ANSYS电磁场分析指南 第十六章 电路分析

第十六章电路分析什么是电路分析电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定：源的类型分析方法交流（AC）谐波分析直流（DC）静态分析随时间变化瞬态分析要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS程序对于电路分析有如下性能：·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合·2-D3-D·支持直流、交流和时间瞬态模拟ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，：·螺线管线圈·变压器·交流机械CIRCU124ANSYSCIRCU124CIRCU124CIRCU124见《ANSYSCIRCU124CIRCU124表所示。例如，把2，就可用CIRCU124IJ。表1CIRCU124单元能模拟的电路元件电路元件及其图形标记KEYOPT（1）设置实常数电阻（R）0R1=电阻（RES）电感（L）1R1=电感（IND）R2=起始电感电流（ILO）电容（C）2R1=电容（CAP）R2=起始电容电压（VCO）R1=初级电感（IND1）互感（K）8R2=次级电感（IND2）R3=耦合系数（K）电压控制电流源（G）9R1=互导（GT）电流控制电流源（F）12R1=电流增益（AI）电压控制电压源（E）10R1=电压增益（AV）电流控制电压源（H）11R1=互阻（RT）绕线圈电流源（N）5R1=系数（SCAL）2D块状导体电压源（M）6R1=系数（SCAL）3D块状导体电压源（P）7R1=系数（SCAL）注意：1，ANSYS生成下列实常数：R15（图形偏置，GOFFST）R16（单元识别号，ID）下一节将详细讨论电路建模程序。志的节点是“浮动”节点（即它们并不直接连接到电路中）。CIRCU124CIRCU124选项来设置激函数图和相应的实常数请参见《ANSYSFEA（有限元）区耦合到电路区FEA2元模型的导体上（耦合是在矩阵中进行耦合的，因此只能为线性的）：在绞线圈连接中不能存在涡流，磁矢势（MVP）和电流决定线圈电压，连接的电路方程为：上述方程中，Rc

为线圈电阻，nc

为匝数，Sc

为线圈横截面积MVP路方程为：上述方程中，L是导体长度，ΔV是电压降。CANSYSFEA目的，这些自由度特性如下：·CURR—流过电路和模型导体的电流·EMF—模型导体（2D绞线圈、2D块导体和3D线圈导体）的电压降·VOLT—3D块状导体内的电位CIRCU125CIRCU125注意：·I-UNorton效电路，这个等效电路有一个动态阻抗(在工作点反向倾斜)和一个电流源（在I-UI）。·如果电压降比二极管（通常是理想二极管）misc取消错误。I-U·可以在后处理器中画二极管的能量和状态图·AUTOTSANSYS计的方向进行，则单元会发出调小时间步的信号，与接触单元间隙闭合类似。·CIRCU125CNVTOL,VOLT,,0.001,2,1.0E-6使用电路建模程序CIRCU124,CIRCU125,TRANS126,COMBIN14,COMBIN39MASS21ANSYSANSYS（GUI）专用模块，它可以完成如下功能：·可以用鼠标来选择电路元件并把它们放置在电路中所要求的位置·交互式建立电路模型·给电路元件赋予“实”常数并进行编辑·给独立源赋予激励·以图形的方式验证所加激励·以交互的方式来和FEA区进行连接·可对电压源和电流源元件定义源载荷电路建模程序可生成单元类型、实常数、定义节点和单元。支持多种单元类GUI写入记录文件（LOG）。GUI“wireelement”选项。可以方便的用“wire”连接各个电Wire（导电率无穷大）MESH200（CP命令），如果两段WireWire“Wire”单元连接的节点都要被自动强行删除。建立电路为了建立电路，应激活ANSYSGUI关电路建模的补充提示：电路图标都是固定尺寸，通过电路建模程序的“CenterWP”置图形的焦点和距离（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP）。·对电路图标进行放缩或者改变电路布线的宽度，使用电路建模程序的"ScaleIcon"选项（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>ScaleIcon.）。可以考虑显示两个窗口：一个是电路，另一个为所建模型记住要将电路中的一个节点接地（GUI：MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-OnD）。建模步骤如下：1．点取菜单路径MainMenu>Preferences，选项对话框出现。2．如果打算做电路电磁耦合分析，选取“Electromagnetic”。如果仅仅只做电路分析，则选取“Electric”。UtilityMenu>File>ChangeJobnameOKUtilityMenu>File>ChangeTitleOK。MainMenu>Preprocessor>Create>Circuit，出现电路建模菜单。6．如果需要把电路的放置远离目前的有限元模型（析），则在实用命令菜单中，使用工作平面（WorkPlane）选项，把工作平面原点移动到要开始建立电路模型的位置（否则，则跳过此步）。电路的位置可以是任意的，且不影响分析结果。为了方便起见，可使用MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP处于图形窗口的中心。ANSYSIJI—JID（单元号）和实常数。如果单元的图标尺寸太小，或电MainMenu>PreprocessorModeling-Create>Circuit>ScaleIcon建立好电路后，如果必要的话，可以验证和修改数据。PlotWaveform菜单用于绘图和验证输入负载的波形。另一个菜单，EditRealCnstMainMenu>Preprocessor>Delete。电路建模程序是建立电路模型的最方便的方法，也可以不用该程序，通过直接定义节点、单元类型、单元和实常数来建立模型。一旦你建好电路，你可以进行静态、谐波或瞬态分析（源项确定了分析类型）避免电路不合理应该避免建立不合理电路，下面叙述不合理电路的情况：DC（直流）和谐波分析电压源不要构成一个回路在图3中，根据Kirchoff（克希荷夫）回路方程，节点1和2之间电压会是多少？V和V不相等，电势不合理。注意到在右图中电压1 2发生器形成一个回路，即使电压V和V一致，也会导致数值求解错误。1 245电流源不要形成短路61克希荷夫）I≠II＝I1 2 1 27Kirchoff即，不允许建立只有流入电流的超节点。瞬态分析电容和电压源不要形成回路t=089（会产生无穷大电流DC/AC电感和电流源不应短路t=01011了短路。这些电路是矛盾的。如果用户不申明，ANSYS不会自动检测出这些矛盾。静态（直流）电路分析静态（DC）电路分析用以确定一个受外加直流源电压或直流源电流的电路中的电压和电流分布，静态电路分析支持所有的电路元件。建立静态电路分析模型命令：CPGUI：MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn/CoupleDOFs一旦建好电路模型，就可以加载和求解，然后观察结果。加载和求解此步定义分析类型和选项、加载和开始有限元求解。步骤如下：命令：/SOLUGUI：MainMenu>Solution定义分析类型·GUIMainMenu>Solution>NewAnalysis择静态分析·ANTYPE，STATIC，NEW重启动分析通常只使用于瞬态分析中。在模型上加载VOLT=0，VOLT=0：命令：DGUI：MainMenu>Solution>Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Votage-OnNodes使用下列方法之一，可以修改源载荷：命令：R，RMODIFGUI：MainMenu>Solution>Other>ChangeRealConstRMODIF命令没有相应的图形用户界面菜单的。备份数据库可以使用SAVE命令或工具条上的SAVE_DB按钮来存储ANSYS数据库备份。命令：SOLVEGUI：MainMenu>Solution>CurrentLS命令：FINISHGUI：MainMenu>Finish观察静态电路分析的结果ANSYS（直流）Jobname.RTH还可以得到每个单元的如下导出数据：·单元电压降（VOLTAGE）·单元电流（CURRENT）·单元控制电压（CONTROLVOLT）·单元控制电流（CONTROLCURR）·单元能量（POWER）·单元加载（SOURCE）ANSYS进入通用后处理器中：命令：/POST1GUI；MainMenu>GeneralPostproc用下列方法之一，把结果文件中的数据读入数据库：命令：SETGUI：UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary列表显示节点计算数据（电压和电流）：命令：PRNSOLGUI：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution列表显示单元导出数据：命令：PRESOLGUI：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolution谐波（交流）电路分析谐波（交流）电路分析用以确定一个加载外部交流电压或交流电流的电路中的电压和电流分布。谐波电路分析可以分析所有的电路元器件。建立谐波电路分析模型见前面“使用电路建模程序”一节。加载和求解此步定义分析类型和选项、加载和开始有限元求解。步骤如下：命令：/SOLUGUI：MainMenu>Solution定义分析类型·GUIMainMenu>Solution>NewAnalysisHarmonic·如果这是一个新分析，发命令ANTYPE，HARMIC，NEW命令：EQSLVGUI：MainMenu>Preprocessor>Loads>AnalysisOptionsCIRCU124(Frontal,矩阵求解器（Sparse）来进行求解计算。确定求解数据的列表显示格式需要确定在打印输出文件Jobname.OUT下：命令：HROUTGUI；MainMenu>Solution>AnalysisOptions在模型上加载VOLT=0，VOLT=0：命令：DGUI：MainMenu>Solution>Apply>Potential>OnNodes使用下列方法之一，可以修改源载荷：命令：R，RMODIFGUI：MainMenu>Solution>Other>ChangeRealConstRMODIF命令是没有相应的图形用户界面菜单的。