ANSYS在二维静电场分析中的应用研究

范其丽 甄亚 冯艳平

郑州职业技术学院电气电子工程系，河南 郑州 450121

ANSYS在二维静电场分析中的应用研究

范其丽 甄亚 冯艳平

郑州职业技术学院电气电子工程系，河南 郑州 450121

利用有限元分析软件ANSYS对形状不规则的二维静电场电场进行求解，其研究结果可以用于分析求解电容器的电场分布，电力电容器分为串联电容器和并联电容器，它们都能改善电力系统的电压质量和提高输电线路的输电能力，是电力系统的重要设备。

ANSYS; 有限元；电容器

ANSYS; finite element; capacitor

引言

ANSYS公司成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在众多行业被全球的设计师和工程师广泛采用。ANSYS公司位于美国宾夕法尼亚州的匹斯堡，全球拥有25个代理，大约600员工在40多个国家销售其产品。ANSYS能进行结构、流体、热、电磁以及耦合场的分析等，是最早通过ISO9001认证的软件[1-3]。

对于平行板电容器而言，我们在物理上使用的高斯定理来进行计算的前提是两平板之间的距离远小于平行版的长度，求解的是严格对称的问题，而在实际的电容器元器件中，并不能完全满足此类条件，为了解决形状各异的电容器电场分布的问题就需要采用一定的计算方法才能实现，随着计算机速度和容量的迅速提高，建立在变分基础上的有限元方法逐渐成为解决此类问题的有效工具，即将空间离散，把边界条件加载在单元结点上，计算得到结点值后，通过插值得到整个空间上的解。如果要求得到更高的计算精度，可以将空间进一步细化。ANSYS是有限元计算方法的代表软件，计算可靠。通过对模型特征参数化和使用用户参数化设计语言(越)DL)可以进一步提高分析效率，使得整个分析过程自动化[4,5]。

1 ANSYS求解具体过程

以形状不规则的电容器为例，设电容器阴极底部有一个方形的突起，求解其电场分布，可以分为如下步骤:

1.1 建模

①打开ANSYS，选择静电场分析。

②定义单元类型，使用的命令为:ET。在二维静电场分析中，可以选用的单元类型有PLANE121,PLANE67，PLANE230等。在本分析类型中，我们选择二维PLANE121单元。

③定义材料属性，使用的命令为:MP。在二维静电场分析中，一般定义的材料属性有电阻率，相对介电常数等，对于电容器而言，我们定义其阴极和阳极为导体，定义两平板之间为真空，其相对介电常数为1。

④创建有限元模型，利用实体建模方法，建立平面矩形，矩形的长设为1m，宽设为0.4m。

⑤建立平面矩形，在阴极中心建立变长为0.05m的矩形。

⑥使用布尔运算的减操作，将小矩形从大矩形中减去，从而使阴极结构改变。

⑦剖分，利用剖分工具MeshTool进行剖分。

1.2 加载和求解

①定义分析类型，在二维静电场分析中，分析类型取静态，使用的命令为ANTYPE,STATIC。

②设置分析选项，指选择不同的求解方法，可以选用程序提供的求解方法。

③施加载荷，载荷的定义包括约束、支撑、边界条件、激励等。在本模型中，施加的载荷主要是电压，阳极加压为5v，阴极电压为0v。

④选择求解方法，可以选择求解器和精度，如选择雅可比共轭梯度求解器，精度为1E-15，可用命令EQSLV,JCG,1E-15.

⑤求解，命令为SOLVE。

1.3 结果后处理

在静电场分析中，需要的结果一般为电势/电场强度分布，电通量梯度、静电力、储存能量等等，并且可以选择用图形显示或列表显示结果，且可以选择显示节点解或单元解。

2 计算结果图形显示

当阴极为不规则形状时的电势分布如图1所示。电场线分布如图2所示。

图1 形状不规则电容器等势线分布

图2 形状不规则电容器的电场线分布

从图1和图2中可以明显看出，由于阴极有突起，导致在突起部位场强增加，大于阴极为平面时的电场强度，并可以给出任意节点的数值。因此，对于在实际应用中采用的不同形状的电容器，求其电场分布，或相类似的问题，都可以通过ANSYS来进行模拟和计算，从而可以减少编程调试等等一系列的过程。

[1]阎照文.ANSYS10.0 工程电磁分析技术与实例详解［M］.北京:中国水利水电出版社，2006:43 ～44

[2]邓凡平.ANSYS10.0 有限元分析自学手册［M］.北京: 人民邮电出版社，2007:150～152

[3]龚曙光，谢桂兰，黄云清. ANSYS 参数化编程与命令手册［M］.北京: 机械工业出版社，2009:15 ～26

[4]曾攀，雷丽萍，方刚基.ANSYS 平台有限元分析手册-结构的建模与分析［M］.北京:机械工业出版社，2011:33 ～35

[5]王新敏.ANSYS 工程结构数值分析［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

范其丽，（1979—），女，河南信阳人，郑州职业技术学院教师，硕士研究生，研究方向:电力电子在电力系统中的应用。