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ANSYS电场分析指南关键字:ANSYS电场分析CAE教程静电场分析（h方法）14.1什么是静电场分析静电场分析用以确定由电荷分布或外加电势所产生的电场和电场标量位（电压）分布。该分析能加二种形式的载荷：电压和电荷密度。静电场分析是假定为线性的，电场正比于所加电压。静电场分析可以使用两种方法：h方法和p方法。本章讨论传统的h方法。下一章讨论p方法。14.2h方法静电场分析中所用单元h方法静电分析使用如下ANSYS单元：表1.二维实体单元单元维数形状或特征自由度PLANE1212-D四边形，8节点每个节点上的电压表2.三维实体单元单元维数形状或特征自由度SOLID1223-D砖形（六面体），20节点每个节点上的电压SOLID1233-D砖形（六面体），20节点每个节点上的电压表3.特殊单元单元维数形状或特征自由度MATRIX50无(超单元)取决于构成本单元的单元取决于构成本单元的单元类型INFIN1102-D4或8节点每个节点1个；磁矢量位，温度，或电位INFIN1113-D六面体，8或20节点AX、AY、AZ磁矢势，温度，电势，或磁标量势INFIN92-D平面，无界，2节点AZ磁矢势，温度INFIN473-D四边形4节点或三角形3节点AZ磁矢势，温度14.3h方法静电场分析的步骤静电场分析过程由三个主要步骤组成：1.建模2.加载和求解3.观察结果14.3.1建模定义工作名和标题：命令：/FILNAME，/TITLEGUI：UtilityMenuFileChangeJobnameUtilityMenuFileChangeTitle如果是GUI方式，设置分析参考框：GUI：MainMenuPreferencesElectromagnetics：Electric设置为Electric，以确保电场分析所需的单元能显示出来。之后就可以使用ANSYS前处理器来建立模型，其过程与其它分析类似，详见《ANSYS建模和分网指南》。对于静电分析，必须定义材料的介电常数（PERX），它可能与温度有关，可能是各向同性，也可能是各向异性。对于微机电系统（MEMS），最好能更方便地设置单位制，因为一些部件只有几微米大小。详见下面MKS制到µMKSV制电参数换算系数和MKS制到µMSVfA制电参数换算系数表表4．MKS制到µMKSV制电参数换算系数表电参数MKS制量纲乘数µMKSV制量纲电压V(kg)(m)2/(A)(s)31V(kg)(µm)2/(pA)(s)3电流AA1012pApA电荷C(A)(s)1012pC(pA)(s)导电率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3106pS/µm(pA)2(s)3/(kg)(µm)3电阻率Ωm(kg)(m)3/(A)2(s)310-6TΩµm(kg)(µm)3/(pA)2(s)3介电常数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电容F(A)2(s)4/(kg)(m)21012pF(pA)2(s)4/(kg)(µm)2电场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自由空间介电常数等于8.0854E-6pF/µm表5．MKS制到µMSVfA制电参数换算系数表电参数MKS制量纲乘数µMSVfA制量纲电压V(kg)(m)2/(A)(s)31V(g)(µm)2/(fA)(s)3电流AA1015fAfA电荷C(A)(s)1015fC(fA)(s)导电率S/m(A)2(s)3/(kg)(m)3109fS/µm(fA)2(s)3/(g)(µm)3电阻率Ωm(Kg)(m)3/(A)2(s)310-9--(g)(µm)3/(fA)2(s)3介电常数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电容F(A)2(s)4/(kg)(m)21015fF(fA)2(s)4/(g)(µm)2电场V/m(kg)(m)/(s)3(A)10-6V/µm(g)(µm)/(s)3(fA)通量密度C/(m)2(A)(s)/(m)2103fC/(µm)2(fA)(s)/(µm)2自由空间介电常数等于8.0854E-3fF/µm14.3.2加载荷和求解本步定义分析类型和选项、给模型加载、定义载荷步选项和开始求解。14.3.2.1进入求解处理器命令：/SOLUGUI：MainMenuSolution14.3.2.2定义分析类型选择下列方式之一：·GUI：选菜单路径MainMenuSolutionNewAnalysis并选择静态分析·命令：ANTYPE，STATIC，NEW·如果你要重新开始一个以前做过的分析（例如，分析附加载荷步），执行命令ANTYPE，STATIC，REST。重启动分析的前提条件是：预先完成了一个静电分析，且该预分析的Jobname.EMAT，Jobname.ESAV和Jobname.DB文件都存在。14.3.2.3定义分析选项可以选择波前求解器（缺省）、预条件共轭梯度求解器（PCG）、雅可比共轭梯度求解器（JCG）和不完全乔列斯基共轭梯度求解器（ICCG）之一进行求解：命令：EQSLVGUI：MainMenuSolutionAnalysisOptions如果选择JCG求解器或者PCG求解器，还可以定义一个求解器误差值，缺省为1.0-8。