作者：王永康 等
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
ANSYS Icepak电子散热基础教程(第2版)试读：
前言
当前，很多高校的电子类理工科专业均将CFD理论作为选修或必修的专业课，但是学习了理论课程后，要想将其用于指导电子散热的优化设计，还需要熟练地掌握相关的CFD软件。
ANSYS Icepak软件是由世界著名的CAE供应商ANSYS公司针对电子行业开发的一款专业电子散热优化分析软件，利用CFD理论，可快速对各类电子产品进行散热模拟。目前在中国，ANSYS Icepak被广泛应用于航空航天、机车牵引、电力电子、医疗器械、汽车电子及各类消费性电子产品等；涉及的工业品包括通信机柜、手机终端、便携式计算机、变频器、变流器、LED、IC封装、光伏逆变器等。
市面上关于ANSYS Icepak的中文学习书籍、资料很少，如何快速系统掌握ANSYS Icepak软件，并将其用于指导电子散热的实际工程中，是很多电子工程师、结构工程师面临的难题。
当下ANSYS Icepak的最新版本是18.1，本书以2015年国防工业出版社出版的《ANSYS Icepak电子散热基础教程》为基础，深入结合ANSYS 最近几年的发展升级，将新功能进行整理，同时接受部分读者提出的建议批评，对错误及不足之处进行了改正，以帮助读者更快更好地掌握ANSYS Icepak。
本书以ANSYS Icepak 18.1为平台，共10章，全面系统介绍了ANSYS Icepak在电子散热工程中的模拟步骤，并配备了部分实际导航案例，旨在帮助读者掌握ANSYS Icepak的各项操作、各类面板设置等。各章具体内容为：第1章为ANSYS Icepak概述及工程应用、Icepak软件的热仿真流程、Icepak软件的模块组成等；第2章为ANSYS Icepak涉及的电子热设计基础理论，以及CFD热仿真的基础知识；第3章为ANSYS Icepak的技术特征及Icepak用户界面的详细讲解；第4章为ANSYS Icepak建立热仿真模型的详细说明，包括Icepak基于对象自建模、SCDM修复CAD模型、CAD几何模型导入Icepak（包含SCDM将CAD模型导入Icepak的方法）、EDA模型导入Icepak的讲解，并列举了相应的建模案例；第5章为ANSYS Icepak的网格划分设置说明，系统地整理了Icepak划分网格的原则及技巧，使用了部分案例讲解网格划分的操作；第6章为ANSYS Icepak相关物理模型的讲解说明；第7章为ANSYS Icepak求解计算的相应设置说明，包括判断求解计算收敛的方法，对求解计算进行压缩／删除等的讲解；第8章为ANSYS Icepak所有后处理显示的讲解说明；第9章主要针对工程中常见的热仿真专题进行了系统的讲解说明，并列举了相关案例；第10章详细讲解了ANSYS Icepak主菜单栏Macros的所有命令及设置，并配置了相应的案例。本书是多人智慧的集成，以上章节由王永康、张洁、张宇、耿丽丽4位作者共同编著，排名不分先后。
另外，在本书的编写过程中，许多朋友提出了宝贵的意见，他们是：解放军战略支援部队信息工程大学副教授李建兵，中国科学院国家空间科学中心微波室副研究员陈博，中车株洲电力机车研究所有限公司变流技术国家工程研究中心热设计师段焱辉，北京航天自动控制研究所七室主任工程师刘兵，中国科学院理化技术研究所低温工程与系统应用研究中心助理研究员张宇，合肥阳光电源股份有限公司热设计部经理周杰，中国电子科技集团第34所装备制造中心助理工程师张维海，中国电力科学研究院电力电子所高级工程师刘智刚，北京理工雷科电子信息技术有限公司结构部经理陈智勇、工程师杨永旺，天津工业大学电气工程与自动化学院老师张建新，北京全路通信信号研究设计院有限公司高级工程师张义芳等；全体作者在此向所有参与和关心本书出版的朋友致以诚挚的谢意！
