Maxwell 与 Workbench 电磁热联合仿真- 线圈加热
这是 ANSYS 工程实战 第 53 篇文章
问题描述：
这里主要利用 ANSYS Workbench 14.0 与 Maxwell 15.0 进行电磁热联合仿真分析线圈加热过程。
1. Maxwell 15.0 与 ANSYS Wrokbench 14.0 软件联合
并不是任意的 Maxwell 软件都能与任意的 ANSYS Workbench 进行联合仿真，我这里使用了Maxwell 15.0 和 Workbench 14.0 ,如图 1。
图 1 ANSYS Workbench 与 Maxwell 联合
2. Maxwell 15.0 电磁分析过程
1）进入 Maxwell ：
打开 ANSYS Workbench14.0 -在左侧 Toolbox (工具箱) 的 Analysis Systems 中会出现 Maxwell 2D 和 Maxwell 3D，这里双击左侧 Maxwell 3D即可创建Maxwell 3D 电磁分析模块，如图 2 。
图 2 建立 Maxwell 3D 分析模块
2）进入 Maxwell 模型操作界面：
双击 Geometry 进入模型操作界面，如图 3。
图 3 进入 Maxwell 模型操作界面
3）模型单位设置：
点击菜单栏中 Modeler -Units ，如图 4 。
图 4 单位设置
进入 Set Model Units 界面，在 Select units 中选择 mm 点击确定即完成了单位设置，如图 5。
图 5 单位设置
4） 分析类型设置：
在菜单栏中选择 Maxwell 3D - Solution Type ，如图 6。
图 6 分析类型设置
在 Magnetic 中选择 Eddy Current (涡电流分析) ，如图 7。
图 7 分析类型设置
5） 模型导入：
在菜单栏中选择 Modeler - Import ，如图 8。
图 8 模型导入
选择三维模型保存的路径并导入模型，这里保存为 stp 格式，如图 9。
图 9 模型导入
模型导入后会显示如图 10 所示的菜单界面，同时会弹出 Model Analysis 对话框，Good 表示对应模型的各部分读取无误，点击 Close 关闭对话框。
图 10 模型导入
导入后的模型如图 11 所示，线圈建模的方式不一样，计算时会报错：Illegal external terminal "current_1": An external terminal must border the of a 3D object 。报错的关键解决办法就在模型这，后边会单独说明解决这个报错的具体解决办法。
图 11 导入模型
线圈使用 Inventor 建模方式如图 12 所示，具体建模细节可以从三维图上看明白。
图 12 Inventor 三维建模
7） 创建 Region 模型
点击 Draw -Region 如图 13。
图 13 模型 Region
弹出 Region 对话框，Value 值设置为 0 ，如图 14。
图 14 模型 Region
建完的 Region 模型如图 15 所示，注意红色标注。
图 15 模型 Region
8） 设置材料参数：
选择要赋予材料属性的模型，右键 选择 Assign Material ，如图 16 。
图 16 设置材料参数
进入 Select Definition 材料参数界面，界面中已经有一些常用的材料，这里需要新建材料，点击 Add Material 进行新建，如图 17 。
图 17 设置材料参数
进入 View / Edit Material 界面，输入 Material Name ,如TU1,在Bulk Conductivity 中输入58000000 semens/m，在Mass Density 中输入8933 Kg/m^3，点 OK，如图 18。
图 18 设置材料参数
材料库中就会出现刚建的材料 TU1，点确定就给刚选的的模型赋予了材料，如图 19。
图 19 设置材料参数
9） 添加电流激励 Excitation：
在模型操作界面右键选择 Select Faces，如图 20 。
图 20 电流激励 Excitation 设置
选择要设置电流激励的四个面，如图 21，右键点击 Excitation 选择 Assign-Current 。
图 21 电流激励 Excitation 设置
进入 Current Excitation 界面，在 Parameters 界面 Value 中输入电流，Type 中选择 Stranded ,此时设置的激励电流都是向内的 ,如图 22。
图 22 电流激励 Excitation 设置
修改激励电流方向：激励电流必须一进一出进行对应，点击 Current_1 在Properties 下的 Direction 中选择 Point out of terminal ，即可改变电流方向，如图 23。
图 23 电流激励 Excitation 设置
激励电流方向设置为向外，同样的方法设置 Current_3 的方向 ，如图 24。
图 24 电流激励 Excitation 设置
10） 设置涡流响应 Set Eddy Effects：
右键依次选择 Excitation - Set Eddy Effects ，如图25。
图 25 设置涡流响应
取消线圈模型响应的对勾，如图26。
图 26 设置涡流响应
取消辅助模具响应的对勾，如图 27。
图 27 设置涡流响应
11） 设置网格：
选择线圈，右键点击 Mesh Operations - Assign - On Selection - Skin Depth Based ，如图 28。
图 28 设置网格
