牟力波

摘要：在當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，ANSYS軟件具有十分關(guān)鍵的作用，在機(jī)械設(shè)計(jì)中占據(jù)著較為重要的位置。通過在機(jī)械設(shè)計(jì)中利用ANSYS軟件，可以利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得出計(jì)算機(jī)結(jié)果，并可以對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)。利用ANSYS進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，由于其自身具有較強(qiáng)的計(jì)算和分析功能，可以有效的提高設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，ANSYS已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)中非常重要的工具之一。文中對(duì)ANSYS軟件的主要功能進(jìn)行了介紹，并對(duì)ANSYS幾何模型的建立和計(jì)算進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對(duì)ANSYS軟件對(duì)模擬換熱器內(nèi)流體換熱過程的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：ANSYS；機(jī)械設(shè)計(jì)；功能；幾何模型；計(jì)算；模擬換熱器

近年來我國科學(xué)技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化，計(jì)算機(jī)技術(shù)得以廣泛的在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，其不僅具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，而且計(jì)算精確性較高。ANSYS軟件就充分的利用了計(jì)算機(jī)的計(jì)算和分析能力，使其在機(jī)械設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用。ANSYS軟件是由CAE技術(shù)演變發(fā)展而來的，其作為當(dāng)前國際上較為流行的有限元分析軟件，屬于大型的設(shè)計(jì)類軟件之一，具有功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，而且被多種大型技術(shù)協(xié)會(huì)納入其中。特別是在近年來機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，大部分設(shè)計(jì)人員開始打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的束縛，充分的利用ANSYS軟件的性能來進(jìn)行輔助分析，這不僅有效的提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的水平，而且還為設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的技術(shù)保證。

1.ANSYS軟件的主要功能

ANSYS軟件其不僅可以對(duì)結(jié)構(gòu)和熱、顯式非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行分析，而且還可以對(duì)多物理場耦合和電磁場等進(jìn)行分析，具有非常強(qiáng)大的物理場分析能力，而且其處理能力也非常強(qiáng)大。利用ANSYS進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，可以有效的確保機(jī)械設(shè)計(jì)的效果，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的水平。ANSYS可以將物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同大大小及不同類型的進(jìn)行分割，使其形成不同的區(qū)域，也可稱為單元了，而且通過對(duì)每個(gè)單元的作用力方程進(jìn)行推算，并其將組集在一起，從而成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程，并對(duì)系統(tǒng)方程進(jìn)行求解，這種方法可以稱為有限元法。這屬于一種離散式的數(shù)值方法，利用節(jié)點(diǎn)聯(lián)系離散后的元和單元，并通過節(jié)點(diǎn)來計(jì)算所有力和位移。在每個(gè)單元中選擇適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，并確保該函數(shù)能夠滿足在子城內(nèi)部、子域分界面上及子域與外界外界面上的一定條件，并將所有單元方程進(jìn)行有效的組合，從而得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程，并對(duì)其進(jìn)行求解，從而得到結(jié)構(gòu)的近似值。在有限元法中離散化作為其重要的基礎(chǔ)，需要在對(duì)單元的類型、形態(tài)、大小及排列方式進(jìn)行決定時(shí)依據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況來進(jìn)行，這樣確保了能夠準(zhǔn)確對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割時(shí)單元大小的確定，通常所選擇取的函數(shù)為多項(xiàng)式，而且要滿足平衡方程的條件。

2.ANSYS幾何模型的建立和計(jì)算

在對(duì)ANSYS建立幾何模型時(shí)，需要在進(jìn)行單元選擇、網(wǎng)絡(luò)劃分及邊界求解時(shí)進(jìn)行充分的注意，從而確保能夠?qū)崿F(xiàn)ANSYS幾何模型的建立和計(jì)算。

