Maxwell 软件培训―2D静电场

Maxwell软件应用——2D静电场王琪2主要内容•Maxwell软件应用简介•有限元分析方法•Maxwell2D界面功能•2D电场计算建模•2D模型求解•2D图形后处理•2D参数化分析*3Maxwell软件简介•Maxwell软件是Ansoft公司仿真软件系列中的电磁场分析模块Maxwell2D3D磁场模块静电场电流场瞬态场温度场参数化和优化设计等效电路提取器4Maxwell软件简介•Maxwell软件的特点友好的界面操作的简便性方便灵活的建模自适应网格剖分方便的后处理显示强大的场计算器2D操作界面2D建模器MaxwellV11（3D）操作界面5Maxwell软件简介•Maxwell软件仿真的一般步骤选择求解器建模添加材料添加边界条件和源设置求解参数设置网格参数(可选)*设置计算参数(可选)*求解后处理显示6有限元方法(FiniteElementMethod)•有限元方法就是将整个连续的场求解区域离散（剖分）成若干个小的子块（称为“单元”）；•由求解变量（电位j）在整个场域的分布转而求解变量在每个单元节点上的离散值；•每个单元内的变量值再应用插值公式求得；e①e②e③e④单元(element)节点(node)en1n2n31j2j3j332211jjjjaaa7有限元方法(FiniteElementMethod)•有限元方法是一种对偏微分方程的离散化数值近似；•有限元方法是对全场域的离散化求解；静电场有限元方程jEEE0)(0)(22jjj的边界条件jj02][]][[FKj)(zyxEjjjj有限元离散化以电位为求解变量j•有限元网格的数量和质量决定了计算的精度和速度8有限元方法(FiniteElementMethod)•Maxwell软件的有限元网格2D计算采用6节点三角元3D计算采用10节点四面体元采用2阶二次多项式插值Az(x,y)=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2网格剖分的质量会影响到收敛速度和收敛精度；以等边三角元网格质量为最佳9有限元方法(FiniteElementMethod)•误差分析–将求解的变量近似解带回原方程，得到每个单元内的能量误差Ri，误差Ri为常量；–得到能量误差百分比，以此作为网格细分和收敛的判据iiiRj*所有单元％总能量能量误差百分数100||iR10有限元方法(FiniteElementMethod)•Maxwell网格自适应流程否细分网格计算场量误差分析满足计算要求？是求解结束求解是否结束的两个判据：（1）求解精度error%（2）最大求解次数Nmax开始求解初始化网格11有限元方法(FiniteElementMethod)•定性分析待求场特性，确定合适的简化模型；•在Maxwell中建立计算模型；•施加合适的边界条件和源；•设定求解误差和最大计算步数；(自适应)•求解并进行后处理场量图显示。Maxwell的一般使用•手动设置网格剖分参数或人为干预网格自适应剖分•利用场计算器进行进一步场量计算分析•多场耦合协同分析*Maxwell的高级使用12Maxwell2D界面功能(ControlPanel)【ANSOFT】——介绍Ansoft公司的联系方式、产品信息和基本配置等【PROJECTS】——所有的求解文件和操作均在此目录下【TRANSLATORS】——文件类型转换器【PRINT】——屏幕窗口打印【UTILITIES】——常用工具，包括颜色设置、材料参数、函数计算等【EXIT】——退出Maxwell13AboutMaxwell产品列表联系方式基本配置14TranslatorsPanel-P4Useoptions–clickHelpfordetailsTranslatefileModeltranslatedsuccessfullyTypeindirectorypath15MaxwellUtilities颜色调整2D建模器画图程序函数求解器材料参数库Note材料库分为全局材料库和局部材料库两种：全局材料库——在所有计算模块中都可以使用，只能在控制面板的工具的材料参数库中修改，在材料管理器中的材料列表中显示为External局部材料库——用户自定义材料，只能用于当前项目，Local16Utilities—Materials名称材料各种属性属性选项特殊属性17ProjectManager当前项目名称和路径当前子项目信息模型显示子项目列表项目文件夹ProjectCommandsAliasCommands18ProjectCommands当前项目名称和路径当前项目名(Alias)下所有的子项目(Project)列表创建新的Project重命名某个Project压缩/存档删除复制移动分类查找19ProjectCommandsProject名称最多可以达到32个字符Project名称不能为中文选择Project类型Enteraprojectname修改作者新建后直接打开TypeinanewprojectnameBACK20ProjectCommands压缩存档压缩是指对单独的Projectfile中的部分文件打包压缩，而不是将ProjectDirectory中的所有Projectfiles全部打包在一起存档会删除部分文件（如求解结果和网格信息）以节省磁盘空间，但基本的模型信息仍保留BACK21ProjectCommands当前所有项目列表待删除项目列表Note点击确定删除后，不可恢复BACK22ProjectCommandsNote文件将会被复制到当前的工作文件夹所有项目文件夹列表当前所要复制源文件路径显示当前文件夹下所有项目文件列表选项表明是否只复制模型基本数据（几何尺寸、材料和边界条件）——否则连同网格数据和求解结果一起复制Typeinaname在此选择所要复制的项目所在文件夹路径BACK23ProjectCommands在此处选择所