什么是磁吸结构

-使用永磁体之间的磁力进行关闭、密封或定位的结构

-广泛应用于消费电子、家电、工业及汽车等领域，其中消费电子领域包括但不限于笔记本电脑、平板电脑、手机、磁吸键盘、触控笔、智能保护套等

-典型的磁吸结构应用为：消费电子产品中的定位器、连接器、传感设备等

磁吸结构设计挑战

-磁吸闭锁时，过大的磁力会损坏外壳、连接器等结构

-用户体验是重要的设计目标(用户可以轻易地将物体磁吸合并分离)

-难以对磁铁间的作用力进行建模，以及确定物体间的冲击力

ANSYS Motion如何提供助力

-满足指定应用场景的磁力设计

-在满足磁力的要求下，减少尺寸和降低成本

-预测移动轨迹、闭合速度和冲击力

-预测冲击后的机械应力

Motion与Maxwell双向耦合工作流简介

2022R2新功能：Motion和Maxwell最新仿真流程

-全自由度的Ansys Motion与Maxwell联合仿真

-自动生成Maxwell模型

• 自动创建模型

• 自动创建求解域

• 自动分配材料（永磁体需用户定义）

• 自动开启物体干涉设置

• 自动创建坐标系

• 自动创建力和力矩

• 自动创建后处理（report和field plot）

• 自动创建求解设置

-用户可以调整Maxwell中的设置

• 材料属性以及磁化方向

• 网格设置以及求解设置

-在每个Motion求解时间步中，Maxwell中的物体会根据Motion传递的数据进行移动和旋转。Maxwell求解后把力和力矩传递到Motion中

Ansys Motion与Maxwell联合仿真工作流程

Ansys Motion

-Motion中的运动模型

-Input:磁力和磁力矩

-Output:永磁体的位置和方向

Maxwell

-Maxwell中的电磁模型

-Input:永磁体的位置和方向

-Output:磁力和磁力矩

软件要求和模型介绍

Ansys Motion前处理步骤

Model

1、启动Ansys Motion Preprocessor 2022R2(Motion的前后处理是分开的软件)，在软件左上角选择new→new file

2、在弹出的窗口中选择SubSystem，定义文件名和文件保存路径，点击OK

• Motion使用3级文件：work-file.dfwork（例如汽车）；model-file.dfmodal（例如悬挂系统）；subsystem-file.dfsub（例如弹簧）

• 对于本例，只需创建一个子系统，不需要层级文件

3、在弹出的窗口中选择默认的单位MMKS，点击next设置重力（可以稍后设置）或点击finish显示前处理界面

4、在body界面下点击import CAD导入CAD模型

5、在弹出的窗口中要导入的模型，motion支持多种CAD格式：ACIS、CATIA、Parasolid、step等

6、点击apply，平板电脑和触控笔模型导入到软件中

• 右键选择物体，可以更改模型名字、透明度以及隐藏实体

7、打开自动隐藏的“属性”选项卡，本案例不考虑重力因素，设置重力为0（XYZ三个方向重力均为0）

Material

1、点击软件下方material工具栏，在材料属性窗口输入铝的材料属性。输入杨氏模量和泊松比后点击“G”，软件自动计算剪切模量

• 对于刚体，只需定义密度；磁性材料的磁特性需在Maxwell中定义

2、铝的材料属性输入完成后点击右侧“√”，铝材料添加到软件中。按照同样的步骤添加玻璃材料属性。输入完成后材料列表中共有三个材料：MAT_001（系统自带）、铝和玻璃

3、在模型树下右键选择物体，点击property，在弹出的窗口中点击“M”为物体分配材料属性。本例中，两个永磁体按默认材料MAT_001、触摸板定义玻璃材料，其他物体定义铝材料

