手把手教你熱仿真--認(rèn)識(shí)ICEPAK
前言：隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高能量密度，小型化，快速迭代已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的趨勢(shì)，電子產(chǎn)品中的熱管理也日益成為一個(gè)挑戰(zhàn)。ICEPAK作為一個(gè)主流的熱仿真軟件，日益受到設(shè)計(jì)者的關(guān)注。在面向電子產(chǎn)品的熱仿真，尤其是板級(jí)系統(tǒng)的熱仿真，ICEPAK的仿真能力可以說(shuō)是無(wú)出其右，尤其是背靠ANSYS這顆大樹(shù)，其流體處理能力，多物理場(chǎng)耦合都能夠得到很好的支撐。
ANSYS集成了一系列基于有限元方法的仿真工具，但是很多初學(xué)者面對(duì)一堆概念和工具，往往不知何從下手。在此我將在學(xué)習(xí)過(guò)程中碰到的問(wèn)題，以及自己的一些心得在這里分享。
1、什么是CFD
熱的交換可以分為三種形式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流，熱輻射。熱量的傳播，熱仿真的基礎(chǔ)是計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的計(jì)算理論，簡(jiǎn)稱CFD。將物理模型打碎，變成一個(gè)個(gè)“不變”的單元，在單元的基礎(chǔ)上應(yīng)用理論的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算，也稱為有限元的計(jì)算方法。ICEPAKE正是基于這樣的計(jì)算思想對(duì)物理模型的熱問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算的。
CFD計(jì)算方法應(yīng)用到工程熱物理的方方面面，在ANSYS仿真體系中，其核心實(shí)現(xiàn)工具為Fluent求解器，因此ICEPAK計(jì)算過(guò)程中需要調(diào)用Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算。
2、ICEPAK能做什么
ICEPAK主要面向的是電子器件的散熱，從芯片級(jí)到系統(tǒng)級(jí)，ICEPAKE在電子散熱這一塊積累的大量的經(jīng)驗(yàn)和有用的工具。如下圖，可以從器件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行逐層的仿真迭代。
CEPAK提供了多樣的邊界條件的設(shè)定和選擇：
3、模型類型
ICEPAK提供了多樣的模型設(shè)計(jì)方法以及簡(jiǎn)化工具，如下，紅色部分為簡(jiǎn)單模型，也是經(jīng)常被使用的；藍(lán)色部分為復(fù)雜模型，在求解更精細(xì)的復(fù)雜系統(tǒng)中使用。
Assemblies：裝配體，將模型包含起來(lái)，形成一個(gè)或多個(gè)空間區(qū)域，應(yīng)用于非連續(xù)性網(wǎng)格剖分，便于對(duì)模型進(jìn)行系統(tǒng)化管理
Networks：熱阻網(wǎng)絡(luò)，一般替代有具體熱阻參數(shù)的電子器件I
Heat Exch：散熱器，用一個(gè)簡(jiǎn)化的面來(lái)等效真實(shí)的三維換熱器，減少模型的計(jì)算量
Openings：開(kāi)口，作為計(jì)算的邊界條件使用
Periodic：周期性邊界條件，一般應(yīng)用在周期性展開(kāi)的模型，比如網(wǎng)孔，減少計(jì)算量
Grilles：網(wǎng)孔，等效復(fù)雜的網(wǎng)孔模
Sources：熱源，一般應(yīng)用的二維熱源，三維熱源可以使用block建立
PCBs：PCB模型，PCB專用模型，可以設(shè)置PCB相關(guān)的多從參數(shù)：覆銅率，trace網(wǎng)絡(luò)，電流分布等
Enclosures：腔體，建立一個(gè)內(nèi)部充滿空氣的空間，四周由plates組成，可以設(shè)置為opening
Plates：平板，一般應(yīng)用無(wú)厚度的平板模型，用于建立薄殼板、導(dǎo)流板、設(shè)置接觸熱阻等
Walls：殼體，模擬外殼，只能放置在計(jì)算區(qū)域的邊界上（Cabinet或者Hollow block邊界）
Blocks：實(shí)體，等效3D實(shí)體轉(zhuǎn)化
Fans：風(fēng)機(jī)，用來(lái)模擬抽流風(fēng)機(jī)，一般使用二維抽流風(fēng)機(jī)
Blowers：離心風(fēng)機(jī)，模擬離心風(fēng)機(jī)，因?yàn)殡x心風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)的方向一般相互垂直，因此區(qū)別于Fans
Resistance：阻尼，用于模擬三維模型的阻尼介質(zhì)（比如防塵棉），設(shè)置阻尼參數(shù)替代實(shí)際的阻尼材料
Heatsink：散熱器，規(guī)則散熱器模型，一般應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化散熱器參數(shù)。
Packages：IC封裝的精細(xì)建模
Materials：新建的材料屬性
實(shí)際建模過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際需要采用合理的模型對(duì)建模對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化和等效。
4、一般仿真步驟
對(duì)于工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不需要掌握太多ANSYS的命令行，因?yàn)榻?jīng)典的ANSYS界面實(shí)在是不友好，好在WorkBench讓這項(xiàng)工作變得簡(jiǎn)單。
1-模型處理：應(yīng)用WorkBench平臺(tái) 對(duì)3D數(shù)模進(jìn)行處理，去除倒角、螺絲、孔位等不影響熱仿真的部分。
2-物理定義：用于定義計(jì)算的物理參數(shù)，材料屬性、邊界條件、初始條件等。
3-網(wǎng)格剖分：建模的最關(guān)鍵，將模型分割成可計(jì)算的網(wǎng)格模型。
4-計(jì)算設(shè)置：設(shè)置模型的收斂速度，殘差水平等參數(shù)
5-后處理：對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理
6-報(bào)告生成：設(shè)置報(bào)告格式，生成所需要的報(bào)告文件
5、多物理場(chǎng)耦合
ICEPAK作為ANSYS軟件集群中重要熱仿真工具，也是ANSYS多物理場(chǎng)仿真的重要一環(huán)，構(gòu)成了“熱-電-機(jī)械-電磁-流體”多物理場(chǎng)。隨著仿真工具和算法的不斷迭代，今后CAE必然稱為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的重要工具
小結(jié)：本文主要介紹了有限元算法的基本概念，ICEPAK的基本模塊，基本建模步驟以及ICEPAK在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。
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