2015-2016学年研究生工程电磁场数值计算试题1 总结有限元法计算电磁场问题的步骤，并说明什么叫正问题和逆问题？（20分）答：基本步骤分为三大步：前处理（Preprocession ），求解（Solution ），后处理（Postprocession ）。

前处理主要包括：单元选择，材料定义，几何模型，网络划分，模型局部调整和施加荷载。

求解主要包括：分析问题的类型，设定分析参数，添加荷载条件，建立荷载工况和求解。

后处理主要包括:结果的文字输出（Result list ）,结果的云图输出（Result contour ），结果的矢量输出（Result vector ），结果的路径输出（Result mapping ），Element Table 的提取，Load Case 及组合。

正文题：已知场源、边界和媒质，计算场量。

给定场的计算区域、各区域的材料组成和特性，以及激励源的特性，求场域中的场量随时间、空间的分布规则。

逆问题：根据场量分布要求，求取场源。

根据电磁装置设定的场量值及其有关的特性的要求，求解该装置的的结构、尺寸、媒质性能参数和激励参数等。

2 设计一个高压点火器，用分析其电场分布，说明影响点火器起火的主要参数，并说明怎样改变参数可以容易地点火？（20分） 建立模型如图选择两个尖端为路径，电位图和电场强度图如下图所示程序如下： /BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 21:32:18 01/14/2016 /input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1 /GRA,POWER /GST,ON /PLO,INFO,3 /GRO,CURL,ON /CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,,,,,,,,0 /REPLOT,RESIZE /FILNAME,T2,0 /PREP7 !* /NOPR /PMETH,OFF,1 KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,0 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,1 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,1 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO !* /COM, /COM,Preferences for GUI filtering have been set to display: /COM, Electric!*!*ET,1,PLANE121!*!* MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,PERX,1,,1 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,RSVX,1,,1e+10FLST,3,1,8FITEM,3,0,0.1E-02,0K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,-0.1E-02,0.2E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,-0.1E-02,0.4E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,-0.3E-02,0.4E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,-0.3E-02,-0.4E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,-0.1E-02,-0.4E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,-0.1E-02,-0.2E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,0,-0.1E-02,0K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,0.1E-02,-0.2E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,0.1E-02,-0.4E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,0.3E-02,-0.4E-02,0 K, ,P51X FLST,3,1,8FITEM,3,0.3E-02,0.4E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,0.1E-02,0.4E-02,0 K, ,P51XFLST,3,1,8FITEM,3,0.1E-02,0.2E-02,0 K, ,P51XLSTR, 1, 2 LSTR, 3, 2 LSTR, 4, 3 LSTR, 5, 4 LSTR, 6, 5 LSTR, 7, 8 LSTR, 6, 7 LSTR, 9, 8 LSTR, 10, 11 LSTR, 9, 10 LSTR, 12, 13 LSTR, 12, 11 LSTR, 13, 14 LSTR, 14, 1 FLST,2,14,4FITEM,2,4FITEM,2,3FITEM,2,2FITEM,2,1FITEM,2,6FITEM,2,7FITEM,2,5FITEM,2,10FITEM,2,9FITEM,2,8FITEM,2,12FITEM,2,11FITEM,2,13FITEM,2,14AL,P51XALLSEL,ALLCM,_Y,AREAASEL, , , , 1CM,_Y1,AREACMSEL,S,_Y!*CMSEL,S,_Y1AATT, 1, , 1, 0, CMSEL,S,_YCMDELE,_YCMDELE,_Y1!*SMRT,6SMRT,1MSHAPE,0,2DMSHKEY,0!*CM,_Y,AREAASEL, , , , 1CM,_Y1,AREACHKMSH,'AREA'CMSEL,S,_Y!*AMESH,_Y1!*CMDELE,_YCMDELE,_Y1CMDELE,_Y2!*ALLSEL,ALLFINISH/SOL!*ANTYPE,0/REPLOT,RESIZE/REPLOT,RESIZEFLST,2,4,4,ORDE,4FITEM,2,1FITEM,2,-2FITEM,2,13FITEM,2,-14/GO!* DL,P51X, ,VOLT,0FLST,2,4,4,ORDE,3FITEM,2,6FITEM,2,-8FITEM,2,10/GO!*DL,P51X, ,VOLT,7000/REPLOT,RESIZE/REPLOT,RESIZE/STATUS,SOLUSOLVEFINISH/POST1!*/EFACET,1PLNSOL, VOLT,, 0!*/VSCALE,1,1,0!!*PLVECT,EF, , , ,VECT,ELEM,ON,0 PATH,1,2,30,20,PPATH,1,0,0,0.001,0,0, PPATH,2,0,0,-0.001,0,0,/PBC,PATH,1/REPLOT/PBC,PATH,0!*!*PDEF, ,EF,SUM,AVG/PBC,PATH, ,0!*PLPATH,EFSUMPLPATH,SFINISH! /EXIT,ALL（3）分析可得，物体击穿放电主要与材料，形状，所加电压有关。

