PLANE13

平面单元PLANE13单元性质:2维耦合场实体单元有效产品：MPMEEMPPEDPLANE13单元说明PLANE13具有2维磁、热、电、压电和结构场分析能力，并能在各场之间实现有限的耦合。本单元有4个节点，每个节点最多有4个自由度。本单元具有为B-H曲线或永磁体退磁曲线建模的非线性磁能力。PLANE13单元具有大变形和应力刚度能力。在用于纯结构分析时，PLANE13单元也具有大应变的能力。关于本单元的更多细节见ANSYS公司理论手册中的PLANE13。具有类似功能的耦合场单元是SOLID5、SOLID62和SOLID98。图13.1PLANE13单元几何PLANE13输入数据在图13.1:PLANE13单元几何中给出了PLANE13单元的几何形状、节点位置和单元坐标系。单元输入数据包括4个节点和磁、热、电及结构材料特性。单位类型(MKS单位或用户定义)通过EMUNIT命令指定。EMUNIT也确定MUZERO的值。EMUNIT默认采用MKS单位，而MUZERO=4πx10-7亨/米。除MUZERO外，通过材料特性表中的MURX和MURY来定义正交各向异性的相对导磁率。MGXX和MGYY表示永磁材料矫顽力的矢量分量。矫顽力的大小为其各个分量的平方和的平方根。极化方向由分量MGXX和MGYY确定。永久磁极的方向和正交各向异性材料的方向与单元坐标系一致。单元坐标系的定位见坐标系。非线性磁特性B-H、压电特性和各向异性弹性特性用TB命令输入，详见数据表–隐式分析。非线性正交各向异性磁特性可以通过B-H曲线和线性相关导磁率的结合来确定。在各单元坐标方向上使用B-H曲线时，将相应导磁率设置为零。一种材料只能设置一条B-H曲线。本单元可以组合使用不同的节点载荷(取决于KEYOPT(1)的值)。节点载荷用D和F命令定义。如果有节点载荷，对平面问题应该输入每单位厚度的值，对轴对称分析应该输入整个360°圆周的值。单元载荷在节点和单元载荷中说明。压力、对流热或热流密度(二者不能同时使用)、辐射以及麦克斯韦面标记[1]可以作为单元边界面上的载荷用SF和SFE命令输入，如图13.1PLANE13单元几何中带圆圈数字所示。正压力指向单元内部。需要计算磁力的表面，可以在该面上使用无数值参数的面载荷命令MXWF作为标记。在这些面上会计算一个麦克斯韦应力张量以得到磁力。在求解时，这些力作为载荷施加到结构上。该表面标记应该施加到与需要计算力的体相邻的空气单元上。删除指定的MXWF也就取消了该标记。体载荷-温度、生热率以及磁虚位移[2]可以输入其在单元节点处的值或单一的单元值[BF和BFE]。源流密度载荷可以施加到面(area)上[BFA]，也可以施加到单元上[BFE]。当存在温度自由度时(KEYOPT(1)=2或4)，忽略以体载荷方式[BF和BFE]施加的温度。一般情况下，未给定的节点温度和生热率默认为由BFUNIF或TUNIF指定的均匀温度或生热率。在静态和瞬态分析时，来自焦尔热的生热率作为求解时的热载荷。如果存在温度自由度，计算得到的温度将替换任何输入的节点温度。对于需要计算局部Jacobian力[2]的空气单元，可以将[BF]命令中MVDI标识符的节点值取为1和0以作为识别。细节可见ANSYS电磁场分析指南。求解时这些力不施加到结构上。译注：[1]麦克斯韦面标记MXWF不是真正意义上的载荷，它只是给模型中需要计算力的部分加上标记。一般给与模型表面相邻的空气单元加上该标记，计算出力后储存到相邻的空气单元中，再在后处理器中对它们求和以得到该部分的合力。[2]磁虚位移MVDI不是真正意义上的载荷，它只是给模型中需要计算力的部分加上标记。和麦克斯韦面标记的作用相同，只是使用了虚功方法。磁标量势选项由SOURC36单元、RACE宏命令或电磁耦合来定义。不同的磁标量势求解选项用MAGOPT命令定义。单元输入汇总于PLANE13输入汇总。对于本单元输入的一般说明见单元输入。用于轴对称问题时，见轴对称单元。