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手把手教你热仿真--认识ICEPAK

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手把手教你热仿真--认识ICEPAK

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前言:随着电子技术的不断发展,高能量密度,小型化,快速迭代已经成为电子产品的趋势,电子产品中的热管理也日益成为一个挑战。ICEPAK作为一个主流的热仿真软件,日益受到设计者的关注。在面向电子产品的热仿真,尤其是板级系统的热仿真,ICEPAK的仿真能力可以说是无出其右,尤其是背靠ANSYS这颗大树,其流体处理能力,多物理场耦合都能够得到很好的支撑。

       ANSYS集成了一系列基于有限元方法的仿真工具,但是很多初学者面对一堆概念和工具,往往不知何从下手。在此我将在学习过程中碰到的问题,以及自己的一些心得在这里分享。

1、什么是CFD

       热的交换可以分为三种形式:热传导,热对流,热辐射。热量的传播,热仿真的基础是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)的计算理论,简称CFD。将物理模型打碎,变成一个个“不变”的单元,在单元的基础上应用理论的数学方程进行计算,也称为有限元的计算方法。ICEPAKE正是基于这样的计算思想对物理模型的热问题进行计算的。

       CFD计算方法应用到工程热物理的方方面面,在ANSYS仿真体系中,其核心实现工具为Fluent求解器,因此ICEPAK计算过程中需要调用Fluent求解器进行计算。

2、ICEPAK能做什么

        ICEPAK主要面向的是电子器件的散热,从芯片级到系统级,ICEPAKE在电子散热这一块积累的大量的经验和有用的工具。如下图,可以从器件级到系统级进行逐层的仿真迭代。

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CEPAK提供了多样的边界条件的设定和选择:

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3、模型类型

ICEPAK提供了多样的模型设计方法以及简化工具,如下,红色部分为简单模型,也是经常被使用的;蓝色部分为复杂模型,在求解更精细的复杂系统中使用。

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       Assemblies:装配体,将模型包含起来,形成一个或多个空间区域,应用于非连续性网格剖分,便于对模型进行系统化管理

       Networks:热阻网络,一般替代有具体热阻参数的电子器件I

       Heat Exch:散热器,用一个简化的面来等效真实的三维换热器,减少模型的计算量

       Openings:开口,作为计算的边界条件使用

       Periodic:周期性边界条件,一般应用在周期性展开的模型,比如网孔,减少计算量

       Grilles:网孔,等效复杂的网孔模

       Sources:热源,一般应用的二维热源,三维热源可以使用block建立

       PCBs:PCB模型,PCB专用模型,可以设置PCB相关的多从参数:覆铜率,trace网络,电流分布等

       Enclosures:腔体,建立一个内部充满空气的空间,四周由plates组成,可以设置为opening

       Plates:平板,一般应用无厚度的平板模型,用于建立薄壳板、导流板、设置接触热阻等

       Walls:壳体,模拟外壳,只能放置在计算区域的边界上(Cabinet或者Hollow block边界)

       Blocks:实体,等效3D实体转化

       Fans:风机,用来模拟抽流风机,一般使用二维抽流风机

       Blowers:离心风机,模拟离心风机,因为离心风机进出风的方向一般相互垂直,因此区别于Fans

       Resistance:阻尼,用于模拟三维模型的阻尼介质(比如防尘棉),设置阻尼参数替代实际的阻尼材料

       Heatsink:散热器,规则散热器模型,一般应用在设计阶段,优化散热器参数。

       Packages:IC封装的精细建模

       Materials:新建的材料属性

       实际建模过程中,需要根据实际需要采用合理的模型对建模对象进行简化和等效。

4、一般仿真步骤

       对于工程应用来说,不需要掌握太多ANSYS的命令行,因为经典的ANSYS界面实在是不友好,好在WorkBench让这项工作变得简单。

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       1-模型处理:应用WorkBench平台 对3D数模进行处理,去除倒角、螺丝、孔位等不影响热仿真的部分。

       2-物理定义:用于定义计算的物理参数,材料属性、边界条件、初始条件等。

       3-网格剖分:建模的最关键,将模型分割成可计算的网格模型。

       4-计算设置:设置模型的收敛速度,残差水平等参数

       5-后处理:对计算结果进行处理

       6-报告生成:设置报告格式,生成所需要的报告文件

5、多物理场耦合

       ICEPAK作为ANSYS软件集群中重要热仿真工具,也是ANSYS多物理场仿真的重要一环,构成了“热-电-机械-电磁-流体”多物理场。随着仿真工具和算法的不断迭代,今后CAE必然称为复杂系统设计过程中不可或缺的重要工具

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小结:本文主要介绍了有限元算法的基本概念,ICEPAK的基本模块,基本建模步骤以及ICEPAK在工程领域的应用。

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