• 对于刚体，可以在此页面直接定义密度，不需要再加载材料属性

Rigid/Flexible

-在模型树下右键选择物体，点击property，在弹出的窗口中可以定义刚体或柔性体。本例中定义触控笔pen_body为柔性体—EasyFlex Nodal

• EasyFlex Nodal: 节点柔性体，采用有限元分析，可以考虑非线性行为

• EasyFlex Modal：模态柔性体，采用模态叠加法计算，速度快，但只能考虑线性行为

-点击EasyFlex界面，软件使用简易的按钮来控制计算精度（类比网格剖分，数值越小计算越精确）。本例选择默认设置3

• Seed Point仅用于空心EasyFlex物体，如薄壁盒子

-在模型树下柔性体与刚体的标志不同

Group

-Group是物体的集合，group内的物体可以批量设置（比如同时移动），方便用户进行前处理操作

-Group内的物体必须是刚体，不能包括柔性体

-本例中必须定义group，因为在定义magnetic force时不能直接使用“物体” ，只能通过group定义电磁力。定义group另一个好处是使用group auto connector可以自动创建group内的约束

-本例中创建两个group，平板电脑和笔（由于pen_body是柔性体，所以group_pen中只包含PM_pen）

-在group界面下点击group ，右键选择PM_pen，点击pick，PM_pen出现在物体列表中，点击OK完成group的定义

-同样的方法定义包含平板电脑的Group，共八个物体。点击OK，在Group菜单下出现group_pen和group_tablet

Group Auto Connector

Group Auto Connector可以自动地为Group内的物体创建固定约束，方便用户进行前处理操作

1、在constraint界面下点击Group Auto Connector，右键选择Group_tablet，点击pick， Group_tablet出现在物体列表中，点击OK完成Group Auto Connector的定义

• 在Connector菜单下出现七个固定约束，七个物体分别与pad形成固定约束条件

2、在constraint界面下点击Fixed，在弹出的窗口中base entity选择pad，action entity选择Ground，点击Apply，把pad与大地设为固定约束，这样GROUP_tablet内的物体全部与大地形成固定约束条件，在仿真过程中保持静止

Contact-Faceset

必须为每个可能接触的物体定义Contact。与约束不同，Contact是面相互接触不是体相互接触。

刚体之间的接触可以使用物体，但是最好使用“faceset”来定义接触；对于柔性体必须使用“faceset”定义接触。

1、在Contact界面下点击Faceset，点击平板电脑与触控笔相邻的平面，Pad/Face(9)出现在弹出的界面列表中，点击OK，在Region菜单下生成FACE_SET01

2、同样的操作，选择触控笔两个表面，生成FACE_SET02；选择触控笔上表面，生成FACE_SET03；隐藏触控笔，选择触控笔中永磁体一个表面，生成FACE_SET04

3、双击FACESET_01，在general菜单下勾选Max facet size，并填写0.5。同样的操作，定义另外三个Faceset网格尺寸为0.5。点击Preview，可以看到面网格。定义网格的作用是在物体接触时进行有限元分析。

4、pen_body与PM_pen，应该是固定约束关系，由于pen_body是柔性体，必须通过Faceset定义约束条件。依照之前介绍的步骤，定义FACE_SET03和FACE_SET04为固定约束关系

5、在Contact界面下点击General Contact，点击Base Geometry下方空白处，右键点击FACESET_01选择pick，同样的步骤定义FACESET_02为Action Geometry。点击apply，在contact菜单下出现Gcontact_01

Magnet

-Motion与Maxwell通过Magnetic功能传递力和力矩数据以及永磁体的位置

-在Force界面下点击Magnetic，右键选择GROUP_pen和GROUP_tablet，点击pick，两个GROUP出现在物体列表中，点击OK，在Connector菜单下出现Mag_001电磁力约束