由于时间仓促，加之ANSYS Icepak涉及的行业范围较广，且作者水平有限，书中难免存在错误及不足之处，恳请各位读者批评指正。所谓条条大路通罗马，本书相应的案例只是讲解某一种或几种方法，如读者有更好的方法，可来信或在网上交流。作者 E⁃mail:321524166＠qq.com。本书中涉及的在线资源，请读者登陆“华信教育资源网”下载。王永康于安世亚太科技股份有限公司2018年5月10日第1章 ANSYS Icepak概述【内容提要】
本章将重点介绍 ANSYS Icepak 的发展、基本功能及工程应用背景；ANSYS Icepak 与ANSYS Workbench的关系；ANSYS Icepak电子热仿真模拟的步骤流程；ANSYS Icepak软件包的基本组成及模块说明；另外，使用了一个强迫风冷机箱和一个LED自然冷却散热的热仿真算例，详细介绍了ANSYS Icepak模拟电子产品强迫风冷及自然冷却的基本步骤和过程。【学习重点】
• 了解ANSYS Icepak的工程应用；
• 了解ANSYS Icepak与ANSYS Workbench的关系；
• 掌握ANSYS Icepak进行电子散热的流程、步骤；
• 掌握ANSYS Icepak的模块组成及各模块的作用、功能；
• 熟悉本章中的两个简单算例，了解相应的设置。1.1 ANSYS Icepak概述及工程应用
ANSYS公司是世界著名的CAE供应商，经过40多年的发展，已经成为全球数值仿真技术及软件开发的领导者和革新者，其产品包含电磁、流体、结构动力学3大产品体系，可以涵盖电磁领域、流体领域、结构动力学领域的数值模拟计算，其各类软件不是单一的CAE仿真产品，而是集成于ANSYS Workbench平台下，各模块之间可以互相耦合模拟、传递数据。因此，使用ANSYS数值模拟软件，用户可以将电子产品所处的多物理场进行耦合模拟，真实反映产品的EMC分布、热流特性、结构动力学特性等。目前，ANSYS系列软件被广泛应用于各类电子产品的研发流程中，在很大程度上提高了产品的研发进程。
Icepak软件（版本4.4.8）于2006年被ANSYS收购，并入旗下，随之ANSYS公司开发了与Icepak相关的各类CAD、EDA接口，当前最新的版本是ANSYS Icepak 18.1。本书基于ANSYS Icepak 18.1进行介绍，与之前的各个版本相比，此版本在很多方面做了较大改进。
ANSYS Icepak 18.1是ANSYS系列软件中针对电子行业的散热仿真优化分析软件，目前在全球拥有较高的市场占有率，电子行业涉及的散热、流体等相关工程问题，均可使用ANSYS Icepak进行模拟计算，如强迫风冷、自然冷却、PCB各向异性导热率计算、热管数值模拟、TEC制冷、液冷模拟、太阳热辐射、电子产品恒温控制计算等工程问题。
ANSYS Icepak 18.1与主流的三维CAD软件（Catia、Autodesk Inventor、Pro／Engineer、Solid⁃works、Solid Edge、Unigraphics 等）具有良好的接口，同时，Icepak 可以将主流的 EDA 软件（Cadence、Mentor、Zuken＜CR5000＞、Altium Designer、Sigrity）输出的IDF模型及PCB板的布线过孔文件导入Icepak进行模拟计算；与此同时，ANSYS Icepak具有丰富的物理模型，其使用ANSYS Fluent作为求解器，具有鲁棒性好、计算精度高等优点。目前，ANSYS Icepak在我国航空航天、机车牵引、消费性电子产品、医疗器械、电力电子、电气、半导体等行业有着广泛的应用，如图1-1所示。
例如，航空航天方面的应用包括：（1）机载电子控制机箱热分析。（2）PCB单板散热分析。（3）卫星控制系统热分析。（4）雷达控制系统热分析。（5）芯片散热分析等方面的模拟分析。（6）与ANSYS电磁软件进行电磁—热流耦合模拟。（7）与ANSYS结构动力学软件进行热流—结构力学的耦合模拟。图1-1 ANSYS Icepak应用范围
ANSYS Icepak在电子散热仿真及优化方面主要有以下特征：（1）基于对象的自建模方式，快速便捷建立热模型。（2）丰富多样的电子器件库并支持用户自定义库。（3）快速稳定的求解计算。（4）自动优秀的网格技术。（5）与CAD软件／EDA软件有良好的数据接口。（6）与电磁／结构动力学软件可以进行多场耦合模拟。（7）丰富多样化的后处理功能等。
