淺析ANSYS在機械設計中的應用

牟力波

摘要：在當前機械設計工作中，ANSYS軟件具有十分關鍵的作用，在機械設計中占據(jù)著較為重要的位置。通過在機械設計中利用ANSYS軟件，可以利用計算機來進行模擬計算，從而得出計算機結果，并可以對其進行相關的改進。利用ANSYS進行機械設計，由于其自身具有較強的計算和分析功能，可以有效的提高設計的精準性，ANSYS已成為當前機械設計中非常重要的工具之一。文中對ANSYS軟件的主要功能進行了介紹，并對ANSYS幾何模型的建立和計算進行了分析，并進一步對ANSYS軟件對模擬換熱器內(nèi)流體換熱過程的設計進行了具體的闡述。

關鍵詞：ANSYS；機械設計；功能；幾何模型；計算；模擬換熱器

近年來我國科學技術發(fā)生著日新月異的變化，計算機技術得以廣泛的在各個領域內(nèi)進行應用，其不僅具有較強的計算能力，而且計算精確性較高。ANSYS軟件就充分的利用了計算機的計算和分析能力，使其在機械設計中進行應用。ANSYS軟件是由CAE技術演變發(fā)展而來的，其作為當前國際上較為流行的有限元分析軟件，屬于大型的設計類軟件之一，具有功能強大的特點，而且被多種大型技術協(xié)會納入其中。特別是在近年來機械設計工作中，大部分設計人員開始打破傳統(tǒng)設計方法的束縛，充分的利用ANSYS軟件的性能來進行輔助分析，這不僅有效的提高了機械設計的水平，而且還為設計提供了科學的技術保證。

1.ANSYS軟件的主要功能

ANSYS軟件其不僅可以對結構和熱、顯式非線性瞬態(tài)動力學和計算機流體動力學等進行分析，而且還可以對多物理場耦合和電磁場等進行分析，具有非常強大的物理場分析能力，而且其處理能力也非常強大。利用ANSYS進行機械設計，可以有效的確保機械設計的效果，提高機械設計的水平。ANSYS可以將物理結構進行不同大大小及不同類型的進行分割，使其形成不同的區(qū)域，也可稱為單元了，而且通過對每個單元的作用力方程進行推算，并其將組集在一起，從而成為整個結構的系統(tǒng)方程，并對系統(tǒng)方程進行求解，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)點聯(lián)系離散后的元和單元，并通過節(jié)點來計算所有力和位移。在每個單元中選擇適當?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行有效的組合，從而得到整個結構的方程，并對其進行求解，從而得到結構的近似值。在有限元法中離散化作為其重要的基礎，需要在對單元的類型、形態(tài)、大小及排列方式進行決定時依據(jù)結構的實際情況來進行，這樣確保了能夠準確對結構進行分割時單元大小的確定，通常所選擇取的函數(shù)為多項式，而且要滿足平衡方程的條件。

2.ANSYS幾何模型的建立和計算

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

首先，在進行建模工作之前，需要設計人員對單元類型進行選擇，同時還要找出定義常數(shù)及材料屬性。通常情況下，設計人員可以在ANSYS軟件中選擇Structure模塊來對結構進行分析，但其具有較大的應變壓力，同時施加的內(nèi)壓也非常大。同時在對單元進行選擇時，由于PLANE2具有UX和UY兩個較大自由度，所以可以選擇PLANE2單元進行分析。另外在對單元中不同屬性進行標記時可以采用不同的材料號來完成。

其次，對網(wǎng)格進行劃分。設計人員通過對網(wǎng)格進行初步劃分，可以確保具有較好的精準性，而且在初步劃分完成后還需要進一步對其進行調(diào)整，確保所得到的網(wǎng)絡具有較好的精細性。

最后，在模型上施加邊界求解。利用有限元法來進行分析，可以更好的確定物體載荷的響應，同時可以根據(jù)載荷來做后續(xù)的分析。所以在這種過程中需要正確進行載荷的施加。在對模型進行施加載荷時，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，所以在設計時可以忽略不計，只需要對外壓和重力進行計算求解即可。根據(jù)所求得的解來對結果進行處理后，才可以得到模型變形圖，并進一步得到應力軌跡圖。

3.ANSYS軟件對模擬換熱器內(nèi)流體換熱過程的設計

在ANSYS軟件中，其中有一個叫FLOTRANCFD的分析功能，它主要是對二維和三維流體流動場進行分析的先進功能。利用該功能進行分析，可以對多種流體的熱交換器進行研究。設計人員可以進行流體動力學分析，將分析結果分成瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)，通過分析得出每個節(jié)點的壓力和單元流率。再利用軟件對產(chǎn)生的壓力和流率進行圖形顯示。舉個例子，在進行設計的過程中，設計人員可以利用ANSYS軟件建立模型設立過程。

第一，選擇模型單元和建模。設計模型是矩形截面圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)得出的軸對稱模型，設計人員可以對截面進行選取和分析，其中上下兩個矩形面分別代表兩種流體，然后選擇FLOTRANCED模塊對兩組分流情況進行分析。

第二，對模型施加邊界條件并進行計算。設計人員在對換熱器進行CFD計算和分析中，必須要考慮以下幾點：

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

（2）管程氣體的進口速度和溫度為零。

（3）利用ANSYS對速度方程、壓力方程和溫度方程等方面進行計算。在進行迭代170-175次左右，收斂標準值后進行計算，對計算得出的結果進行處理，繼而得到換熱器流-熱耦合場的速度和溫度等值線。

4.結束語

利用ANSYS軟件進行機械設計具有較大的優(yōu)勢，它能夠方便計算分析出結構方面的問題，還可以進行物理場耦合分析，經(jīng)過對各種制約影響因素進行研究，從而能夠反映出真實情況。ANSYS作為一種輔助工具，為機械的合理設計以及設計過程中的材料選用打下堅實基礎。除此之外，ANSYS還具有非常強大的后處理功能和仿真功能，能夠以圖表、動畫等形式展現(xiàn)出相關信息，在費用和時間較短缺的情況下，為設計人員展現(xiàn)出完整的信息和研究成果，有利于設計工作的進一步優(yōu)化。

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