• 由于“Magnetic”不能直接调用“物体”，所以只能通过Group定义Magnetic Force

-双击Mag_001，设置参数并生成Maxwell project

Maxwell

点击Generate Maxwell Project按钮，自动生成Maxwell project

可更改的步骤为：

1、更改求解域尺寸。自动生成的模型求解域尺寸为XYZ方向扩展500%，调节求解域尺寸，符合电磁场仿真要求

2、定义材料属性。自动生成的模型永磁体的材料属性是空白的，需要用户定义适合的永磁体材料（其他材料也可编辑与更改）

3、设置setup。自动生成的模型solve setup的percent error为0.5，本例按照电磁仿真默认的1%即可

4、确认是否自动开启enable material override（Maxwell 3D→design setting）

5、网格划分和HPC设置（可选）

6、保存project，不要关闭Maxwell，耦合仿真时需要进行数据交换

Solver Settings

1、返回到Motion，在Magnetic的Design Name中填写Maxwell的Design名字，点击OK

2、在Simulation界面下点击Run→Modify，在弹出的界面中设置求解时间和时间步长。本例设置求解时间0.04s，时间步长

50步，如果时间步长过小，可能无法捕捉到接触瞬间电磁力或速度的最大值

3、点击solver界面，定义并行求解核数，点击Simulate开始求解

Ansys Motion后处理

后处理文件

-在求解过程中可以看到迭代次数以及求解时间，在maxwell中可以看到永磁体的位置随着求解时间变化而变化

-求解完成后所有文件都存放在之前定义的文件保存路径中

打开后处理

-求解完成后Motion post processor自动打开

-如果要打开其他后处理文件，点击Ansys Motion Postprocessor 2022R2，在弹出的路径选择对话框中选择*.dfr文件

生成动画

点击模型显示窗口下部的红色录制按钮，编辑软件上方的保存路径、保存格式（MP4或GIF）以及帧频，点击右侧“＋”，动画自动保存到设置的路径中

绘制动画云图

点击软件左上角contour，模型列表中只有柔性体pen_body，Mapping type选择FE Node，characteristic选择Displacement（还可以选择其他的物理量），Component选择Y，点击左侧“+”，绘制触控笔在接触过程中Y方向的形变云图

绘制曲线

-点击chart→create chart→add curve，模型列表中选择Contact→Gcontact_01， characteristic选择Normal Force（还可以选择其他的物理量），Component选择Sum，点击左侧“+”，绘制触控笔在接触过程中电磁力曲线

-按照同样的方法，选择PM_pen→PM_pen/CM，绘制触控笔在接触过程中的速度与加速度曲线

-触控笔在接触过程中的电磁力、速度与加速曲线

动画云图+曲线

调整形变云图与三个曲线的位置，按照之前的方法保存动画云图和曲线。可以看到触控笔刚接触到pad时，速度达到峰值；而在笔完全接触pad时电磁力和加速度达到峰值

保存后处理solution

-关闭后处理软件，弹出保存结果窗口，点击save，*.dfnps文件（结果文件）自动存放在之前定义的文件保存路径中

-如想打开之前的solution文件，点击软件左上角 →load，在弹出的窗口中选择要导入的solution文件

不同工况下的仿真对比

增加笔与pad之间距离

-增加笔与pad之间的距离。在模型列表中选择pen_body，点击home→object control→translate，点击“-Y”并输入15，点击右侧的apply，触控笔沿Y轴负方向移动15mm

-Motion与Maxwell中笔与pad增加了距离

-由于距离增加，永磁体的磁力不足以吸引触控笔到pad上，电磁力为0

增加矫顽力

-在Maxwell中修改永磁体矫顽力，再次仿真。可以看出增加矫顽力后，在接触过程中，触控笔的形变有大幅增加

-更改矫顽力后，绘制触控笔在接触过程中的电磁力、速度与加速曲线。可以看出增加矫顽力后，在接触过程中，电磁力、速度与加速度均有大幅增加

总结

Ansys 为永磁体和磁吸结构的分析提供完整的解决方案。Ansys集成了电磁场仿真、机械运动仿真、多物理场和强大的建模功能，帮助客户优化产品性能。

随着电子产品的便捷化、“无线”化，磁吸结构在越来越多的产品中得以应用。该仿真教程广泛适用于各种消费电子产品：笔记本电脑、平板电脑、手机、磁吸键盘、智能保护套等。