前面已经讨论过石墨常用的硅碳棒结构中有圆柱体，硅碳棒圆筒和栅状三种结构。同时，在已经论证了圆柱体作为硅碳棒的不合理性之后，加入螺旋结构，对圆筒状和栅状以及螺旋状硅碳棒结构发热效率做分析比较，从三者中选出更适合作为硅碳棒的结构选型。其中，硅碳棒圆筒的尺寸为:内半径为19mm，外半径为25mm,长度为200mm。

几何模型的建立

       由于需要计算硅碳棒圆筒在额定功率电流下的温度分布，需要用到电热祸合。ANSYS中有两种祸合方法，一种是序贯祸合法，一种是直接祸合法。其中直接祸合法适合祸合场之间由强烈祸合的物理场以及高度非线性分析。直接祸合的优点是一次求解即可得到结果，缺点是计算效率低，时间长。对于祸合场之间相互作用非线性程度不高的情况，序贯祸合法计算效率更高，模拟也更加灵活。由于本文采用的高强石墨材料参数随温度变化很小，甚至可以理想化地认为材料参数随温度变化不变，热电祸合非线性程度不高，与此同时，考虑到计算效率，这里采用序贯祸合。序贯祸合法的原理是利用一个场的计算结果施加到另一个场的分析中。热电祸合是利用电场中求出的焦耳热作为热场的生热效率施加在热场单元上，然后再热场中求出温度分布。

电场有限元的模型建立

       电场求解焦耳热时，需要建立空气域，与此同时，为了提高计算精度，为模拟无限边界需要建立远场区域。因此电场模型中一共有三个模型，由内到外分别是硅碳棒圆筒，空气区域和远场区域。虽然模型具有对称性，但是考虑到模型较为简单，没有进行对称性分析。采用整体建模分析，如下图所示:

电场有限元的模型单元选择

       为了得到指定电流下高强石墨的焦耳热，ANSYS中只能采用电场单元。ANSYS中电场单元主要有三维8节点单元SOLIDS、三维20节点单元SOLID231,三维10节点单元SOLID232等。

       SOLID231单元为高阶单元。每个节点只有一个自由度即电压。该单元基于电流的电场单元，它可以在几乎不损失精度的情况下忽略模型中不规则的形状。此单元也非常适用于具有曲面的电压边界的模型。SOLID231单元如下图所示:

材料参数

       SOLID231单元做直流电场分析时，参与计算的主要参数有电阻率，相对介电常数(导体不需要定义介电常数)。根据相关文献资料，各材料参数取值同表(3-2)高强石墨理化指标。

       实际计算时，硅碳棒圆筒电阻率设置为1252.mmz/m，空气电阻率设置为无穷大。网格划分划分网格是简历有限元分析模型过程中非常重要的一步，直接影响到后续计算过程的精度和速度。在ANSYS中，三维实体模型可以划分为六面体和四边形单元，二维实体面模型可以划分为四边形和三角形。对于比较简单规则的结构，采用六面体单元不仅可以提高计算精度，同时也可以节省计算时间。根据模型的特点可知，中间的硅碳棒圆筒形状较为简单，可以利用六面体进行网格划分，包裹硅碳棒圆筒的空气区域由于形状较为复杂，采用六面体和四面体混合网格划分，远场区域由于ANSYS规定，远场区域必须为六面体单元。

       网格划分需要考虑计算效率问题，网格太细太多会导致计算时间非常长，效率低下，而网格太少又会导致计算精度降低。因此，网格划分时，应该在保证精度的情况下，对网格进行恰当的疏密分配。

       划分模型时，硅碳棒圆筒区域为热电祸合关注区域，网格需要细密一些，网格大小2Smm，其中径向设置3层，保证后面热电祸合时径向具有足够的精度。对于包裹硅碳棒圆筒的空气区域，靠近硅碳棒圆筒的空气区域网格大小为6-22mm，其他区域为40-99mm。远场区域网格大小为90mm。模型一共69000个单元，132000个节点。http://www.zbqunqiang.cn/