定义载荷步选项定义谐波分析的工作频率（HZ）范围：命令：HARFRQGUIMainMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>FregandSubstps唯一能定义的通用选项为谐波求解数。谐波求解数可以是任意的，且这些数（子步数5060HZ10ANSYS60HZANSYS（50）做计算。定义谐波求解数的方式如下：命令：NSUBSTGUI：MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FregandSubstps备份数据库SAVE命令或工具条上的SAVE_DBANSYS命令：SOLVEGUI：MainMenu>Solution>CurrentLS进行另外的加载如果需要计算其他加载情况，重复4步到6步。命令：FINISHGUI：MainMenu>Finish观察谐波电路分析的结果ANSYSJobname.RTH谐波电路分析的导出数据与静态电路分析相同，且用相同的步骤观察结果。对于谐波分析，也可以在单元表内存储每个单元的结果并作相应的显示：命令：PRETABGUI：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElemTableData瞬态电路分析的电路元器件。建立瞬态电路分析模型与本章前面“电路建模程序”一节中描述的过程一致。在电路建模程序中，需要以实常数的方式定义如下载荷：·独立电流源和独立电压源的源载荷·初始条件，如电感的初始电流、电容的初始电荷·波形式的载荷，可以是正弦、脉冲、指数或分段线性的载荷（CIRCU124）一旦建立好电路模型，就可以加载、求解、并观察结果，做瞬态电路分析时，应注意如下几点：·ANSYS处理时间步（3）·得到精确的结果，通常可通过该功能来模拟带电阻的开关。·对于处理瞬态分析的结果，ANSYSGUI以处理节点电压和电流，以及特定的单元结果。加载和求解此步定义分析类型和选项、加载和开始有限元求解。步骤如下：命令：/SOLUGUI：MainMenu>Solution定义分析类型·GUIMainMenu>Solution>NewAnalysisTransient·如果这是一个新分析，发命令ANTYPE，TRANSIENT，NEW在重启动时改变单元实常数，重启动分析的前提条件是前一次分析的Jobname.EMAT、Jobname.ESAVJobname.DB命令：EQSLVGUI：MainMenu>Preprocessor>Loads>AnalysisOptionsCIRCU124(Frontal疏矩阵求解器（Sparse）来进行求解计算。在模型上加载VOLT=0，VOLT=0：命令：DMainMenu>Solution>Apply>Potential>OnNodes使用下列方法之一，可以修改源载荷：命令：R，RMODIFGUI：MainMenu>Solution>Other>ChangeRealConstRMODIF命令是没有相应的图形用户界面菜单的。定义载荷步选项在瞬态分析中，缺省为时间积分效应打开，但可以关闭它们已获得静态解。打开或关闭时间积分效应的方式如下：命令：TIMINTGUI：MainMenu>Solution>Time/Frequenc>TimeIntegration通用选项可以定义瞬态分析的三种通用选项：时间、积分时间步长和自动时间步长功能定义载荷步终止时间的方式如下：命令：TIMEGUI：MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandSubstpsMainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeStep积分时间步长是时间积分方案所用的时间增量，时间步长的大小直接影响求解精度，较小值有较高的精度。确定时间步长的方式如下：命令：DELTIMGUI：MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeDTIMEDTMIN确定最大时间步长。虽然在电路分析中不能使用自动时间长功能来自动地增减时间步长，但可以用它来按每步时间增加3倍的方式从起始时间步长到最后时间步长自动进行分步求解。打开自动时间步长功能的方式如下：命令：AUTOTSMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandMainMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeStep当源载荷波型存在尖锐变化时，应把一个瞬态分析分成几个载荷步来进行求定义时间步选项，以便在过渡点处取得一个较小的初始时间步长。输出控制可以在打印输出文件（Jobname.OUT）中包含任何结果数据。用下面方法控制这种结果的输出：命令：OUTPRGUI：MainMenu>Solution>OutputCtrls>SoluPrintout在缺省设置下，打印输出的是概总信息。