另外，ANSYS Icepak能够仿真的物理模型主要包含以下几方面：（1）强迫对流、自然对流模型。（2）混合对流模型。（3）PCB Trace及导体的焦耳热计算。（4）热传导模型、流体与固体的耦合传热模型。（5）丰富的辐射模型（半立方体法、自适应模型、Discrete Ordinates模型、Ray Tracing模型）。（6）PCB各向异性导热率计算。（7）稳态及瞬态问题求解。（8）多流体介质问题。（9）风机非线性P-Q曲线的输入。（10）IC的双热阻网络模型。（11）太阳辐射模型。（12）TEC制冷模型。（13）模拟轴流风机叶片旋转的MRF功能。（14）电子产品恒温控制计算。（15）模拟电子产品所处的高海拔环境等。1.2 ANSYS Icepak与ANSYS Workbench的关系1.2.1 ANSYS Workbench平台介绍
ANSYS Workbench（简称WB）平台实际上是ANSYS多个产品或功能应用的仿真管理平台，在此平台下，ANSYS旗下的多个仿真模拟工具可以互相交替耦合，实现各种物理场仿真数据的传递。另外，在 WB 平台下，一方面可以将常用 CAD 软件的几何模型通过接口导入ANSYS的模拟工具，另一方面，通过几何接口Geometry Interface，也可实现CAD软件与CAE软件几何数据的双向传递。
WB中包含多个软件模块，各模块实现不同的功能，如表1-1所示。表1-1 ANSYS Workbench主要模块的组成及描述
为了模拟电子产品真实的多物理场环境，得到产品真实的多场特性分布，ANSYS公司开发了各软件的数据传递接口，用户必须依靠WB才能进行多场耦合。典型的WB多场耦合工作流程如图1-2所示。图1-2 WB多场耦合工作流程
从图1-2中可以清楚看到，WB平台下进行Icepak热流—Structural结构动力学耦合模拟的工作过程。（1）拖动A2至B2，可以通过Geometry（DM）将CAD模型传递给ANSYS Icepak，在ANSYS Icepak中计算该产品的散热特性，得到温度、速度、压力等的计算结果；（2）拖动B3至C2，可将ANSYS Icepak的计算结果传递导入给CFD-Post（Results）模块，用户可在此模块中进行专业的后处理显示；（3）拖动A2至D3，可通过DM，将CAD模型导入Static Structural结构动力学模块，拖动B3至D5，将Icepak计算的温度结果作为结构动力学的热载荷，可计算此CAD模型的热变形、热应力分布等。1.2.2 ANSYS Workbench平台的启动
常用启动WB的方法主要有以下两种。（1）单击“开始”菜单，在“所有程序”中选择 ANSYS 18.1→Workbench 18.1命令，如图1-3所示，即可启动ANSYS Workbench 18.1。图1-3 启动ANSYS Workbench 18.1（2）从CAD软件系统中启动WB，如图1-4所示。图1-4 从CAD软件中启动WB
① ANSYS图标显示在CAD软件（本实例为Proe）的主菜单中。
②安装ANSYS软件时必须选择相应的CAD软件接口（ANSYS Geometry Interfaces），才会在CAD软件中出现ANSYS图标，如图1-5所示。图1-5 ANSYS Workbench与各种CAD软件的接口
③ WB与主流的 CAD 软件均有接口，包括 Catia、Autodesk Inventor、Pro／Engineer、Solid⁃works、Solid Edge、Unigraphics等。1.2.3 ANSYS Workbench的界面（GUI）
WB界面主要由主菜单栏、工具箱、项目视图区、消息窗口（Message）、进度窗口（Progess）组成，如图1-6所示。图1-6 WB界面（GUI）