14.3.2.4加载静电分析中的典型载荷类型有：14.3.2.4.1电压（VOLT）该载荷是自由度约束，用以定义在模型边界上的已知电压：命令：DGUI：MainMenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Boundary-Voltage-14.3.2.4.2电荷密度（CHRG）命令：FGUI：MainMenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-Charge-OnNodes14.3.2.4.3面电荷密度（CHRGS）命令：SFGUI：MainMenuSolutionLoads-Loads-Apply-Electric-Excitation-SurfChrgDen-14.3.2.4.4Maxwell力标志（MXWF）这并不是真实载荷，只是表示在该表面将计算静电力分布，MXWF只是一个标志。通常，MXWF定义在靠近“空气-电介质”交界面的空气单元面上，ANSYS使用Maxwell应力张量法计算力并存储在空气单元中，在通用后处理器中可以进行处理。命令：FMAGBCGUI：MainMenuSolution-Loads-Apply-Electric-Flag-MaxwellSurf-option14.3.2.4.5无限面标志（INF）这并不是真实载荷，只是表示无限单元的存在，INF仅仅是一个标志。命令：SFGUI：MainMenuSolution-Loads-Apply-Electric-Flag-InfiniteSurf-option分页14.3.2.4.6体电荷密度（CHRGD）命令：BF，BFEGUI：MainMenuSolution-Loads-Apply-Electric-Excitation-ChargeDensity-option另外，还可以用命令BFL、BFL、BFV等命令分别把体电荷密度加到实体模型的线、面和体上。14.3.2.4.7定义载荷步选项对于静电分析，可以用其它命令将载荷加到电流传导分析模型中，也能控制输出选项和载荷步选项，详细信息可参见第16章“分析选项和求解方法”14.3.2.4.8保存数据库备份使用ANSYS工具条的SAVE_DB按钮来保存一个数据库备份。在需要的时候可以恢复模型数据：命令：RESUMEGUI：UtilityMenuFileResumeJobname.db14.3.2.4.9开始求解命令：SOLVEGUI：MainMenuSolutionCurrentLS14.3.2.4.10结束求解命令：FINISHGUI：MainMenuFinish14.3.3观察结果ANSYS和ANSYS/Emag程序把静电分析结果写到结果文件Jobname.RST中，结果中包括如下数据：主数据：节点电压（VOLT）导出数据：·节点和单元电场（EFX，EFY，EFZ，EFSUM）·节点电通量密度（DX，DY，DZ，DSUM）·节点静电力（FMAG：分量X，Y，Z，SUM）·节点感生电流段（CSGX，CSGY，CSGZ）通常在POST1通用后处理器中观察分析结果：命令：/POST1GUI：MainMenuGeneralPostproc对于整个后处理功能的完整描述，见ANSYS基本分析过程指南。将所需结果读入数据库：命令：SET,,,,,TIMEGUI：UtilityMenuListResultsLoadStepSummary如果所定义的时间值处并没有计算好的结果，ANSYS将在该时刻进行线性插值计算。对于线单元（LINK68），只能用以下方式得到导出结果：命令：ETABLEGUI：MainMenuGeneralPostprocElementTableDefineTable命令：PLETABGUI：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsElemTableMainMenuGeneralPostprocElementTablePlotElemTable命令：PRETABGUI：MainMenuGeneralPostprocListResultsListElemTableMainMenuGeneralPostprocElementTableElemTableData绘制等值线图：命令：PLESOL，PLNSOLGUI：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsElementSolutionMainMenuGeneralPostprocPlotResultsNodalSolu绘制矢量图：命令：PLVECTGUI：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsPredefinedMainMenuGeneralPostprocPlotResultsUserDefined以表格的方式显示数据：命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI：MainMenuGeneralPostprocListResultsElementSolutionMainMenuGeneralPostprocListResultsNodalSolutionMainMenuGeneralPostprocListResultsReactionSoluPOST1执行许多其他后处理功能，包括按路径和载荷条件的组合绘制结果图。更详细信息见ANSYS基本分析过程手册。14.4多导体系统提取电容静电场分析求解的一个主要参数就是电容。在多导体系统中，包括求解自电容和互电容，以便在电路模拟中能定义等效集总电容。CMATRIX宏命令能求得多导体系统自电容和互电容。详见《ANSYS理论手册》5.10节。14.4.1对地电容和集总电容有限元仿真计算，可以提取带（对地）电压降导体由于电荷堆积形成的“对地”电容矩阵。下面叙述一个三导体系统（一个导体为地）。方程式中Q1和Q2为电极1和2上的电荷，U1和U2分别为电压降。Q1=(Cg)11(U1)+(Cg)12(U2)Q2=(Cg)12(U1)+(Cg)22(U2)式中Cg称作为“对地电容”矩阵。这些对地电容并不表示集总电容（常用于电路分析），因为它们不涉及到二个导体之间的电容。使用CMATRIX宏命令能把对