放

10、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(gè)窗口上放大局部區(qū)域觀察細(xì)節(jié)，而另一個(gè)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(gè)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(shí)，應(yīng)將鼠標(biāo)移出繪圖區(qū)域，否則移動鼠標(biāo)時(shí)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 co

11、rner point of rectangle（按鼠標(biāo)左健選擇（確定）矩形的第一個(gè)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(gè)角點(diǎn)），此時(shí)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

12、 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(shí)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(o

13、bject)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(gè)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

14、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. Pe

15、rmeability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(shí)，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(shí)，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(gè)閉合的場域問題（如

16、由第一類邊界包圍的一個(gè)電場區(qū)域）背景可以不參加計(jì)算，這時(shí)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(lì)源（Setup Boundaries/Sources）2.5.1 界面介紹邊界條件和激勵(lì)源的界面如下圖所示，左側(cè)為已經(jīng)設(shè)定的邊界激勵(lì)條件（第一次打開時(shí)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(lì)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€(gè)黑色箭頭，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選

17、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(lì)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(lì)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

18、個(gè)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(gè)對稱模型，但大圓電位值-10V，小圓為-5V。3. 鍵入邊界或激勵(lì)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(shí)，可以利用Edit/Visibility隱藏外面的物體

19、，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(gè)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(gè)集總參數(shù)的求解設(shè)定。1. 施加在一個(gè)物體或一組物體上的電磁力 (Force)。2. 施加在一個(gè)物體或一組物體上的力矩 (Torque)。3. 電容、電感、電阻值，對

20、于多個(gè)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(gè)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(gè)物體計(jì)算一個(gè)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(gè)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(gè)物體后要按右下角的Include Selected Objects: Yes，然后物體列表中

21、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(gè)迭代過程，程序先生成一個(gè)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(Cur

22、rent)。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(shí)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(gè)位置再按一次左鍵定義一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格將被細(xì)分。2. Solver Residual:

23、 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(shí)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

24、 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(gè)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(gè)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(shí)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(cuò)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

25、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(gè)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

26、繪制，此時(shí)會彈出一個(gè)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(gè)部分，第一個(gè)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(gè)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

27、想顯示哪個(gè)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(shí)有沒有建立，則可以在此建立。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

28、（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(gè)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(shí)看到四個(gè)小窗口，其為從不同角度觀察的界面（視圖），在建模時(shí)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

29、，此時(shí)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(gè)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(gè)局部坐標(biāo)，設(shè)置一個(gè)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(gè)圓柱時(shí)，可首先設(shè)定工作平面的坐標(biāo)系使其Z軸與第一個(gè)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

30、二個(gè)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

31、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(gè)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(gè)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

32、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(shí)候需要建立一個(gè)橫截面。在左上角的xyz后面的空格中輸入矩形一個(gè)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(gè)圓柱然后相減。先建兩個(gè)圓柱

33、，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(shí)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(shí)每步或建完一個(gè)部分后都要按Enter確認(rèn)，在這個(gè)操作之前可以在窗口中看到閃爍的圖形，這個(gè)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

34、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

35、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(gè)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->Ex

36、ecute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(gè)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(gè)物體，在下面的材料名稱框中選擇這個(gè)物體對應(yīng)的材料，單擊As

37、sign（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(lì)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(lì)電場問題的源為：Voltage（電壓）、Charge（電荷）和Charge Density（電荷密度）；磁場問

38、題的源為：Current（電流）、Current Density（電流密度）和Voltage（電壓）。對于時(shí)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(lì)源的主界面如下圖所示，可在激勵(lì)和邊界條件之間切換。完成施加邊界條件和激勵(lì)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 Probl

39、ems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(gè)工程時(shí)，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 兩電極電場計(jì)算1問題描述空氣中有高、低壓兩個(gè)電極，兩個(gè)電極均為圓柱導(dǎo)體前端有一個(gè)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。

40、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

41、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(gè)如下圖所示的電極。單擊工具欄的畫順時(shí)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

42、。然后會彈出一個(gè)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

43、Exit退出工程窗口。(8) 新建一個(gè)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xo

44、z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/Sou

45、rces。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(shí)間一般較長，所以不要將一個(gè)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

46、 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。可以看到，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

47、用記事本建立兩個(gè)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(gè)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 "<Ex,Ey,Ez>"0 -5 0 5

48、866.51211916 -55464.2863341955 8098.07920337690 0 0 -794.167058431997 -55535.4035275828 2945.319567012770 5 0 3264.90141432673 -55591.4792657537 -2160.26057866903第4章 有限元法簡介Ansoft Maxwell軟件所用的算法是有限元法，該方法是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值解法。有限元方法具有通用性強(qiáng)、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但有限元方法的計(jì)算精度取決于剖分單元的大小與單元的分布，單元數(shù)量越多一般計(jì)算精度越高。4.1 有限元法基本原理有限元法是以變分

49、原理和近似插值離散為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法。該方法首先利用變分原理把所要求解的邊值問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問題，也就是泛函極值問題，然后利用對場域的網(wǎng)格剖分離散和在單元上對場函數(shù)的插值近似，將變分問題轉(zhuǎn)化為普通多元函數(shù)的極值問題，最終歸結(jié)為一個(gè)代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解。對于計(jì)算靜電場問題的泊松方程： (1)在場域?yàn)闀r(shí)，它的等價(jià)泛函為(2)即，使得該泛函取得極值的函數(shù)必滿足方程（1）。因此，求解方程（1）的問題轉(zhuǎn)化成了求解式（2）所示的泛函的極值問題。若將場域離散化，即劃分為許多個(gè)小體積（單元），且在每個(gè)單元內(nèi)將電位的分布近似看作是線性變化的，即單元內(nèi)各點(diǎn)的電位由該單元各頂點(diǎn)電位線性表示，由此，式（2）中對場域的積分可以變?yōu)樵趥€(gè)單元上的積