1、ANSYS電磁場分析指南第十四章發(fā)表時間：2007-9-20    作者: 安世亞太  來源: e-works關(guān)鍵字: ANSYS 電磁場分析 CAE教程 http:/pera.e- 第十四章 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

2、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SOLID1223-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MATRIX50無(超單元)取決于構(gòu)成本單元的單元取決于構(gòu)成本單元的單元類型INFIN1102-D4或8節(jié)點每個節(jié)點1個；磁矢量位，溫度，或電位INFIN1113-D六面體，8或20節(jié)點AX、AY、AZ磁矢勢，溫度，電勢，或磁標量勢IN

3、FIN92-D平面，無界，2節(jié)點AZ磁矢勢，溫度INFIN473-D四邊形4節(jié)點或三角形3節(jié)點AZ磁矢勢，溫度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，/TITLEGUI：Utility Menu>File>Change JobnameUtility Menu>File>Change Title如果是GUI方式，設(shè)置分析參考框：GUI：Main Menu>Preferences>Electromagnetics：Electric設(shè)置為

4、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µMKSV制電參數(shù)換算系數(shù)和MKS制到µMSVfA制電參數(shù)換算系數(shù)表表4 MKS制到µMKSV制電參數(shù)換算系數(shù)表電參數(shù)MKS制量綱乘數(shù)µMKSV制量綱電壓V(kg)(m)2/(A)(s)31V(kg)(

5、81;m)2/(pA)(s)3電流AA1012pApA電荷C(A)(s)1012pC(pA)(s)導電率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3106pS/µm(pA)2(s)3/(kg)(µm)3電阻率m(kg)(m)3/(A)2(s)310-6Tµm(kg)(µm)3/(pA)2(s)3介電常數(shù)1F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3106pF/µm(pA)2(s)2/(kg)(µm)3能量J(kg)(m)2/(s)21012pJ(kg)(µm)2/(s)2電容F(A)2(s)4/(kg)(m)21012pF(pA)2

6、(s)4/(kg)(µm)2電場V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/µm(kg)(µm)/(s)3(pA)通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)21pC/(µm)2(pA)(s)/(µm)2自由空間介電常數(shù)等于8.0854E-6pF/µm表5 MKS制到µMSVfA制電參數(shù)換算系數(shù)表電參數(shù)MKS 制量綱乘數(shù)µMSVfA制量綱電壓V(kg)(m)2/(A)(s)31V(g)(µm)2/(fA)(s)3電流AA1015fAfA電荷C(A)(s)1015fC(fA)(s)導電率S/m(A)2(s)

7、3/(kg)(m)3109fS/µm(fA)2(s)3/(g)(µm)3電阻率m(Kg)(m)3/(A)2(s)310-9-(g)(µm)3/(fA)2(s)3介電常數(shù)F/m(A)2(s)4/(kg)(m)3109fF/µm(fA)2(s)2/(g)(µm)3能量J(kg)(m)2/(s)21015fJ(g)(µm)2/(s)2電容F(A)2(s)4/(kg)(m)21015fF(fA)2(s)4/(g)(µm)2電場V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/µm(g)(µm)/(s)3(fA)通量

8、密度C/(m)2(A)(s)/(m)2103fC/(µm)2(fA)(s)/(µm)2自由空間介電常數(shù)等于8.0854E-3fF/µm14.3.2 加載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。 進入求解處理器命令：/SOLUGUI：Main Menu>Solution定義分析類型選擇下列方式之一：·GUI：選菜單路徑Main Menu>Solution>New Analysis并選擇靜態(tài)分析·命令：ANTYPE，STATIC，NEW·如

9、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ANTYPE，STATIC，REST。重啟動分析的前提條件是：預先完成了一個靜電分析，且該預分析的Jobname. EMAT，Jobname. ESAV和Jobname.DB文件都存在。定義分析選項可以選擇波前求解器（缺省）、預條件共軛梯度求解器（PCG）、雅可比共軛梯度求解器（JCG）和不完全喬列斯基共軛梯度求解器（ICCG）之一進行求解：命令：EQSLVGUI：Main Menu>Solution>Analysis Options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

10、省為1.0-8。 加載靜電分析中的典型載荷類型有：.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：DGUI：Main Menu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Boundary> -Voltage-.2電荷密度（CHRG）命令：FGUI：Main Menu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Excitation>-Charge-On Nodes14.3