当采用统一击穿物体放电，所加电压相同和相处距离相同时，尖对尖最易击穿放电，尖对板击穿放电次之，板对板最不易放。

在形状相同，击穿介质一样时，一般所加电压越高越容易击穿。

综上所述：使所加电压的物体之间距离越短，形状越接近尖对尖就越容易放电。

同时，选择击穿电压较低的介质也是实现击穿发电的途径。

3如图1所示，10.01m R =、20.08m R =，30.12m R =，半径1R 以内是金属球，其上电位为2000V ϕ=，大于半径1R 小于半径2R 之间为第一种电解质（即绝缘体），其相对介电常数为1r ε，大于半径2R 小于半径3R 之间为第二种电解质，其相对介电常数2r ε，第二种电解质外面是导体层，该导体层接地，试分析当（1）当11r ε=，280r ε=，（2）180r ε=，21r ε=，两种情况时两种电解质内E 和D 的分布，并说明两种情况下E 和D 的分布不同的原因。

（20分）图1答：（1）程序：/BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 11:02:26 01/12/2016 /input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1 /GRA,POWER /GST,ON /PLO,INFO,3 /GRO,CURL,ON /CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,,,,,,,,0 /REPLOT,RESIZE /FILNAME,T3,0 !* /NOPR /PMETH,OFF,1 KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,0 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,1 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,1 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO !* /COM, /COM,Preferences for GUI filtering have been set to display: /COM, Electric !* /PREP7 !* ET,1,PLANE121 !* !* MPTEMP ,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,PERX,1,,1 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,RSVX,1,,1e+10 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,RSVX,2,,1e+10 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,PERX,2,,80PCIRC,0.08,0.01,0,360, PCIRC,0.12,0.08,0,360, FLST,2,2,5,ORDE,2FITEM,2,1FITEM,2,-2AGLUE,P51XALLSEL,ALLCM,_Y,AREAASEL, , , , 1CM,_Y1,AREACMSEL,S,_Y!*CMSEL,S,_Y1AATT, 1, , 1, 0, CMSEL,S,_YCMDELE,_YCMDELE,_Y1!*CM,_Y,AREAASEL, , , , 3CM,_Y1,AREACMSEL,S,_Y!*CMSEL,S,_Y1AATT, 2, , 1, 0, CMSEL,S,_YCMDELE,_YCMDELE,_Y1!*!*SMRT,6SMRT,6SMRT,1 MSHAPE,0,2D MSHKEY,0!*FLST,5,2,5,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,3CM,_Y,AREA ASEL, , , ,P51X CM,_Y1,AREA CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y!*AMESH,_Y1!*CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2!*FINISH/SOLFINISH/PREP7 ALLSEL,ALL FINISH/SOLFLST,2,4,4,ORDE,2 FITEM,2,9 FITEM,2,-12/GO!*DL,P51X, ,VOLT,0 FLST,2,4,4,ORDE,2 FITEM,2,5 FITEM,2,-8/GO!*DL,P51X, ,VOLT,2000 /STATUS,SOLU SOLVEFINISH/POST1FINISH/POST26FILE,'T3','rth','.'/UI,COLL,1 NUMVAR,200 SOLU,191,NCMIT STORE,MERGE FILLDATA,191,,,,1,1 REALVAR,191,191 FINISH /POST1 !