要移动的项目所在文件夹路径确定所要移动的文件的源路径和目标路径Note此窗口只能选择待移动的源文件地址，文件将被移动到当前工作文件夹下BACK24ProjectCommands可以根据文件名、创建作者、注释文本为搜索关键字搜索结果显示窗口待搜索文件类型25AliasCommands当前项目名称和路径当前项目名(Alias)列表添加编辑删除改变路径26AliasCommands通过该窗口来输入或选择需添加文件地址使用当前目录或者指定一个新的目录地址输入新的项目名(Alias)27AliasCommands28AliasCommands“使用当前目录”则意味着将当前目录下的所有projects文件新归为另一个项目名(Alias)Note此处只是新建一个项目名，指向已有projects文件，而非将所有projects复制29AliasCommands30AliasCommands使用‘‘创建新目录”则意味着在目录文件夹中新建一个文件夹作为projects的目录地址Note新建文件夹后，内部projects文件为空BACK31AliasCommandsBACK32AliasCommands选择要删除的项目名(Alias)该项目中所有projects列表仅删除项目名称，保留所有projects文件同时删除项目名和所有projects文件Note彻底删除，不可恢复BACK33AliasCommands输入或选择新的项目文件夹34ProjectInformationProject基本信息模型显示窗口显示文件大小打开projects执行窗口保存文本注释当project文件被锁定时，用于解锁恢复当前project状态35ProjectInformationNotes可以用来记录projects的计算参数(模型尺寸，材料等)可以输入中文输入完成后要点击“SaveNotes”进行保存保存后按钮变为灰色不可用状态362DExecutiveCommands新建一个Project，打开进入执行命令对话框选择场求解器选择建模类型建模添加材料添加边界条件和源设置计算参数设置求解参数求解后处理参数化变量*放大缩小模型全局化绘图区全局化实体/框架显示收敛Note执行菜单旁的√表示命令执行完成Note只有上一项任务完成后才能进入下一项的操作372DExecutiveCommands计算收敛过程显示显示详细的计算时间、内存占用量和网格数量等信息382DElectricfieldSolver计算模块求解器类型计算场量推导场量电场计算Electrostatic直流电位jE,DDCConduction直流电位jE,JACConduction交流电位j(jwt)E(jwt),D(jwt),J(jwt)EDEJD0J0E02jjE01Uj)(2sfnj][]][[FKj392DDrawingPlane直角坐标系模型（XYPlane）描绘的是模型截面沿Z方向延伸，适用于平行平面场的计算分析轴对称模型（RZPlane）描绘的是模型截面绕Z轴旋转360°，适用于轴对称场和子午平面场的计算分析402DDefineModelStep1：选择求解器和建模坐标平面Step2：点击DrawModel进入建模器示例一：平行板电容器电场计算412DModeler图形绘制区域标题栏菜单栏工具栏状态栏422DModeler——Toolbar按钮说明相应菜单栏按钮说明相应菜单栏画分段折线【Object】删除物体【Edit】顺时针画圆弧不选择所有物体逆时针画圆弧改变物体颜色画样条线单击改变属性加入文本注释测量图形距离【Model】画矩形放大物体【Window】画圆缩小物体移动物体【Arrange】全局显示旋转物体设置坐标系于某一边镜像物体重新设定坐标系432DModeler——MenuTwoObjects(Overlap)UnionSubtractIntersectSimplify用于进行布尔运算后，移去边上的无关点Note(1)布尔操作后原来的物体并没有被删除，而是被指定为Non-Model，自动处于隐藏状态；(2)非封闭物体不能够进行布尔操作442DModeler——MenuTips（1）开始建模前的首要工作就是定义模型单位——DrawingUnits（2）并定义建模绘图区域——DrawingSize（亦为求解区域大小）绘图区大小一般为模型结构的3～5倍网格设置也可在绘图区中直接按G进入452DDrawingModel——PolylinePolyline用于构建一条或多条直线组成的折线段，可用于画封闭物体，也常用于连接非封闭物体的端点，形成封闭物体。Polyline可以通过鼠标操作也可以通过键盘输入操作，还可以两者配合；当画图过程中出现某一点定位错误时，可以通过鼠标右键撤消该点操作当画线完成时，在终点处双击鼠标左键，或者连按两次回车键退出命令Note如果构建的是封闭物体，软件将自动弹出属性对话框，可以更改名称和颜色Tips在使用键盘输入画线时，既可以在【dU】和【dV】中输入相对偏移量（相对坐标），也可以直接在【U】和【V】中输入绝对坐标462DDrawingModel——ArcArc的构建方法同样有鼠标拾取和键盘输入两种方式Arc构建时要分清楚是顺时针还是逆时针方向，确定好起始点和终点顺序Arc的取点顺序为（Center，Start，End）Arc构建完成后会自动弹出“圆弧分段数”对话框，可以改变圆弧近似段数Note改变圆弧折线段数后，“角度增量”（AngularIncrement）会自动修正Tips如果圆弧折线段数较少，则圆弧曲线不光滑，但是过多的折线段数会增大几何复杂度和圆弧网格节点数，一般可以采用软件建议值；如果曲线半径相对较小，则可以降低折线段数472DDrawingModel——Spline样条线Spline用于构建一条曲线段，是根据所给基点对曲线的近似比拟Spline也可以用于画封闭物体，会弹出对话框允许修改名称和颜色属性Spline