控制写入结果文件（Jobname.RTH）的数据的方式如下：命令：OUTRESGUI：MainMenu>Solution>OutputCtrls>DB/ResultsFile注意：在缺省设置下，ANSYSFREQALL1。建立载荷步文件命令：LSWRITEGUI：MainMenu>Solution>WriteLSFile保存数据库文件SAVE命令或者用工具条上SAVE_DBANSYS命令：LSSOLVEGUI：MainMenu>Solution>FromLSFiles命令：FINISHGUI：MainMenu>Finish观察瞬态电路分析的结果ANSYS（直流）Jobname.RTH还可以得到每个单元的如下导出数据：·单元电压降（VOLTAGE）·单元电流（CURRENT）·单元控制电压（CONTROLVOLT）·单元控制电流（CONTROLCURR）·单元能量（POWER）·单元载荷（SOURCE）关于导出结果的详细信息，可参见ANSYS单元手册。POST1，POST26POST1观察在整个瞬态时间内的结果。命令：/POST26GUI：MainMenu>TimeHistPostpro把结果文件数据读入数据库：命令：SETGUI：UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummaryPOST261为计算数据定义变量：命令：NSOLGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>Elec&Mag>Circuit>DefineVariables为单元数据（推导数据）定义变量：命令：ESOLGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>Elec&Mag>Circuit>DefineVariables为反应数据定义变量：命令：RFORCEGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>Elec&Mag>Circuit>DefineVariables一旦已定义好变量，就可以把它们与时间的关系或与其它变量的关系以图形的方式绘制出来，方式如下：命令：PLVARGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>GraphVariables使用下列方法之一能列出变量的极限值：命令：EXTREMGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>ListExtremes通过时间历程曲线图可以找出对整个模型有重要意义的时间点，然后在该关键时刻点处就可以用POST1作进一步的后处理。POST1POST1SETTIME（UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary）来读取结果。如果在规定的时刻并没有现存的结果可以利用，ANSYS（数来读取结果）。利用下面的方法之一，列出节点计算数据（电压和电流命令：PRNSOLGUI：MainMenu>GeneralPostpro>ListResults>NodalSolution利用下面的方法之一，列出单元导出结果：命令：PRNSOLGUI：MainMenu>GeneralPostpro>ListResults>ElementSolution谐波电路分析算例（命令流）该电路由两个电阻、一个电感、一个独立电压源、一个独立电流源、和一个电流控制电流源构成，如图所示，要确定电路中第4个节点处的电压。该算例的命令流如下：/BATCH,LIST/PREP7/TITLE,ACCIRCUITANALYSIS/COM,SEESCHAUMSOUTLINE"BASICCIRCUITANALYSIS",2NDED,1992,/NOPRET,1,CIRCU124,4!VOLTAGEET,2,CIRCU124,3!CURRENTET,3,CIRCU124,0!RESISTORET,4,CIRCU124,1!INDUCTORET,5,CIRCU124,12!CURRENTCONTROLLEDCURRENTR,1,15,30!VOLTAGESOURCER,2,5,-45!CURRENTSOURCER,3,3!R1R,4,2!R2R,5,4!L1R,6,-3!CCCSN,1NGEN,10,1,1,1,1TYPE,1REAL,1E,2,1,7!TYPE,3REAL,3E,2,3!R1TYPE,4REAL,5E,3,1!L1TYPE,3REAL,4E,3,4!R2TYPE,5REAL,6E,3,4,5,2,1,7!CCCSTYPE,2REAL,2E,1,4!C1FINISH/SOLUANTYP,HARMD,1,VOLT,0PI=4*ATAN(1)HARFRQ,1/(2*PI)OUTPR,ALL,ALLHROUT,OFFSOLVEFINISH/POST1SET,1,1!READINREALSOLUTIONPRESOL,ELEM!PRINTCIRCUITSOLUTIONPERELEMENTSET,1,1,,1!READINIMAGINARYSOLUTIONPRESOL,ELEM!PRINTCIRCUITSOLUTIONPERELEMENTFINISH该算例的理论解是：4号节点:V=14.44-j1.41二极管电路分析