搜索ANSYS Workbench與Ansoft Maxwell 電磁結構耦合案例
2016-11-16 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
如圖1-1所示為一個外徑為1240mm,螺旋數為11.6,高度為1360mm,截面尺寸為100mm×50mm的螺線管,螺線管由64塊環氧板固定,環氧板的結構尺寸為150mm厚×1360mm高×20mm寬×40mm槽高。
圖1-1 螺線管模型
64塊環氧板的外表面用環氧紗均勻纏繞,我們假設外表面被固定,如圖1-2所示,下面我們來分析當螺線管中通有349kA直流電流時,線圈的變形及應力分布(此問題我們假設讀者已經將Maxwell 14.0安裝并集成到ANSYS Workbench 13.0中,以上兩個軟件的具體安裝方法,我已在前面章節中詳細講述,這里不再贅述)。
圖1-2 環氧板固定部位
Step1:在"開始"菜單中單擊ANSYS13.0→Workbench命令如圖1-3所示(圖示為軟件在vista版本操作系統下啟動的示意圖,在windows XP下會有所不同,但是方法是一樣的)。
圖1-3 Workbench啟動方法
Step2:當進入Workbench后,單擊Save As按鈕,將文件保存為"xianquan",關閉彈出的"Getting Started"窗口,如圖1-4所示。
圖1-4 保存為"xianquan"
Step3:啟動Maxwell軟件,創建電磁場分析環境。在Workbench左側的"Analysis Systems"中單擊"Maxwell 3D"并按住鼠標左鍵不放將其拖到右側的"Project Schematic"窗口中,此時創建了一個跟EXCEL表格很相似的電磁分析流程表,從流程表的A1到A4即是Maxwell軟件前處理、計算及后處理的三個過程,在表A2(Geometry)中右鍵單擊選擇"Edit"命令如圖1-5所示。
圖1-5 啟動Maxwell軟件
Step4:導入模型數據文件。Maxwell軟件打開后,單擊菜單欄中的"Modeler→Import"命令,選擇"xianquan.x_t"文件名,單擊打開,如圖1-6所示(如果模型簡單,可以直接在Maxwell軟件中創建圖形,本例子的模型是用Pro/E創建并保存的通用格式x_t的),讀取的外部模型數據已經被設置成mm,這里就不需要對軟件進行單位設定。
圖1-6 讀入外部數據文件
Step5:設置求解器并建立求解區域。模型讀取完成后,如圖1-7所示。首先,設置求解器如圖1-8所示操作,求解器選擇完成后就要對求解模型建立求解區域,建立求解區域的步驟如圖1-9所示。
圖1-7 讀取的模型
圖1-8 設置求解器類型
圖1-9 建立求解區域
Step6:賦予材料屬性。求解區域建立完成后,接下來就是分別給線圈和求解區域賦予材料屬性,將Aluminum材料賦予線圈,將Air材料賦予Region(也就是上一步建立的求解區域),對線圈賦予Aluminum屬性的操作步驟如圖1-10所示,對Region賦予Air屬性請讀者參照1-10圖步驟自行操作。
圖1-10 建立求解區域
Step7:創建激勵和邊界條件。設置完材料屬性后,需要將電流激勵(349kA的直流電流)賦予螺線管的兩個端面上,邊界條件默認即可。具體操作步驟如圖1-11所示。用同樣的方法將螺線管上端面也施加349kA電流,方向向外,如圖1-12所示。
圖1-11 創建激勵和邊界條件
圖1-12 創建激勵和邊界條件
Step8:剖分網格并調整網格大小。剖分網格是有限元分析過程中最重要的一步, Ansoft Maxwell軟件可以以默認的設置劃分網格,這里我們自己設置網格大小剖分網格。螺線管網格剖分步驟如圖1-13所示,求解域網格剖分步驟如圖1-14所示。
圖1-13 螺線管網格剖分設置
圖1-14 求解域網格剖分設置
設置完網格尺寸后,我們需要添加一個分析步,參數全部為默認即可,直接單擊確定。如圖1-15和1-16所示,剖分完成的模型如圖1-17a和1-17b所示。
圖1-15 添加一個分析步
圖1-16 執行網格剖分
圖1-17a 螺線管網格 圖1-17b 求解域網格
Step9:求解。到此,有限元分析的前處理工作全部結束,接線來的工作就是求解計算模型。具體操作如圖1-19所示。建議為了保證求解器能順利完成計算,同時也是檢查我們以上的操作正確與否,我們先可以檢查一下,單擊工具欄上的
圖1-18 模型檢查
圖1-19 求解模型
求解需要一定的時間,其時間長短主要有以下兩方面決定:
-
求解模型網格的大小;
-
計算機的性能;
Step10:后處理,查看體積力密度。求解完成后,我們用后處理操作可以查看如磁場強度、磁感應強度、體積力等等。下面我們查看一下螺線管體積力分布情況,點擊螺線管模型,右鍵選擇"Field",選擇"other",選擇"Volme_Force_Density",在彈出的"Create Field Plot"對話框中的"Quantity"中選擇"Volme_Force_Density",在"In Volume"中選擇螺線管實體,如圖1-20所示。
圖1-20 后處理操作
圖1-21a 力密度云圖
圖1-21b 俯視力密度云圖
圖1-21c 主視力密度云圖
磁場分析完成后,接線來就是將力密度導入到ansys workbench模塊中進行力學分析。