11、.2.4.3面電荷密度（CHRGS）命令：SFGUI：Main Menu>Solution>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Excitation-Surf Chrg Den-.4 Maxwell 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：FMAGBCGUI：Main Menu>Solution>-L

12、oads-Apply>-Electric-Flag>-Maxwell Surf-option.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，INF僅僅是一個標志。命令：SFGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Flag>-Infinite Surf-option分頁.6 體電荷密度（CHRGD）命令：BF，BFEGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Electric-Excitat

13、ion>-Charge Density-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。.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”.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模型數(shù)據(jù)：命令：RESUMEGUI：Utility Menu>File>Resume Jobname.db.9 開始求解命令：SOL

14、VEGUI：Main Menu>Solution>Current LS.10結(jié)束求解命令：FINISHGUI：Main Menu>Finish14.3.3 觀察結(jié)果ANSYS和ANSYS/Emag程序把靜電分析結(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PO

15、ST1通用后處理器中觀察分析結(jié)果：命令：/POST1GUI：Main Menu>General Postproc對于整個后處理功能的完整描述，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,TIMEGUI：Utility Menu>List>Results>Load Step Summary如果所定義的時間值處并沒有計算好的結(jié)果，ANSYS將在該時刻進行線性插值計算。對于線單元（LINK68），只能用以下方式得到導出結(jié)果：命令：ETABLEGUI：Main Menu>General Postproc>Element Table>Def

16、ine Table命令：PLETABGUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Elem TableMain Menu>General Postproc>Element Table>Plot Elem Table命令：PRETABGUI：Main Menu>General Postproc>List Results>List Elem TableMain Menu>General Postproc>Element Table>Elem Table Data繪制等值線圖：命令：PL

17、ESOL，PLNSOLGUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Element SolutionMain Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu繪制矢量圖：命令：PLVECTGUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>PredefinedMain Menu>General Postproc>Plot Results>User Defined以表格的方式顯示數(shù)據(jù)：命令：PRESOL，P

18、RNSOL，PRRSOLGUI：Main Menu>General Postproc>List Results>Element SolutionMain Menu>General Postproc>List Results>Nodal SolutionMain Menu>General Postproc>List Results>Reaction SoluPOST1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。

19、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)。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Q1和Q2為電極1和2上的電荷，U1和U2分別為電壓降。Q1= (Cg)11(U1)+(Cg)12(U2)Q2= (Cg)12(U1)+(Cg)22(U2)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

20、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。下面二個方程描述了感應電荷與電壓降之間形成的集總電容：Q1=(C1)11(U1)+(C1)12(U1U2)Q2=(C1)12(U1U2)+(C1)22(U2)式中C1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)字按照到系統(tǒng)中所含

21、導體數(shù)目進行編號。最高編號必須為地導體（零電壓）。應用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)部不需要進行網(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節(jié)點，組成節(jié)點部件。命令：CMGUI:Utility Menu >Select >Comp/Assembly >Create Component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“Condl”、“Con

22、d2”和“Cond3”，最后一個部件“Cond3”應該為表示地的節(jié)點集。3.用下列方法之一，進入求解過程：命令：SoluGUI：Main Menu>Solution4.選擇方程求解器（建議用JCG）：命令：EQSLVGUI：Main Menu>Solution>Analysis Options5.執(zhí)行CMATRIX宏：命令：CMATRIXGUI：Main Menu >Solution >Electromagnet >Capac MatrixCMATRIX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

23、只建一部分模型，乘以對稱系數(shù)得到正確電容值。·節(jié)點部件前綴名（Condname）。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，直接將“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“

24、地”選項設(shè)置為零（缺省）。在某些情況下，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“1”·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“i”和“j”列代表導體編號，“k”列表示對地（k=1）或集總（k=2）項。缺省名為CMATRIX。例如，CMATRIX（i,j,1）為對地項，CMATRIX（i,j,2）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

25、，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0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0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

26、NUMCOND和GRNDKEY選項設(shè)置值的各種開放和閉合區(qū)域模型。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(INFIN110和INFIN111)，另一種方法為混合有限元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方法的理論分析參見ANS

