前言

CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）是利用计算机辅助求解复杂工程和产品结构各项性能和优化设计等问题的一种近似数值分析方法，存在于工程的整个生命周期。ANSYS软件是最经典的CAE软件之一，应用广泛。近些年，ANSYS公司收购了多款顶级流体、电磁类软件，并重点发展ANSYS Workbench平台。与ANSYS经典软件界面相比，ANSYS Workbench 软件具有一目了然的分析流程图，整个分析就像在做一道填空题。在 ANSYS 12.0 版本之后，越来越多的用户转向使用ANSYS Workbench，同时有关ANSYS Workbench软件的参考书也越来越多。

本书以先进性、科学性、实用性、服务性为原则，在表达风格上力求通俗、简洁、直观。本书采用对比的方式详细讲解ANSYS热学分析过程中的各种问题，例如Mechanical热分析模块和CFD（Computer Fluid Dynamics，计算流体力学）热分析模块的区别和联系，稳态热平衡与瞬态热平衡的后处理差异，并以工程实例的方式帮读者分析问题；也采用外延拓展的方式详细介绍ANSYS热学分析和优化设计相关的计算，例如以热学计算原理衍生扩散分析，以模态分析原理演绎热模态分析，以拓扑优化同步扩展增材制造分析，并对同类问题进行适当扩展，以处理实际工程问题。书中不仅详细介绍了操作流程，还清晰阐述了“为什么要这样操作？同类的问题该有怎样的分析思路？”正所谓“入木三分方能见微知著”。书中内容结合相关理论知识，从实际应用出发，文字通俗易懂、深入浅出，引领读者轻松掌握 ANSYS Workbench软件的热学分析和优化设计方法。

全书共4章，第1章介绍了热学有限元分析的基本概念，并对比了FEM（Finite Element Method，有限元法）和FVM（Finite Volume Method，有限体积法）；第2章详细说明了ANSYS Workbench软件中Mechanical模块的热分析，包含热传导、热对流、热辐射、瞬态和非线性热分析、扩散、热固耦合分析，特别讲解了稳态和瞬态热平衡的后处理；第3章详细说明了ANSYS Workbench软件中Fluent模块的热分析，包含热传导、移动热源、对流和辐射、多孔介质的蒸发、凝华结霜、热分析标量方程、流固耦合传热分析，重点对Fluent中UDF的应用进行了介绍；第4章详细介绍了ANSYS Workbench软件中的优化设计过程，重点讲解了拓扑优化、增材制造和试验优化设计的基本原理及分析过程，包含相关优化设计方法、增材制造前处理、后处理及优化和反演设计。

本书内容新颖，紧密联系实际工程问题。例如，利用冰箱对不同初始温度的水进行冷却，通过查看结冰时间以验证Mpemba效应；对包含多层多孔介质的蒸锅进行蒸发计算，以验证蒸锅哪一层温度更高等。此外，本书还利用Excel软件完成相关任务，例如基本热学有限元计算和优化设计，接触热阻的参数优化设计，Fluid116、Combine37单元热计算，Material Designer模块的元胞法计算，Radiosity和AUX12辐射算法比较，热接触和Joint连接计算，热屈曲和热模态分析，Fluent凝华分析，基于Fluent的流固耦合传热分析，流体拓扑优化分析，增材制造前处理、工艺模拟、材料分析及过程模拟，以直接优化实现网格参数化得到网格划分基本规则“厚三圆十”，反演设计，以及可用于数字孪生的ROM（Reduced Order Model，降阶模型）分析。

本书主要面向ANSYS Workbench软件的初级和中级用户，可作为机械、材料、土木、能源、汽车交通、航空航天、水利水电等专业的本科生、研究生和专业教师的自学和教学用书，也可供相关领域从事产品设计、仿真和优化设计等工作的工程技术人员及广大CAE工程师学习参考。

本书配套提供全书案例的模型文件，读者直接在ANSYS Workbench 2000及以上版本的软件中打开或导入即可使用。本书配套资源可在异步社区网站或QQ群“CAE基础与提高交流”（601859149）的群公告中查看并下载。

本书由周炬、苏金英撰写。在写作过程中得到了丁德馨教授、雷泽勇教授、邱长军教授、李必文教授、唐德文教授、朱红梅教授的悉心指导，在此深表感谢！本书还得到了湖南省学位与研究生教育改革课题“湖南省研究生高水平教材（93YSM001）”的资助。

由于时间仓促，加之本书内容新、专业性强且作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。

作者

2024年5月