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工程设计与分析系列 ANSYS 电磁场分析 谢龙汉 耿 煜 邱 婉 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可应用于众多工业领域，如航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。该软件提供了 100 种以上的单元类型，用于模拟工程中的各种结构和材料。本书以最新版本的 ANSYS 13.0 为蓝本，由浅入深、循序渐进地介绍 ANSYS 13.0 中电磁及耦合场分析知识，包括 ANSYS 概述，结构场分析，建立电磁场有限元模型，电磁场实体建模，网格化有限元模型的建立、求解和结果查看，耦合场分析，综合工程实例等知识。全书以图解的方式，通过基础知识和实例训练相结合的方式，讲解从建模到求解查看结果的基本知识和方法技巧，最后以综合实例的方式进一步向读者介绍常见电磁及耦合场分析的操作方法和操作技巧。本书适合 ANSYS 初学者，可作为大中专院校电磁类相关专业和培训班的教材，同时对有限元仿真相关领域的专业技术人员也极有参考价值。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 ANSYS 电磁场分析/谢龙汉，耿煜，邱婉编著.北京：电子工业出版社，2012.1（工程设计与分析系列）ISBN 978-7-121-14889-7.A.谢 耿 邱.电磁场有限元分析应用程序，ANSYS.O441.4-39 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2011）第 217200 号 策划编辑：许存权 责任编辑：陈韦凯 特约编辑：刘丽丽 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：24.75 字数：634 千字 印 次：2012 年 1 月第 1 次印刷 册 数：4 000 册 定价：52.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。电磁场分析 视频教学 前 言 ANSYS 由世界上最大的有限元分析软件公司之一美国 ANSYS 开发，它能与多数计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、AutoCAD 等，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS 具有强大的功能，主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。在整个分析过程中，集成了建模、划分网格、求解和结果查看的整个过程。最新版本的工程仿真软件 ANSYS 13.0 引入新的工具和技术，帮助用户更高效地完成工作，有效推动基于仿真的设计进入更广泛的应用领域。它节约时间，提高效率，为工作提供强有力的竞争优势。本书是结合作者多年工作经验编写的，在编写过程中，突出了以下特点：（1）直观性。全书以图解实例的形式介绍 ANSYS 的 GUI 操作，所有的操作流程尽可能集中在图片上，直观易懂，使读者能够更容易地获得知识。（2）先进性。以最新的 ANSYS 13.0 为蓝本进行讲解，并参阅了国内外大量的成功教材，一切从满足中国用户的需求出发。（3）实用性。全书采用基础知识和实例操作相结合的方法，互相补充，同时在内容关键处给予了有益的提示，使读者在学完本书后能够快速地将知识应用于自己的工作。（4）循序渐进。全书采用由简到繁、循序渐进的方法，结合实例，一步一步地提高用户的软件操作水平，而且做到重要知识点均有实例示范，并适当回顾复习，使读者在学习繁杂的 ANSYS 时不至于手足无措。（5）多媒体示范。本书的配套光盘中提供了所有实例的视频操作，可以在观看录像时增强对知识点的理解。本书分为 8 章 第 1 章 ANSYS 概述。首先介绍 ANSYS 的发展历史及 ANSYS 13.0 的主要特点，然后介绍 ANSYS 的安装方法和它对系统的配置要求，ANSYS 的基本架构和工作界面等，向读者推荐一些 ANSYS 的使用习惯和学习方法。最后通过一个入门引例，使读者初步了解用ANSYS 进行电磁耦合分析的步骤。第 2 章 结构场分析。介绍 ANSYS 结构场分析的典型步骤，同时让读者初步了解 ANSYS有限元分析的通用步骤和方法。首先讲解如何建立有限元模型，划分网格的基本方法，然后加载负载，使用 ANSYS 仿真结果，最后介绍分析报告的基本写法。通过本章学习，读者可以熟悉有限元分析的通用步骤，一些常用的命令和菜单操作，为以后学习复杂的电磁耦合分析打下良好的基础。视频教学 ANSYS 电磁场分析IV 第 3 章 建立电磁场有限元模型。首先介绍 ANSYS 中的坐标系，然后进一步介绍节点和单元操作，以降低有限元模型建立的工作量，最后介绍如何给磁场和电场施加负载，求解后如何查看分析结果。本章通过大量实例使读者初步对使用 ANSYS 分析电磁场有所了解。第 4 章 电磁场实体建模。本章介绍实体建模的方法，使读者学会使用 ANSYS 建立点、线、面、体等，然后介绍一些布尔操作，方便模型建立，并配有实例。第 5 章 网格化有限元模型的建立。本章介绍网格化有限元模型的建立方法，并配有实例，使读者学会如何设定网格大小、形状等属性，掌握划分网格的方法。第 6 章 求解和结果查看。本章介绍 ANSYS 求解方法和结果查看方法。ANSYS 程序有多种解方程的方法：直接解法、稀疏矩阵直接解法、雅可比共轭梯度法（JCG），不完全分解共轭梯度法（ICCG）、预条件共轭梯度法（PCG）、自动迭代法（ITER）及分解块法（DDS）等。求解之后，想要查看结果，ANSYS 后处理器可以完成此功能。