铝电解槽中存在着复杂的物理场，而电场和热场是其他物理场的根源，怎么样设计合理的电、热场是决定电解槽设计好坏的关键因素。所以，有关电热场的研究显得十分重要。到目前为止，国内外就铝电解槽阴极部分的电、热场(尤其是槽膛内形)的研究已经很多，且已相对成熟。而对于阳极和熔体的电、热场的研究，因为阳极和熔体接触面的电流边界条件难于确定，所以研究者们或者将阳极和熔体分开单独建立模型，或者建立阳极和阴极的整体模型，而不考虑熔体部分。这样做存在着一定的误差。本文提出了一种新的构想：即采用有限元软件ANSYS具有的多重单元、多重属性及其能耦合求解电、热场的特点，建立铝电解槽阳极—熔体三维电热解析模型，对阳极和熔体的电热场进行整体计算。其优点是不仅可以避免确定阳极与熔体接触面的电流边界条件，而且可以通过计算结果分析该接触面的电流密度。提高了计算结果的准确性。 本文首先根据傅立叶传热定律和基尔霍夫导电定律，建立了预焙阳极铝电解槽传热、导电的数学模型。采用加权余量的伽辽金法推导了铝电解槽电、热场计算的有限元方程。然后利用ANSYS建立了铝电解槽阳极—熔体大面切片的三维有限元模型。根据我国某厂160kA预焙铝电解槽的相关参数以及在合适的边界条件的假定下，对槽内的电、热场以及热平衡进行仿真计算。其结果与该槽的实测值吻合较好，验证了应用该模型对铝电解槽阳极和熔体电热场进行数值模拟的可行性和准确性。为了对铝电解槽进行优化，本文在所建立模型的基础上，对影响阳极电压降和电流分布，阳极热损失，铝液中的水平电流的电解槽的结构参数进行了分析，并提出了一组优化160kA预焙铝电解槽参数的方案，该方案可以获得阳极电压降减少8.9％，热损失降低8.6％，铝液中的水平电流最大值减少7.0％的效果，值得进行工业试验和推广。 为了配合惰性阳极的研究，本文还对金属／陶瓷梯度惰性阳极进行了在电解环境下热应力的优化设计，建立了圆柱形金属／陶瓷梯度惰性阳极的三维热应力模型，运用ANSYS有限元软件分析了热应力的分布情况与梯度厚度、梯度高度以及梯度成分分布之间的关系，并由此找到了一种热应力分布状况较优的梯度设计方案。