PLANE13输入汇总节点I,J,K,L自由度若KEYOPT(1)=0：AZ若KEYOPT(1)=2：TEMP若KEYOPT(1)=3：UX,UY若KEYOPT(1)=4：UX,UY,TEMP,AZ若KEYOPT(1)=6：VOLT,AZ若KEYOPT(1)=7：UX,UY,VOLT实常数无材料特性EX,EY,EZ,(PRXY,PRYZ,PRXZ或NUXY,NUYZ,NUXZ),ALPX,ALPY,ALPZ(或CTEX,CTEY,CTEZ或THSX,THSY,THSZ),DENS,GXY,DAMP,KXX,KYY,C,ENTH,MUZERO,MURX,MURY,RSVZ,MGXX,MGYY,PERX,PERY,加上BH,ANEL,以及PIEZ数据表(见ANSYS帮助中的数据表–隐式分析)。面载荷压力、对流或热流密度(但二者不同时)、辐射(用标识符Lab=RDSF)以及麦克斯韦面标记：面1(J-I),面2(K-J),面3(L-K),面4(I-L)体载荷温度-T(I),T(J),T(K),T(L)生热率-HG(I),HG(J),HG(K),HG(L)磁虚位移-VD(I),VD(J),VD(K),VD(L)源流密度-备用,备用,JSZ(I),PHASE(I),备用,备用,JSZ(J),PHASE(J),备用,备用,JSZ(K),PHASE(K),备用,备用,JSZ(L),PHASE(L)求解能力·场的耦合计算(位移、温度、电、磁，但不包括压电)，要求迭代求解；·大变形；·大应变；·应力刚度；·生死单元；·自适应下降。关键选项KEYOPT(1)–单元自由度0--AZ自由度2--温度自由度3--UX,UY自由度4--UX,UY,TEMP,AZ自由度6--VOLT,AZ自由度7--UX,UY,VOLT自由度KEYOPT(2)–额外的形状函数0--包括额外的形状函数1--不包括额外的形状函数KEYOPT(3)–单元性质0-平面应变(有结构自由度)1-轴对称2-平面应力(有结构自由度)KEYOPT(4)–单元坐标系定义0-单元坐标系平行于总体坐标系；1-单元坐标系以I-J边为基础。KEYOPT(5)–额外的单元输出0-基本单元输出；1-对所有积分点重复基本解；2-节点应力输出。PLANE13输出数据与单元有关的结果输出有两种形式：•包括在整个节点解中的节点自由度。•附加的单元输出，见表13.1PLANE13单元输出定义。在图13.2PLANE13应力输出中显示了几个输出项。单元输出的方向平行于单元坐标系。在结果输出中给出了对于结果输出的一般说明。查看的方法见ANSYS基本分析指南。图13.2PLANE13单元输出由于直角坐标系和极坐标系使用的符号约定不同，对平面(KEYOPT(3)=0)和轴对称(KEYOPT(3)=1)分析，磁流量密度矢量的方向相反。单元输出定义表使用如下标记:在名称列中的冒号(：)表示该项可以用分量名方法[ETABLE,ESOL]处理；O列表示该项可用于Jobname.OUT文件；R列表示该项可用于结果文件。无论O列或R列，Y表示该项总是可用的，一个数字表示表的一个注解,其中说明了使用该项的条件；而减号-表示该项不可用。表13.1PLANE13单元输出定义名称定义OREL单元号YYNODES节点-I,J,K,LYYMAT材料号YYVOLU：体积YYXC,YC结果输出点位置Y3PRESP1在节点J,I;P2在K,J;P3在L,K;P4在I,LYYTEMP输入温度T(I),T(J),T(K),T(L)YYHGEN输入的生热率HG(I),HG(J),HG(K),HG(L)Y-S:X,Y,Z,XY应力分量(对平面应力问题SZ=0.0)11S:1,2,3主应力11S:INT应力强度11S:EQV当量应力11EPEL:X,Y,Z,XY弹性应变11EPEL:1,2,3弹性主应变1-EPEL:EQV当量弹性应变[4]-1EPTH:X,Y,Z,XY平均热应变11EPTH:EQV当量热应变[4]-1TG:X,Y,SUM热梯度分量和矢量和11TF:X,Y,SUM热流率密度(热流率/截面积)分量和矢量和11EF:X,Y电场分量(X,Y)11EF:SUMEF矢量的大小11D:X,Y电流密度分量(X,Y)11D:SUMD矢量的大小11UE,UD,UM电(UE),电介质(UD)和机电耦合(UM)能量11LOC输出位置(X,Y)1-MUX,MUY导磁率11H:X,Y磁场强度分量11H:SUMH矢量的大小11B:X,Y磁流密度分量11B:SUMB矢量的大小11JSZ源流密度,仅对静态分析有效11JTZ总的电流密度11JHEAT:单位体积产生的焦耳热11FJB(X,Y)Lorentz力分量11FMX(X,Y)Maxwell力分量11FVW(X,Y)虚功力分量11FMAG:X,Y组合(FJB和FMX)力分量-1FACE侧面标记22AREA侧面面积22NODES侧面节点号2-HFILM侧面各节点处的膜系数2-TBULK侧面各节点处的介质温度2-TAVG侧面的平均温度22HEATRATE由对流换热引起的边界的热流率22HEATRATE/AREA由对流换热引起的边界每单位面积的热流率2-HFLUX侧面各节点处的热流密度2-HFAVG侧面的平均膜系数22TBAVG侧面的平均介质温度-2HFLXAVG由输入热流引起的边界每单位面积的热流率-2TJB(Z)绕总体直角坐标系+Z轴的Lorentz扭矩11TMX(Z)绕总体直角坐标系+Z轴的Maxwell扭矩11TVW(Z)绕总体直角坐标系+Z轴的虚功扭矩11注解：1只输出计算得到的结果(以输入数据为基础)。附注：JT代表导体中可测量的总电流密度，包括涡流效应和速度影响(如果进行过计算)。对于轴对称问题(KEYOPT(4)=0)，X和Y方向分别对应径向和轴向。X,Y,Z和XY应力输出分别对应径向、轴向、环向和面内剪切应力。对于谐波分析，焦耳热损失(JHEAT)、力(FJB(X,Y),FMX(X,Y),FVW(X,Y))以及扭矩(TJB(Z),TMX(Z),TVW(Z))为时间平均值。这些结果储存在实部数据组中。可以用宏POWERH,FMAGSUM和TORQSUM来得到这些数据。2只有输入面载荷时可用；3只有在单元中心，作为*GET项时可用；4当量应变使用有效泊松比：对于弹性和热分析，由用户输入(MP,PRXY)。表13.2PLANE13其它单元输出说明输出项名称OR积分点结果SINT,SEQV,EPEL,S,MUX,MUY,H,HSUM,B,BSUM1-节点结果SINT,SEQV,S,H,HSUM,B,BSUM2-注解：1如果KEYOPT(5)=1在各积分点输出；2如果KEYOPT(5)=2在各节点输出；表13.3PLANE13输出项和序列号列出了可以通过ETABLE命令,采用序列号方法输出的内容列表。更多信息见ANSYS基本分析指南中一般后处理(POST1)部分和本手册中输出项和序列号表部分。在表13.3PLANE13输出项和序列号中使用如下标识符：Name与表13.1:PLANE13单元输出定义中相同定义的输出量；Item用于ETABLE命令的预先定义的输出项；E对于单值或常数型单元数据的序列号；I,J,K,L节点I,J,K,L处数据的序列号；FCN单元第N条边输出项的序列号。表13.3PLANE13输出项和序列号输出量名称ETABLE和ESOL命令输入ItemEIJKLJSZSMISC1----P1SMISC-43--P2SMISC--65-P3SMISC---87P4SMISC-9--10MUXNMISC1----MUYNMISC2----FVWXNMISC3----FVWYNMISC4----FVWSUMNMISC5----JTZNMISC7----UENMISC8----UDNMISC9----UMNMISC10----TJB(Z)NMISC35----TMX(Z)NMISC36----TVW(Z)NMISC37--