进入 Skin Depth Based Refinement 界面，选择 Calculate Skin Depth ，如图29 。
图 29 设置网格
进入 CalculateSkin Depth 界面输入 Frequency ,这里输入 50KHz，点击确定后Skin Depth 就会发生变化，如图 30。
图 30 设置网格
在后续计算过程中，会弹出一个界面：3dedy 停止工作，点关闭程序后会出现报错：Process “3dedy”terminated abnormally. It may habe run out of memory or could have been killedby the user，如图 31 。
图 31 3dedy 停止工作
解决这个问题我做了三个改变：a）由部分模型逐个计算直到完整模型可以计算，如单线圈加中间待加热块，计算没问题；再用 4 圈线圈加中间待加热快计算没问题；最后是双线圈加中间快，计算没问题；如果中间出了问题，就该模型网格进行改变，图中 Numberof Elements 由 1000 改为 500 (对增加模型做这样变化，前面模型还是原来设置状态），如图 32。
图 32 改变网格
b）在 C 盘中搜索 3dedy，将搜索到的 C 盘下3dedy（蓝色显示的文件都删除）,图中是删除后情况。再重新计算前将 ANSYSWorkbench 软件重新打开，且只打开一个进行计算。
图 33 3dedy 停止工作
c）再重新计算前将 ANSYS Workbench 软件重新打开，且只打开一个进行计算。
网格生成：
右键点击 Analysis，选择 Apply Mesh Operations 即可生成网格。
图 34 生成网格
按 Ctrl A 选中所有体，右键 Field Overlays ,选中 Plot Mesh ,即可显示划分后的模型网格。
图 35 生成网格
12） 分析设置：
右键 Analysis – Add Solution Setup ，如图 36 。
图 36 分析设置
进入分析设置工作界面如图 37。Maximum Number of Passe 和 Percent Erron 使用默认值。
图 37 分析设置
Refinement Per Pass ，Minimum Number of Passes 及 Minimum Converged Passes 也使用默认，不做改变，如图 38。
图 38 分析设置
Adaptive Frequence 设置为 50 Kz，Use higher order shape function 不做勾选，如图 39。
图 39 分析设置
13） 模型检查：
点击工具栏中的对勾，软件开始对模型，网格，激励，分析设置等进行检查，如图 40。
图 40 模型检查设置
检查结果如图 41，所有选项都显示为绿色对勾，即可进行计算，如果出现了问号需要回到对应设置处做更正。
图 41 模型检查
14） 分析计算：
点 Maxwell 3D –下的 Analyze All 或点击工具栏的叹号即可进行运算，如图 42。
图 42 分析计算设置
15） 结果显示：
右键 Field Overlays - Fields 即可选择自己关心的结果，如图 43。
图 43 显示结果
这里选择 B - Mag_B 后即进入 Create Field Plot 界面 ，选择 Mag_B , 在 In Volume 中选择需要的体或选择 All Objects ，如图 44。
图 44 显示结果
图 45 显示的即是计算结构的仿真云图。
图 45 显示仿真云图
3. Maxwll 结果导入 ANSYS Workbench
先进入图 46 所示界面，右键 Soluton , 选择 Transfer Date To New - Transient Thermal 。
图 46 Maxwll 结果导入 ANSYS Workbench
此时，Workbench 的瞬态热分析就和 Maxwell 的电磁分析建立了联合关系，如图 47 所示，且 Maxwell 的 Soluton 以闪电的形式显示 。
图 47 Maxwll 结果导入 ANSYS Workbench
模型共享：点击 A2 拖到 B3，瞬态热分析的模型就引用了 Maxwell 中的模型，如图 48 所示 。
图 48 Maxwll 模型导入 ANSYS Workbench
双击 ANSYS Workbench 的 Geometry 进入模型操作界面，点击 Generate 生成线圈模型，如图 49 所示 。
图 49 ANSYS Workbench 读入的线圈模型
右键点击 Solution - Update 更新 Maxwell 结果，如图 50 所示 。
图 50 Maxwell 的 Solution 更新
更新后 Maxwell 的 Solution 以绿色对勾显示，如图 51 。
图 51 Maxwell 的 Solution 更新
打开 ANSYS Workbench 的模型操作功能，可以看到 Transient Thermal 下出现了 Imported Load ( Maxwell 3D Solution )，即为电磁分析的热载荷，如图 52 。
图 51 读入热载荷
打后面的计算即可按照 ANSYS Workbench 的热分析进行设置 。
特别说明：
Maxwll 与 ANSYS Workbench 联合分析线圈加热过程中会出现三个关键问题，一是 Current 报错 Illegal external terminal "current_1": An external terminal must border the of a 3D object ；二是 3dedy 停止工作；三是载荷读入及载荷随时间变化设置，后边会单独进行详细分享。