27、YS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方法需要建立一個Trefftz區(qū)域，Trefftz區(qū)域由下列部分組成：·在有限元區(qū)域內(nèi)的一個Trefftz源節(jié)點部件，但與有限元模型無關(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

28、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（20100個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)之間建立聯(lián)系；Tefftz方法與遠場單元比較有如下優(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方法與遠場單元比較有如下缺點：·只能

29、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

30、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（INF Label）,使用如下方法：命令：SF，SFA，SFEGUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads- Apply>-Electric- Flag>-Infini

31、te Surf-On NodesMain Menu>Preprocessor>Loads>-Loads- Apply>-Electric- Flag>-Infinite Surf-On AreasMain Menu>Preprocessor>Trefftz-Domain>Infinite Surf-On Areas3）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，應在模型裝置與

32、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該小于到有限元模型外表面的距離，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Y和Z方向應用大致相同的規(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解而產(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Tre

33、fftz節(jié)點。但是它應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：TZAMESHGUI：Main Menu>Preprocessor>Trefftz Domain>Mesh TZ Geometry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)

34、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100Trefftz節(jié)點。利用下列方法，可刪除Trefftz節(jié)點：命令：CMSEL,TZ_NODNDELE,ALLCMDELE,TZ_NODGUI：Main Menu>Preprocessor>Trefftz Domain>Delete TZ Nodes4）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MA

35、TRIX50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：TZEGENGUI：Main Menu>Preprocessor>Trefftz Domain>-Superelement-Generate TZTZEGEN命令也自動定約束方程。一旦建立了Trefftz區(qū)域，就可利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)域應被刪除。在

36、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、相應的約束方程和全部Trefftz 文件：命令：TZDELEGUI：Main Menu>Preprocessor>Trefftz Domain>-Superelement-Delete TZTZDELE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.T

37、ZM Trefftz 材料文件詳見本手冊例題“用Trefftz方法進行靜電分析(命令方法)”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)描述如何做一個屏蔽微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V1，屏蔽的電勢為V0，確定傳輸線的電容。該算例的描述見下圖。材料和幾何參數(shù)14.6.2 分析方法與建模提示通過能量和電位差的關(guān)系可以求得電容：We = 1/2C(V1-V0)2，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。

38、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Utility Menu>File>Change Title.3.輸入"Microstrip transmission line analysis."4.點擊 OK.5.選擇Main Menu>Preferences.6.點擊Magnetic-Nodal和Electric.7.點擊 OK.步驟 2: 定義參數(shù)1.選擇Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters.2.輸入下列參數(shù)，若發(fā)生輸入錯

39、誤，重新輸入即可V1 = 1.5V0 = 0.53.點擊 Close步驟 3: 定義單元類型1.選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete.2.點擊 Add.3.點擊高亮度的"Electrostatic"和"2D Quad 121."4.點擊 OK.5.點擊 Close.步驟 4: 定義材料屬性1.選擇Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models.2.在材料窗口,依次雙擊以下選項: Electr

40、omagnetics, Relative Permittivity, Constant3.MURX (Relative permeability)輸入 1,點擊OK.在定義材料的窗口的左邊區(qū)域顯示的材料號為1.4.選擇菜單路徑 Edit>Copy. 點擊OK。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>Exit8點擊 SAVE_DB on the ANSYS Toolbar.步驟 5: 建立幾何模型和壓縮編號1.選擇Main Menu>Preproc

41、essor>-Modeling-Create>-Areas-Rectangle> By Dimensions.2.輸入下列值(用TAB鍵，在輸入?yún)^(qū)域間切換)X1 域0X2域.5Y1域0Y2域13.點擊 Apply.4.創(chuàng)建第2個矩形，輸入下列值：X1域.5X2域5Y1域0Y2域15.點擊 Apply.6.創(chuàng)建第3個矩形，輸入下列值：X1域0X2域.5Y1域17.點擊 Apply.8.創(chuàng)建第4個矩形，輸入下列值：X1域.5X2域5Y1域1Y2域109.點擊 OK.10.粘接所有面, 選擇Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate

42、>-Booleans-Glue>Areas.11.點擊 Pick All.12.選擇Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers.13.設(shè)置 "Item to be compressed" 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Utility Menu>Select>Entities.2.把頂端的選項按鈕由"Nodes"設(shè)置為"Areas.".3.

