使用 ANSYS进行加速器磁铁三维有限元分析.pdfVIP

使用ANSYS 进行加速器磁铁三维有限元分析 陈德智 张黎明 华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074 [ 摘 要 ] 以一台小型医用回旋加速器为例，使用ANSYS 软件进行磁铁分析，对有限元实施中的一些问题 进行了研究。比较了二维分析与三维分析的差别，讨论了外围空气建模、模型细节以及网格划 分对计算结果的影响。在利用对称性条件进行计算时，发现ANSYS 对边界上磁场的计算方法存 在缺陷，本文对此进行了改进，消除了中平面上磁场的水平分量，磁场分布曲线也更趋合理。 最后讨论了对称性条件受到加工误差等破坏时的处理办法。本文结论对回旋加速器磁场的三维 分析有一定的参考价值。 [ 关键词 ] 回旋加速器；磁铁；有限元分析；ANSYS Some Issues in 3D FEM Analysis of Cyclotron Magnet Chen Dezhi Zhang Liming College of Electrical Electronic Engineering, Huazhong University of Science Technology, Wuhan 430074 [Abstract] 3D FEM analysis of the magnet of a small medical cyclotron was made by using ANSYS. First, 2D and 3D analysis were compared. Then the influence of the modeling of the periphery air and the minutiae, and the meshing of the magnet were discussed. When the symmetry conditions were applied in FEM, some defects of ANSYS in calculating the magnetic field at the boundary were found, and an improving scheme was presented. By using our method, the horizontal components of the magnetic flux at the mid-plane are eliminated, and the obtained magnetic field distribution becomes more reasonable. Finally, the processing method of the weak un-symmetry due to unwanted facts was discussed. [Keyword] Cyclotron, magnet, FEM Analysis, ANSYS 1 1 引言 磁铁是回旋加速器的关键部件，磁铁的分析计算是加速器设计的重要任务。要保证带电 粒子稳定加速，提高加速器的性能参数，磁场的设计分析必须达到非常高的精度 （一般要求 误差小于10-3 [1-4] ） 。目前主要借助于有限元技术进行磁铁分析。这是个三维、非线性问题， 由于磁铁体积很大，而加速间隙很窄，有些结构非常精细，这些因素使得计算量非常大。为 应用有限的计算资源获得较高的计算精度，在有限元分析过程中，对磁铁的三维建模、网格 划分以及结果数据的处理等许多问题，都必须加以仔细地考察[5-6]。这些问题有些属于有限 元方法固有的问题，有些则与使用的软件有关。本文以一台小型医用质子回旋加速器磁铁为 基本模型，使用有限元软件ANSYS 对这些问题进行了研究。 ANSYS 是当前最有影响的大型通用有