ANSYS在二維靜電場分析中的應用研究

范其麗 甄亞 馮艷平

鄭州職業技術學院電氣電子工程系，河南 鄭州 450121

ANSYS在二維靜電場分析中的應用研究

范其麗 甄亞 馮艷平

鄭州職業技術學院電氣電子工程系，河南 鄭州 450121

利用有限元分析軟件ANSYS對形狀不規則的二維靜電場電場進行求解，其研究結果可以用于分析求解電容器的電場分布，電力電容器分為串聯電容器和并聯電容器，它們都能改善電力系統的電壓質量和提高輸電線路的輸電能力，是電力系統的重要設備。

ANSYS; 有限元；電容器

ANSYS; finite element; capacitor

引言

ANSYS公司成立于1970年，致力于工程仿真軟件和技術的研發，在眾多行業被全球的設計師和工程師廣泛采用。ANSYS公司位于美國賓夕法尼亞州的匹斯堡，全球擁有25個代理，大約600員工在40多個國家銷售其產品。ANSYS能進行結構、流體、熱、電磁以及耦合場的分析等，是最早通過ISO9001認證的軟件[1-3]。

對于平行板電容器而言，我們在物理上使用的高斯定理來進行計算的前提是兩平板之間的距離遠小于平行版的長度，求解的是嚴格對稱的問題，而在實際的電容器元器件中，并不能完全滿足此類條件，為了解決形狀各異的電容器電場分布的問題就需要采用一定的計算方法才能實現，隨著計算機速度和容量的迅速提高，建立在變分基礎上的有限元方法逐漸成為解決此類問題的有效工具，即將空間離散，把邊界條件加載在單元結點上，計算得到結點值后，通過插值得到整個空間上的解。如果要求得到更高的計算精度，可以將空間進一步細化。ANSYS是有限元計算方法的代表軟件，計算可靠。通過對模型特征參數化和使用用戶參數化設計語言(越)DL)可以進一步提高分析效率，使得整個分析過程自動化[4,5]。

1 ANSYS求解具體過程

以形狀不規則的電容器為例，設電容器陰極底部有一個方形的突起，求解其電場分布，可以分為如下步驟:

1.1 建模

①打開ANSYS，選擇靜電場分析。

②定義單元類型，使用的命令為:ET。在二維靜電場分析中，可以選用的單元類型有PLANE121,PLANE67，PLANE230等。在本分析類型中，我們選擇二維PLANE121單元。

③定義材料屬性，使用的命令為:MP。在二維靜電場分析中，一般定義的材料屬性有電阻率，相對介電常數等，對于電容器而言，我們定義其陰極和陽極為導體，定義兩平板之間為真空，其相對介電常數為1。

④創建有限元模型，利用實體建模方法，建立平面矩形，矩形的長設為1m，寬設為0.4m。

⑤建立平面矩形，在陰極中心建立變長為0.05m的矩形。

⑥使用布爾運算的減操作，將小矩形從大矩形中減去，從而使陰極結構改變。

⑦剖分，利用剖分工具MeshTool進行剖分。

1.2 加載和求解

①定義分析類型，在二維靜電場分析中，分析類型取靜態，使用的命令為ANTYPE,STATIC。

②設置分析選項，指選擇不同的求解方法，可以選用程序提供的求解方法。

③施加載荷，載荷的定義包括約束、支撐、邊界條件、激勵等。在本模型中，施加的載荷主要是電壓，陽極加壓為5v，陰極電壓為0v。

④選擇求解方法，可以選擇求解器和精度，如選擇雅可比共軛梯度求解器，精度為1E-15，可用命令EQSLV,JCG,1E-15.

⑤求解，命令為SOLVE。

1.3 結果后處理

在靜電場分析中，需要的結果一般為電勢/電場強度分布，電通量梯度、靜電力、儲存能量等等，并且可以選擇用圖形顯示或列表顯示結果，且可以選擇顯示節點解或單元解。

2 計算結果圖形顯示

當陰極為不規則形狀時的電勢分布如圖1所示。電場線分布如圖2所示。

圖1 形狀不規則電容器等勢線分布

圖2 形狀不規則電容器的電場線分布

從圖1和圖2中可以明顯看出，由于陰極有突起，導致在突起部位場強增加，大于陰極為平面時的電場強度，并可以給出任意節點的數值。因此，對于在實際應用中采用的不同形狀的電容器，求其電場分布，或相類似的問題，都可以通過ANSYS來進行模擬和計算，從而可以減少編程調試等等一系列的過程。

[1]閻照文.ANSYS10.0 工程電磁分析技術與實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:43 ～44

[2]鄧凡平.ANSYS10.0 有限元分析自學手冊［M］.北京: 人民郵電出版社，2007:150～152

[3]龔曙光，謝桂蘭，黃云清. ANSYS 參數化編程與命令手冊［M］.北京: 機械工業出版社，2009:15 ～26

[4]曾攀，雷麗萍，方剛基.ANSYS 平臺有限元分析手冊-結構的建模與分析［M］.北京:機械工業出版社，2011:33 ～35

[5]王新敏.ANSYS 工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007:101 ～105

ANSYS analysis of two-dimensional electrostatic field

Fan Qili Zhen Ya Feng Yanping
zhengzhou technical college, Department of Electrical and Electronic Engineering, henan, zhengzhou,450121)

Using the finite element analysis software ANSYS to solve the irregularly shaped two-dimensional electrostatic field. Its findings can be used for the analysis of solving the capacitor of the electric field distribution, Power capacitors are divided into a series capacitor and shunt capacitors, they can improve the power systemvoltage quality and improve the transmission capacity of transmission lines. They are very important power system equipments.

O441.1

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.010

范其麗，（1979—），女，河南信陽人，鄭州職業技術學院教師，碩士研究生，研究方向:電力電子在電力系統中的應用。