Step12:回到workbench窗口中,右鍵單擊表格A4(Solution),在彈出來的菜單中選擇"Transfer Data To New",在選擇"Static Structual",此時會在A表的右側出現一個B表,同時會出現A4與B5有個曲線連接起來,這說明A4的結果數據可以作為B5的邊界載荷條件施加到靜態力學分析中。如圖1-22所示。
圖1-22 創建耦合的靜力分析模型
Step13:導入幾何模型數據。右鍵單擊B3"Geometry"選擇"Replace Geometry"命令,單擊"Browse…",選擇力學模型數據,如圖1-23所示。數據被選擇完后,會在B3表格后面出現一個對號。
圖1-23 選擇力學模型數據
接線來我們進入到模型編輯器中,進行單位的設置。右鍵單擊A3(Geometry)選擇"Edit Geometry"命令,如圖1-24所示。
在彈出來的"DesignModeler"操作界面里,我們可以進行模型修改等一些操作,具體詳見建模章節。如圖1-25所示。
圖1-24 進入模型修改編輯器
圖1-25 DesignModeler中的模型
Step14:定義邊界條件。回到Workbench主窗口,右鍵單擊B4"Mesh"選擇"Edit"命令,此時開始加載"Mechanical"窗口,加載完成后的窗口,如圖1-26所示。
螺線管及環氧固定板裝配模型讀入完成后,會在左側的命令欄中出現一些操作命令,如給幾何體添加材料屬性、設置裝配體的接觸類型、網格劃分、激勵的加載、邊界條件的定義和后處理選項的添加等等。
圖1-26 Mechanical中的模型
Step15:材料屬性的定義。回到Workbench主窗口,右鍵單擊B2"Engineering Data"選擇"Edit"命令,此時彈出來軟件自帶的工程材料數據窗口,如圖1-27所示,在材料定義窗口中有五個主要部分組成,即:左側的材料參數定義命令、中間偏上的材料類型定義(材料名稱等)、中間偏下的材料類型添加、右上側的是當前材料定義的數據顯示窗口、右下側是材料屬性的圖標顯示窗口。
在工具欄上單擊
|
序號 |
材料名稱 |
密度(kg/m^3) |
彈性模量(MPa) |
泊松比 |
|
1 |
al |
2700 |
69×10^3 |
0.33 |
|
2 |
huanyang |
1800 |
15.5×10^3 |
0.333 |
依照圖1-28b所示的步驟進行操作。定義完成后,單擊
圖1-27 材料屬性定義
圖1-28a 新材料屬性添加
圖1-28b 新材料屬性添加
Step16:分配材料屬性。在"Mechanical"窗口中,單擊"Geometry"并展開幾何,如圖1-29所示。選擇"PRT0001",在下面的"Detials of 'PRT0001'"中選擇"Assignment"后面的表格的右側,如圖會出現剛才定義的兩種數據"huanyang"和"al", 里面的"Structural Steel"是軟件默認的材料屬性。
環氧材料屬性的添加方式與螺線管相似,只是需要在"Geometry"中將所有環氧全部選擇,然后賦予"huanyang"屬性即可。
圖1-29 分配材料屬性
Step17:接觸定義。ANSYS Workbench軟件會自動探測裝配體的接觸,這里采用默認即可。如圖1-30所示。
圖1-30 接觸設置
Step18:網格剖分。選擇螺線管實體,單擊右鍵選擇"Method"命令,在右下角出現的"Detials of 'Automatic Method'"中的"Method"下拉列表框中選擇"Automatic",同樣的操作在環氧板上面。如圖1-30所示。
圖1-30 螺線管網格剖分設置
螺線管和環氧板網格設置完成后,開始設置網格大小,單擊左側的"Outline"中的"Mesh",在下面出現的"Detials of 'Mesh'"中,選擇"Relevance Center"下拉列表框中的"Fine",表示劃分的網格比較密。如圖1-31所示。
圖1-31 網格大小設置
Step19:設置邊界條件。首先,將選擇器有體改成面,然后單擊"Outline"中的"Static Structural",在右側圖像窗口中選擇一個面(選中后面呈現出綠色)單擊右鍵選擇"Insert",再選擇"Fixed Support",一次將64個外表面全部定義為固定邊界條件,如圖1-32所示。
圖1-32 設置邊界條件
Step20:設置激勵載荷。ANSYS Workbench 13.0與以前版本最大的不同,在做電磁結構耦合分析時,可以直接導入Ansoft Maxwell計算得到的體積(或面)力密度值,作為其外載荷施加到實體(或面)上,具體操作如圖1-33所示。
圖1-33a 創建體積力密度載荷
圖1-33b 到入體積力密度載荷值
Step21:添加后處理操作。單擊所要求解的模型,然后在右鍵單擊"Solution(B6)",插入想要的后處理結果,如圖1-34所示。按照同樣的方法添加后處理操作。
圖1-34 添加后處理操作
Step22:求解計算。現在采用默認求解器進行計算。
Step23:后處理顯示。計算完成后,我們來查看云圖如圖1-35所示,為螺線管位移云圖。
圖1-35 螺線管位移云圖
如圖1-36所示,為螺線管應力分布云圖。
圖1-36 螺線管應力云圖
如圖1-37所示,為其中一塊環氧板的反作用力大小及方向。
圖1-37 環氧板反作用力圖
作者:劉成柱
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