*/EFACET,1 PLNSOL, VOLT,, 0 !*/VSCALE,1,1,0 ! !*PLVECT,D, , , ,VECT,ELEM,ON,0 !*/VSCALE,1,1,0 ! !*PLVECT,EF, , , ,VECT,ELEM,ON,0 FINISH ! /EXIT,ALL图3-1D图3-2 E（2）程序 /BATCH /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 11:02:26 01/12/2016 /input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1 /GRA,POWER /GST,ON /PLO,INFO,3 /GRO,CURL,ON /CPLANE,1 /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,,,,,,,,0 /REPLOT,RESIZE /FILNAME,T3,0 !* /NOPR /PMETH,OFF,1 KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,0 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,1 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,1 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO !* /COM, /COM,Preferences for GUI filtering havebeen set to display:/COM, Electric!*/PREP7!*ET,1,PLANE121!*!* MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,PERX,1,,80 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,RSVX,1,,1e+10 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,RSVX,2,,1e+10 MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,PERX,2,,1PCIRC,0.08,0.01,0,360, PCIRC,0.12,0.08,0,360,FLST,2,2,5,ORDE,2FITEM,2,1FITEM,2,-2AGLUE,P51XALLSEL,ALLCM,_Y,AREAASEL, , , , 1CM,_Y1,AREACMSEL,S,_Y!*CMSEL,S,_Y1AATT, 1, , 1, 0, CMSEL,S,_YCMDELE,_YCMDELE,_Y1!*CM,_Y,AREAASEL, , , , 3CM,_Y1,AREACMSEL,S,_Y!*CMSEL,S,_Y1 AATT, 2, , 1, 0, CMSEL,S,_YCMDELE,_YCMDELE,_Y1!*!*SMRT,6SMRT,6SMRT,1MSHAPE,0,2DMSHKEY,0!*FLST,5,2,5,ORDE,2FITEM,5,1FITEM,5,3CM,_Y,AREAASEL, , , ,P51XCM,_Y1,AREACHKMSH,'AREA'CMSEL,S,_Y!*AMESH,_Y1!*CMDELE,_YCMDELE,_Y1CMDELE,_Y2!*FINISH/SOLFINISH/PREP7ALLSEL,ALLFINISH/SOLFLST,2,4,4,ORDE,2FITEM,2,9FITEM,2,-12/GO!*DL,P51X, ,VOLT,0FLST,2,4,4,ORDE,2FITEM,2,5FITEM,2,-8/GO!*DL,P51X, ,VOLT,2000 /STATUS,SOLU SOLVEFINISH/POST1FINISH/POST26FILE,'T3','rth','.'/UI,COLL,1 NUMVAR,200 SOLU,191,NCMIT STORE,MERGE FILLDATA,191,,,,1,1 REALVAR,191,191 FINISH/POST1!*/EFACET,1PLNSOL, VOLT,, 0!*/VSCALE,1,1,0!!*PLVECT,D, , , ,VECT,ELEM,ON,0!*/VSCALE,1,1,0!!*PLVECT,EF, , , ,VECT,ELEM,ON,0FINISH! /EXIT,ALL图3-3 D图3-4 E4 一个螺旋管，如图2所示，其中ABCD长方形为线圈骨架，其EFGH和IJKL两个长方形为线圈，通过线圈的电流密度为210A/mJ=，MNPQ长方形为包含整个螺旋管线圈的总待求区域的外边界，几个关键点坐标分别为A（-0.025，-0.05），C（0.025，0.05），E(-0.028,-0.04)G(-0.025,0.04),I(0.025,-0.04),K(0.028,0.04),M(-0.03,-0.058),P(0.03,0.058)。