浅析ANSYS在机械设计中的应用

牟力波

摘要：在当前机械设计工作中，ANSYS软件具有十分关键的作用，在机械设计中占据着较为重要的位置。通过在机械设计中利用ANSYS软件，可以利用计算机来进行模拟计算，从而得出计算机结果，并可以对其进行相关的改进。利用ANSYS进行机械设计，由于其自身具有较强的计算和分析功能，可以有效的提高设计的精准性，ANSYS已成为当前机械设计中非常重要的工具之一。文中对ANSYS软件的主要功能进行了介绍，并对ANSYS几何模型的建立和计算进行了分析，并进一步对ANSYS软件对模拟换热器内流体换热过程的设计进行了具体的阐述。

关键词：ANSYS；机械设计；功能；几何模型；计算；模拟换热器

近年来我国科学技术发生着日新月异的变化，计算机技术得以广泛的在各个领域内进行应用，其不仅具有较强的计算能力，而且计算精确性较高。ANSYS软件就充分的利用了计算机的计算和分析能力，使其在机械设计中进行应用。ANSYS软件是由CAE技术演变发展而来的，其作为当前国际上较为流行的有限元分析软件，属于大型的设计类软件之一，具有功能强大的特点，而且被多种大型技术协会纳入其中。特别是在近年来机械设计工作中，大部分设计人员开始打破传统设计方法的束缚，充分的利用ANSYS软件的性能来进行辅助分析，这不仅有效的提高了机械设计的水平，而且还为设计提供了科学的技术保证。

1.ANSYS软件的主要功能

ANSYS软件其不仅可以对结构和热、显式非线性瞬态动力学和计算机流体动力学等进行分析，而且还可以对多物理场耦合和电磁场等进行分析，具有非常强大的物理场分析能力，而且其处理能力也非常强大。利用ANSYS进行机械设计，可以有效的确保机械设计的效果，提高机械设计的水平。ANSYS可以将物理结构进行不同大大小及不同类型的进行分割，使其形成不同的区域，也可称为单元了，而且通过对每个单元的作用力方程进行推算，并其将组集在一起，从而成为整个结构的系统方程，并对系统方程进行求解，这种方法可以称为有限元法。这属于一种离散式的数值方法，利用节点联系离散后的元和单元，并通过节点来计算所有力和位移。在每个单元中选择适当的插值函数，并确保该函数能够满足在子城内部、子域分界面上及子域与外界外界面上的一定条件，并将所有单元方程进行有效的组合，从而得到整个结构的方程，并对其进行求解，从而得到结构的近似值。在有限元法中离散化作为其重要的基础，需要在对单元的类型、形态、大小及排列方式进行决定时依据结构的实际情况来进行，这样确保了能够准确对结构进行分割时单元大小的确定，通常所选择取的函数为多项式，而且要满足平衡方程的条件。

2.ANSYS几何模型的建立和计算

在对ANSYS建立几何模型时，需要在进行单元选择、网络划分及边界求解时进行充分的注意，从而确保能够实现ANSYS几何模型的建立和计算。

首先，在进行建模工作之前，需要设计人员对单元类型进行选择，同时还要找出定义常数及材料属性。通常情况下，设计人员可以在ANSYS软件中选择Structure模块来对结构进行分析，但其具有较大的应变压力，同时施加的内压也非常大。同时在对单元进行选择时，由于PLANE2具有UX和UY两个较大自由度，所以可以选择PLANE2单元进行分析。另外在对单元中不同属性进行标记时可以采用不同的材料号来完成。

其次，对网格进行划分。设计人员通过对网格进行初步划分，可以确保具有较好的精准性，而且在初步划分完成后还需要进一步对其进行调整，确保所得到的网络具有较好的精细性。

最后，在模型上施加边界求解。利用有限元法来进行分析，可以更好的确定物体载荷的响应，同时可以根据载荷来做后续的分析。所以在这种过程中需要正确进行载荷的施加。在对模型进行施加载荷时，主要有内压、外压和重力，这三部分压力由于內压所带来的影响较小，所以在设计时可以忽略不计，只需要对外压和重力进行计算求解即可。根据所求得的解来对结果进行处理后，才可以得到模型变形图，并进一步得到应力轨迹图。

3.ANSYS软件对模拟换热器内流体换热过程的设计

在ANSYS软件中，其中有一个叫FLOTRANCFD的分析功能，它主要是对二维和三维流体流动场进行分析的先进功能。利用该功能进行分析，可以对多种流体的热交换器进行研究。设计人员可以进行流体动力学分析，将分析结果分成瞬态和稳态，通过分析得出每个节点的压力和单元流率。再利用软件对产生的压力和流率进行图形显示。举个例子，在进行设计的过程中，设计人员可以利用ANSYS软件建立模型设立过程。

第一，选择模型单元和建模。设计模型是矩形截面围绕中心轴旋转得出的轴对称模型，设计人员可以对截面进行选取和分析，其中上下两个矩形面分别代表两种流体，然后选择FLOTRANCED模块对两组分流情况进行分析。

第二，对模型施加边界条件并进行计算。设计人员在对换热器进行CFD计算和分析中，必须要考虑以下几点：

（1）对称面施加对称边界的条件和在外壁面施加边界条件。壳程水的进口速度和温度均为零。

（2）管程气体的进口速度和温度为零。

（3）利用ANSYS对速度方程、压力方程和温度方程等方面进行计算。在进行迭代170-175次左右，收敛标准值后进行计算，对计算得出的结果进行处理，继而得到换热器流-热耦合场的速度和温度等值线。

4.结束语

利用ANSYS软件进行机械设计具有较大的优势，它能够方便计算分析出结构方面的问题，还可以进行物理场耦合分析，经过对各种制约影响因素进行研究，从而能够反映出真实情况。ANSYS作为一种辅助工具，为机械的合理设计以及设计过程中的材料选用打下坚实基础。除此之外，ANSYS还具有非常强大的后处理功能和仿真功能，能够以图表、动画等形式展现出相关信息，在费用和时间较短缺的情况下，为设计人员展现出完整的信息和研究成果，有利于设计工作的进一步优化。

参考文献：

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