43、把緊接著的選項按鈕設(shè)置為 "By Num/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Main Menu>Preprocessor>-Attributes-define>Picked Areas. 點擊 Pick All.8.設(shè)置"Material number" 為2.9.點擊 OK.10.選擇Utility Menu>Select>Entities.11.確認兩個按鈕為 "Areas" 和 "By Nu

44、m/Pick."12.點擊 Sele All, 點擊 OK.13.點擊 Pick All.14.選擇Utility Menu>Select>Entities.15.把頂部按鈕設(shè)置為 "Lines."16.把底部按鈕設(shè)置為 "By Location."17.點擊 Y Coordinates .18.在"Min, Max" 區(qū)域, 輸入1.19.點擊 Apply.20.點擊Reselect和X Coordinates按鈕21.在 "Min, Max" 區(qū)域, 輸入.25.22.點擊 OK.步驟7:

45、 劃分模型1.選擇Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Size Cntrls>-Lines-All Lines.2.在"No. of element divisions" 區(qū)域, 輸入8.3.點擊 OK.4.選擇Utility Menu>Select>Entities.5.確認頂部按鈕設(shè)置為"Lines."6.設(shè)置下面的按鈕為"By Num/Pick."7.點擊From Full .8.點擊 Sele All, 點擊 OK.9.點擊 Pick All.10.選擇Main Men

46、u>Preprocessor>MeshTool.11.點擊 Smart Size 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 Pick All.17.點擊 Close步驟8: 施加邊界條件和載荷1.選擇Utility Menu>Select>Entities.2.設(shè)置頂部按鈕為"Nodes."3.設(shè)置下面的按鈕為"By Location."4.點擊Y Coordinates和From Fu

47、ll 按鈕.5.在"Min, Max"區(qū)域, 輸入1.6.點擊 Apply.7.點擊X Coordinates和Reselect 按鈕.8.在"Min, Max"區(qū)域, 輸入0,.5.9.點擊 OK.10.選擇Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric- Boundary>-Voltage-On Nodes.11.點擊 Pick All.12.在"Value of voltage (VOLT)"區(qū)域, 輸入V1.13.點擊 OK.14.選擇Uti

48、lity Menu>Select>Entities.15.確認上面的兩個按鈕設(shè)置為"Nodes" 和"By Location."16.點擊 Y Coordinates 和From Full 按鈕.17.在"Min, Max" 區(qū)域, 輸入0.18.點擊 Apply.19.點擊 Also Sele 按鈕.20.在 "Min, Max" 區(qū)域, 輸入10.21.點擊 Apply.22.點擊 X Coordinates 按鈕.23.在"Min, Max" 區(qū)域, 輸入5.24.點擊 OK.

49、25.選擇Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric- Boundary>-Voltage-On Nodes.26.點擊 Pick All.27.在 "Value of voltage (VOLT)" 區(qū)域, 輸入V0.28.點擊 OK.步驟9: 對面進行縮放1.選擇Utility Menu>Select>Entities.2.確認頂部的按鈕設(shè)置為"Nodes," 下面的按鈕設(shè)置為 "By Num/Pick," 和 "Fro

50、m Full"。3.點擊Sele All 按鈕,點擊OK.點擊 Pick All.4.選擇Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Operate>Scale>Areas.5.點擊 Pick All.6.在 "RX, RY, RZ Scale Factors" 區(qū)域, 輸入下列值：RX field.01RY field.01RZ field07.在"Items to be scaled" 區(qū)域, 設(shè)置按鈕為 "Areas and mesh."8.在"Existing

51、areas will be" 區(qū)域, 設(shè)置按鈕為"Moved."9.點擊 OK.10.選擇Main Menu>Finish.分頁步驟 10: 求解1.選擇Main Menu>Solution>-Solve-Current LS.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Main Menu>Finish.步驟 11: 存儲分析結(jié)果1.選擇Main Menu>General Postproc>Element Table>define Table.2.點擊 Add.3.在&

52、quot;User label for item" 區(qū)域, 輸入SENE.4.在"Results data item" 區(qū)域, 點亮"Energy" (當左邊的"Energy"顯示為高亮度時，右邊的"Elec energy SENE"自動顯示為高亮度)5.點擊 OK.6.點擊 Add.7.在"User label for item" 區(qū)域, 輸入EFX.8.在"Results data item" 區(qū)域, 點亮"Flux & gradient&qu