WB界面主要包括以下功能。（1）Analysis Systems：预先定义的模板，与ANSYS Icepak相关的包括HFSS、Maxwell 2D／3D、Simplorer、Static Structural，可用于模拟电子产品的多物理场耦合，如图1-7所示。图1-7 相关的预定义模板（2）Component Systems：包含ANSYS旗下不同的CAE分析软件，其中Geometry、Results与Icepak相关，工具栏中不同 CAE 软件的组合，可形成解决不同物理问题的项目流程图，如图1-8（a）所示。图1-8 WB的工具箱
用户使用Component Systems中的软件，可以有以下两种方法：
① 用户双击相应的软件模块，如双击Geometry，项目视图区中会出现Geometry的单元。
② 用户使用左键选择软件模块，然后按住左键向项目视图区拖动，WB的视图区会自动出现Create standa lone system的方框，然后松开鼠标左键，视图区会出现相应的CAE单元，如图1-9所示。（3）Custom Systems：包含定制的多软件单元耦合工作流程图，如FSI:Fluid Flow（FLUENT）→Static Structural，表示使用Fluent和Structural进行流固耦合分析。这部分与ANSYS Icepak无关，本书不做过多讲解，如图1-8（b）所示。（4）Design Exploration：对于 Icepak 而言，Design Exploration 主要用于参数化／优化Geometry中的CAD模型及Icepak中定义的各变量参数及函数等，此部分将在第9章做详细的说明，如图1-8（c）所示。图1-9 创建相应CAE软件单元
因此，双击或拖曳ANSYS Workbench工具箱中某一软件可进行单场的模拟计算，而在项目视图区，工程师可以将各种CAE软件间的数据进行传递，以进行多物理场之间的耦合分析。1.2.4 ANSYS Workbench对Icepak的作用
ANSYS Icepak进入WB平台以后，ANSYS公司针对Icepak开发了CAD模型的导入接口Geometry（DM），利用WB 下的DM，用户可将CAD模型导入Icepak，其转化命令如图1-10所示。图1-10 DM的转化工具
安装于WB平台下的Icepak，可以实现以下两方面的功能：（1）使用WB平台下的Geometry（Design Molder,DM），将CAD模型导入Icepak。（2）基于WB平台，可以实现多个CAE软件间数据的传递，以便实现电子产品的多场耦合模拟。
图1-11中A单元为DM,DM将CAD模型传递给B单元Icepak软件，在ANSYS Icepak中对模型进行电子热模拟后，用户可以将CAD模型传递给结构动力学软件Static Structural，然后将B3的ANSYS Icepak计算结果传递给结构动力学软件，进行热流—结构的耦合模拟。图1-11 WB平台多物理场数据传递1.3 ANSYS Icepak热仿真流程
与其他CAE软件类似，在ANSYS Icepak对任何电子产品或类似的模型进行热模拟时，通常需要经过建立热仿真模型、对模型进行网格划分处理、求解计算和后处理4大步骤。1.3.1 建立热仿真模型
目前，建立ANSYS Icepak热仿真模型主要包含以下3种方式。（1）在ANSYS Icepak软件中手动建立热模型：Icepak可以使用基于对象的建模方式来建立热模型，单击Icepak软件的模型工具栏，即可建立“干净”的热仿真模型，如单击Create heat sinks模型，在Icepak的图形区域中会出现散热器的模型，输入相应的几何参数信息，即可建立散热器模型，如图1-12所示。图1-12 Icepak自建模型（2）通过ANSYS Workbench平台，使用Geometry将CAD模型导入Icepak，可通过以下过程实现。
① CAD模型的修复：可以使用Geometry或者ANSYS SCDM（Space Claim Direct Modeler）对复杂的CAD模型进行修复，修复工作主要包括：在不影响散热路径的原则下，删除小特征尺寸的倒角、删除所有的螺钉螺母、对异形的薄板创建“壳”单元（薄板模型）、抽取冷板中水冷的几何区域等，图1-13为Geometry删除电容的倒角。