这一步可能是整个分析过程中最重要的一步，因为用户想要知道施加的负载怎样影响到自己的设计，自己划分的网格好用与否等。第 7 章 耦合场分析。耦合场分析是多种工程领域的综合分析，可以解决全局的工程问题，所以用户经常需要使用耦合场分析。当一个场分析的输入决定于另一个场分析的数据时，此分析就是耦合的。第 8 章 综合工程实例。本章应用所学知识，给出五个综合工程实例。本书主要由谢龙汉、耿煜、邱婉完成，参加本书编写和光盘开发的还有林伟、魏艳光、林木议、王悦阳、林伟洁、林树财、郑晓、吴苗、李翔、莫衍、朱小远、唐培培、尚涛、邓奕、张桂东、鲁力、刘文超、刘新东等，同时也非常感谢拓技工作室其他成员的帮助和支持。由于时间仓促，书中难免有疏漏之处，请读者谅解。读者可通过电子邮件 reader.toptech 或者 与我们交流。编著者 电磁场分析 视频教学 目 录 第 1 章 ANSYS 概述1 1.1 ANSYS 概况及发展历史 1 1.1.1 ANSYS 概况1 1.1.2 ANSYS 分析类型2 1.1.3 软件组成3 1.1.4 ANSYS 历史介绍4 1.2 ANSYS 13.0 系统配置要求与安装 7 1.2.1 ANSYS 13.0 系统配置要求8 1.2.2 ANSYS 13.0 安装8 1.3 有限元法简介 9 1.3.1 有限元法分析计算的思路和 做法9 1.3.2 有限元分析的基本步骤10 1.3.3 有限元的发展概况11 实例1-1 两端固定杆件受力分析11 1.3.4 有限元系统基本构成13 1.4 启动 ANSYS 14 1.5 ANSYS 工作界面 15 1.5.1 ANSYS 输出窗口15 1.5.2 ANSYS 主窗口16 1.5.3 ANSYS 主菜单16 1.5.4 ANSYS 状态栏18 1.5.5 ANSYS 命令输入窗口18 1.5.6 ANSYS 图形显示窗口19 1.5.7 ANSYS 工具栏19 1.5.8 ANSYS 图像控制按钮19 1.6 ANSYS 架构 20 1.6.1 ANSYS 架构简介20 1.6.2 有关操作21 1.7 ANSYS 文件 23 1.7.1 ANSYS 文件简介23 1.7.2 文件操作24 1.8 ANSYS 与 CAD 软件接口 25 1.9 怎样学习 ANSYS 26 1.10 入门引例正方形电流环分析 26 1.10.1 问题描述26 1.10.2 GUI 操作27 1.10.3 命令流操作41 第 2 章 结构场分析43 2.1 为什么先学习结构场分析43 2.2 建立有限元模型 44 2.2.1 有限元模型简介44 2.2.2 定义工作名称和分析标题44 2.2.3 定义单位47 2.2.4 定义单元类型47 2.2.5 定义实常数49 2.2.6 定义材料属性51 实例2-1 定义单元类型，材料 属性52 2.2.7 建立有限元模型直接建模57 实例2-2 两端固定杆件建模61 2.2.8 建立有限元模型实体建模70 2.3 划分网格 73 2.3.1 网格控制73 2.3.2 网格产生77 2.4 加载负载 78 2.4.1 负载类型78 2.4.2 施加负载79 实例2-3 悬臂梁网格划分和施加 载荷81 2.5 求解 89 2.6 后处理器 90 实例2-4 两端固定杆件求解及结果 查看90 2.7 分析报告概述 96 实例2-5 梁应力及变形分析96 实例2-6 矩形平板受力变形分析104 第 3 章 建立电磁场有限元模型111 3.1 坐标系 111 3.1.1 坐标系简介112 视频教学 ANSYS 电磁场分析VI 3.1.2 总体坐标系和局部坐标系112 3.2 节点操作115 3.2.1 节点的删除115 3.2.2 节点的其他生成方法116 实例3-1 二维平行板电容节点的 生成118 实例3-2 永磁铁回路节点的生成122 3.2.3 节点选取127 3.3 单元操作 128 3.3.1 单元复制128 3.3.2 显示编号129 3.3.3 单元属性129 3.4 负载定义 130 3.4.1 磁场负载130 3.4.2 电场负载131 实例3-3 建立二维平行板电容的 单元，设定负载132 实例3-4 建立永磁铁回路的单元，设定负载135 3.5 求解和后处理器 140 3.5.1 电场和磁场求解140 3.5.2 后处理器141 实例3-5 二维平行板电容的求解，查看结果144 实例3-6 永磁铁回路的求解，查看 结果147 3.6 综合实例 151 实例3-7 二维平行板电容151 实例3-8 正方形磁铁回路159 第 4 章 电磁场实体建模170 4.1 实体建模简介 170 4.1.1 自底向上建模171 4.1.2 自顶向下建模171 4.1.3 使用布尔操作171 4.1.4 拖拽和旋转操作172 4.1.5 移动和复制操作172 4.2 工作平面 172 4.2.1 创建工作平面173 4.2.2 移动工作平面173 4.2.3 旋转工作平面173 4.3 群组命令介绍 174 4.4 自底向上建模 174 4.4.1 关键点175 4.4.2 硬点177 4.4.3 线178 实例4-1 马蹄形磁铁建模180 4.4.4 面184 4.4.5 体185 实例4-2 平行板电容建模185 4.5 自顶向下建模 189 4.5.1 定义矩形或六面体189 4.5.2 定义环形面和柱191 4.6 布尔操作 193 4.6.1 布尔操作设置193 4.6.2 相交193 4.6.3 相加195 4.6.4 相减195 4.6.5 重合198 4.6.6 黏结199 实例4-3 自顶向下建模199 4.7 综合实例 201 实例4-4 二维螺线管制动器建模201 实例4-5 静电驱动梳建模204 第 5 章 网格化有限元模型的建立208 5.1 网格种类 208 5.2 设定单元属性 209