53、ot; 和 "Elecfield EFX."。9.點擊 OK.10.點擊 Add.11.在 "User label for item" 區(qū)域, 輸入EFY.12.在"Results data item" 區(qū)域, 點亮"Flux & gradient"和"Elec field EFY."。13.點擊 OK.14.點擊 Close15.點擊 SAVE_DB步驟 12: 畫結(jié)果圖1.選擇Utility Menu>PlotCtrls>Numbering.2.設(shè)置"Numbe

54、ring shown with" 區(qū)域為"Colors only."3.點擊 OK.4.選擇Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu.5.在"Item to be contoured" 區(qū)域, 點亮"DOF solution"和"Elec poten VOLT."。6.點擊 OK.7.選擇Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Vector

55、Plot-User-defined.8.在"Item" 區(qū)域, 輸入EFX.9.在"Lab2" 區(qū)域, 輸入EFY.10.點擊 OK.步驟13: 進行電容計算1.選擇Main Menu>General Postproc>Element Table>Sum of Each Item.2.點擊 OK. 一個彈出窗口會顯式所有單元表及其值。3.點擊 Close4.選擇Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data.5.在"Type of data to be retrieved"

56、 區(qū)域, 點亮"Results data"和"Elem table sums."6.點擊 OK.彈出的對話框顯式求和的單元表值。7.在"Name of parameter to be defined," 區(qū)域, 輸入W.8.設(shè)置"Element table item" 區(qū)域為"SENE."9.點擊 OK.10.選擇Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters.11.輸入下列值：C = (w*2)/(V1-V0)*2)C = (C*2)*1e12)

57、12.點擊 Close.13.選擇Utility Menu>List>Status>Parameters>Named Parameter.14.在"Name of parameter" 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Main Menu>Finish. 點擊 QUIT，選擇一種退出方式并點擊 OK.分頁14.7 命令流實現(xiàn)/BATCH,LIST/PREP7/TITLE, MICROSTRIP TRANSMISSION LINE ANALYSISE

58、T,1,PLANE121! USE 2-D 8-NODE ELECTROSTATIC ELEMENTV1=1.5! DEFINE STRIP POTENTIALV0=0.5! DEFINE GROUND POTENTIALMP,PERX,1,1! FREE SPACE RELATIVE PERMITTIVITYMP,PERX,2,10! SUBSTRATE RELATIVE PERMITTIVITYRECTNG,0,.5,0,1RECTNG,.5,5,0,1RECTNG,0,.5,1,10RECTNG,.5,5,1,10AGLUE,ALLNUMCMP,AREAASEL,S,AREA,1,2AA

59、TT,2ASEL,ALL! SET AREA ATTRIBUTES FOR AIRLSEL,S,LOC,Y,1LSEL,R,LOC,X,.25LESIZE,ALL,8LSEL,ALLSMRTSIZE,3MSHAPE,1! Triangle meshAMESH,ALLNSEL,S,LOC,Y,1! SELECT NODES ON MICROSTRIPNSEL,R,LOC,X,0,.5D,ALL,VOLT,V1! APPLY STRIP POTENTIALNSEL,S,LOC,Y,0NSEL,A,LOC,Y,10NSEL,A,LOC,X,5! SELECT EXTERIOR NODESD,ALL,

60、VOLT,V0! APPLY GROUND POTENTIALNSEL,ALLARSCALE,ALL,.01,.01,0,0,1! SCALE MODEL TO METERSFINISH/SOLUTIONSOLVEFINISH/POST1ETABLE,SENE,SENE! STORE ELECTROSTATIC ENERGYETABLE,EFX,EF,X! STORE POTENTIAL FIELD GRADIENTSETABLE,EFY,EF,Y/NUMBER,1PLNSOL,VOLT! DISPLAY EQUIPOTENTIAL LINESPLVECT,EFX,EFY! DISPLAY VECTOR ELECTRIC FIELD (VECTOR)SSUM! SUM ENERGY*GET,W,SSUM,ITEM,SENE! GET ENERGY AS WC=(W*2)/(V1-V0)*2)! CALCULATE CAPACITANCE (F/M)C=(C*2)*1E12)! FULL GEOMETRY CAPACITANCE (PF/M)*STATUS,C! DISPLAY CAP