② 修复“干净”的CAD模型可通过Geometry中的Electronic工具栏将模型导入ANSYS Ice⁃pak，如图1-14所示；或者直接通过ANSYS SCDM将修复后的CAD模型转化，然后单击另存为→输出（格式为∗.Icepakmodel），也可以将CAD模型导入ANSYS Icepak，完成热模型的建立。（3）通过 ANSYS Icepak 与 EDA 的接口，将 EDA 软件输出的 IDF 模型导入 ANSYS Icepak：通过布线接口，可以将PCB的布线和过孔信息导入Icepak，精确反映PCB的导热率，如图1-15所示。图1-13 Geometry删除电容的倒角图1-14 WB下CAD模型的导入过程
通常，建立一个电子产品的热分析模型，尤其是包含PCB的模型，最好的方式是将上述3种方式结合起来使用，如图1-16中复杂PCB卡模组热仿真模型。
在图1-16的模型中，不同的部件通过不同的方式建立，具体方式可参考表1-2。表1-2 复杂板卡建模方式
续表图1-15 ANSYS Icepak导入PCB布线及导热率分布图1-16 复杂PCB卡模组热仿真模型
关于如何建立电子热仿真模型，将在第4章进行讲解。1.3.2 网格划分
ANSYS Icepak是使用自身的网格划分工具对建立的热模型进行网格处理，需要将Icepak计算区域内的流体区域与固体区域按照合理的网格设置进行划分。ANSYS Icepak提供3种网格类型：结构化网格、非结构化网格和Mesher⁃HD网格类型；另外，提供两种网格处理方式：非连续性网格和多级（Multi⁃level）网格处理。
由于多样化的网格类型及优秀的网格处理方式，可以保证ANSYS Icepak对任何模型进行网格的贴体划分处理。通常来说，电子热仿真模型需要使用混合网格进行处理，即不同区域或不同对象使用不同的网格类型和方式进行网格处理，如图1-17所示。图1-17 Icepak混合网格使用案例1.3.3 求解计算设置
在ANSYS Icepak里，对模型划分完合理的网格后，需要进行求解的一些设置主要包括：（1）环境温度设置。（2）是否考虑自然对流及辐射换热。（3）设置各类边界条件，如开口风速、温度等。（4）设置各热源热耗。（5）设置湍流模型。（6）求解的非定常设置（求解是否为瞬态／稳态）。（7）求解计算的初始条件或初始化值。（8）是否考虑太阳热辐射载荷。（9）是否考虑高海拔对电子产品散热的影响。（10）是否考虑多组分计算模拟。（11）迭代步数及残差数值的设置。（12）是否考虑并行计算及设置并行计算的核数。（13）N-S方程离散格式、迭代因子、单双精度的设置。（14）温度、压力、速度监控点的设置（用于准确判断计算求解的收敛性）。
做完上述的部分设置（不同工况需要的设置不同）后，单击求解计算，ANSYS Icepak将会自动弹出Fluent求解器进行计算，直至收敛，计算结束。1.3.4 后处理显示
ANSYS Icepak主要使用自带的工具进行后处理显示（见图1-18），可以得到以下求解结果：（1）温度、速度、压力等变量的温度云图。（2）速度矢量图。（3）流动的迹线图。（4）不同变量的等值云图。（5）不同点不同变量的处理。（6）不同变量沿不同直线变化的Plot图。（7）瞬态计算不同时刻变化的各变量云图等。（8）对不同模型各变量统计量化的具体数值。（9）统计模型中传导、对流、辐射3种方式各自的换热量。（10）不同变量最大、最小值及位置显示。（11）模型内不同区域计算结果的数值显示。（12）芯片网络模型结温的显示。（13）各风机工作点的显示等。图1-18 某通信机柜的后处理显示1.4 ANSYS Icepak模块组成
针对电子产品散热的需求，ANSYS Icepak 18.1软件内嵌了丰富的材料库、IC器件库、风机库、散热器库等，通过相应的CAD接口和EDA接口，可导入电子产品相应的几何模型和PCB模型，同时提供基于对象的快速自建模功能，大大方便了结构工程师或电子工程师的使用；Icepak使用基于Fluent求解器的有限体积算法，可以帮助用户快速实现产品的散热模拟计算。
ANSYS Icepak 18.1主要包含以下模块：
1.CAD导入接口模块