首先，在進(jìn)行建模工作之前，需要設(shè)計(jì)人員對(duì)單元類型進(jìn)行選擇，同時(shí)還要找出定義常數(shù)及材料屬性。通常情況下，設(shè)計(jì)人員可以在ANSYS軟件中選擇Structure模塊來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但其具有較大的應(yīng)變壓力，同時(shí)施加的內(nèi)壓也非常大。同時(shí)在對(duì)單元進(jìn)行選擇時(shí)，由于PLANE2具有UX和UY兩個(gè)較大自由度，所以可以選擇PLANE2單元進(jìn)行分析。另外在對(duì)單元中不同屬性進(jìn)行標(biāo)記時(shí)可以采用不同的材料號(hào)來完成。

其次，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。設(shè)計(jì)人員通過對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行初步劃分，可以確保具有較好的精準(zhǔn)性，而且在初步劃分完成后還需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，確保所得到的網(wǎng)絡(luò)具有較好的精細(xì)性。

最后，在模型上施加邊界求解。利用有限元法來進(jìn)行分析，可以更好的確定物體載荷的響應(yīng)，同時(shí)可以根據(jù)載荷來做后續(xù)的分析。所以在這種過程中需要正確進(jìn)行載荷的施加。在對(duì)模型進(jìn)行施加載荷時(shí)，主要有內(nèi)壓、外壓和重力，這三部分壓力由于內(nèi)壓所帶來的影響較小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略不計(jì)，只需要對(duì)外壓和重力進(jìn)行計(jì)算求解即可。根據(jù)所求得的解來對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理后，才可以得到模型變形圖，并進(jìn)一步得到應(yīng)力軌跡圖。

3.ANSYS軟件對(duì)模擬換熱器內(nèi)流體換熱過程的設(shè)計(jì)

在ANSYS軟件中，其中有一個(gè)叫FLOTRANCFD的分析功能，它主要是對(duì)二維和三維流體流動(dòng)場進(jìn)行分析的先進(jìn)功能。利用該功能進(jìn)行分析，可以對(duì)多種流體的熱交換器進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，將分析結(jié)果分成瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)，通過分析得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和單元流率。再利用軟件對(duì)產(chǎn)生的壓力和流率進(jìn)行圖形顯示。舉個(gè)例子，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員可以利用ANSYS軟件建立模型設(shè)立過程。

第一，選擇模型單元和建模。設(shè)計(jì)模型是矩形截面圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)得出的軸對(duì)稱模型，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)截面進(jìn)行選取和分析，其中上下兩個(gè)矩形面分別代表兩種流體，然后選擇FLOTRANCED模塊對(duì)兩組分流情況進(jìn)行分析。

第二，對(duì)模型施加邊界條件并進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)人員在對(duì)換熱器進(jìn)行CFD計(jì)算和分析中，必須要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界的條件和在外壁面施加邊界條件。殼程水的進(jìn)口速度和溫度均為零。

（2）管程氣體的進(jìn)口速度和溫度為零。

（3）利用ANSYS對(duì)速度方程、壓力方程和溫度方程等方面進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行迭代170-175次左右，收斂標(biāo)準(zhǔn)值后進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行處理，繼而得到換熱器流-熱耦合場的速度和溫度等值線。

4.結(jié)束語

利用ANSYS軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)具有較大的優(yōu)勢，它能夠方便計(jì)算分析出結(jié)構(gòu)方面的問題，還可以進(jìn)行物理場耦合分析，經(jīng)過對(duì)各種制約影響因素進(jìn)行研究，從而能夠反映出真實(shí)情況。ANSYS作為一種輔助工具，為機(jī)械的合理設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)過程中的材料選用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。除此之外，ANSYS還具有非常強(qiáng)大的后處理功能和仿真功能，能夠以圖表、動(dòng)畫等形式展現(xiàn)出相關(guān)信息，在費(fèi)用和時(shí)間較短缺的情況下，為設(shè)計(jì)人員展現(xiàn)出完整的信息和研究成果，有利于設(shè)計(jì)工作的進(jìn)一步優(yōu)化。

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