目前ANSYS Icepak位于ANSYS Workbench平台下，其拥有的CAD接口为ANSYS Work⁃bench平台下的Geometry。针对ANSYS Icepak的模型特点，ANSYS公司在DM中开发了Elec⁃tronic工具箱，通过此工具箱，可以将复杂的CAD模型进行转化，然后自动导入ANSYS Icepak。
DM可读入主流CAD软件（Catia、Autodesk Inventor、Pro／Engineer、Solidworks、Solid Edge、Unigraphics）输出的格式，DM支持的部分CAD数据格式如图1-19所示。
另外，如果读者安装了WB与三维CAD软件的接口，也可以参考1.2.2节中的方式，直接从CAD软件中启动WB，这样可以直接打开WB,CAD模型会自动进入DM，双击进入DM，即可对模型进行转化。图1-19 DM支持的部分CAD数据格式
2.ANSYS Icepak基本包
提供丰富的物理模型，嵌入了ANSYS Icepak快速自建模的工具栏，丰富的库模型，支持用户自定义库的建立，提供基于对象的快速建模工具；提供了各类EDA布线接口，如图1-20所示，用于将Mentor Graphics、Altium Designer、Cadence等设计软件的布线文件直接导入 PCB 模型，其中 BRD、ANF、ODB＋＋格式的布线文件无须授权就可以读入ANSYS Icepak，精确反映 PCB 上的布线过孔信息，以计算PCB各向异性的局部导热率；先进的多样化网格划分、显示、检查工具；包含求解计算的各种设置，可进行参数化／优化计算；包含丰富的后处理工具。图1-20 EDA布线过孔的导入接口
在WB平台下，可与 Ansoft、Structural 进行电磁、热流、结构的协同耦合模拟等，ANSYS Icepak基本包的界面如图1-21所示。图1-21 ANSYS Icepak基本包的界面
3.ANSYS SCDM模块
用于对各类CAD格式的几何模型进行快速修复，如批量删除安装孔，删除倒角，模型的分割、合并，提取冷板流道的几何模型，提取壳单元等，使CAD模型变成易被Icepak识别的几何体；在ANSYS SCDM 18.1中，嵌入了CAD模型转化为Icepak热模型的工具栏，非常易用，相关的命令可参考4.4.7节。
4.参数化／优化模块（1）ANSYS Icepak 18.1自身支持参数化计算，在ANSYS Icepak里输入的各种数据均可以设置为变量，然后在参数化面板中，输入此变量的范围及相应的增值，单击Run，即可进行参数化计算，如图1-22所示。图1-22 ANSYS Icepak自身参数化面板（2）Design Exploration参数化／优化计算模块。在ANSYS Icepak 18.1版本里，可以使用ANSYS Workbench平台下的Design Exploration（简称DX）进行参数化／优化计算，其优化的速度快于ANSYS Icepak自带的优化模块Iceopt。用户可以在ANSYS Icepak中定义参数、在DM（几何接口）中定义几何变量参数，然后在如图1-23所示的DX参数化面板中依次输入各变量的参数数值，单击Update Project,DX即可驱动ANSYS Icepak进行参数化计算。
对于ANSYS Icepak 15.0之前的版本，主要使用Iceopt优化模块来对模型进行优化计算。ANSYS Icepak 15.0以后的版本主要使用 DX 对热分析模型的不同参数进行优化计算。图1-24是DX 优化结果面板。在第9章将会详细讲解ANSYS Icepak 参数化／优化的计算过程。
5.ANSYS HPC并行计算模块
ANSYS Icepak可使用ANSYS HPC模块加速并行计算，尤其适用于计算网格数量比较多的模型，可大幅减少仿真计算的时间，多核的计算机或者分布式的计算机群均可使用ANSYS HPC模块进行并行计算。除此之外，ANSYS Icepak 18.1还支持 Nvida GPU 的加速计算。图1-25为并行计算设置面板。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]