手把手教你熱仿真--認(rèn)識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，電子產(chǎn)品中的熱管理也日益成為一個挑戰(zhàn)。ICEPAK作為一個主流的熱仿真軟件，日益受到設(shè)計者的關(guān)注。在面向電子產(chǎn)品的熱仿真，尤其是板級系統(tǒng)的熱仿真，ICEPAK的仿真能力可以說是無出其右，尤其是背靠ANSYS這顆大樹，其流體處理能力，多物理場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)過程中碰到的問題，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)，熱對流，熱輻射。熱量的傳播，熱仿真的基礎(chǔ)是計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的計算理論，簡稱CFD。將物理模型打碎，變成一個個“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)行計算，也稱為有限元的計算方法。ICEPAKE正是基于這樣的計算思想對物理模型的熱問題進(jìn)行計算的。
CFD計算方法應(yīng)用到工程熱物理的方方面面，在ANSYS仿真體系中，其核心實現(xiàn)工具為Fluent求解器，因此ICEPAK計算過程中需要調(diào)用Fluent求解器進(jìn)行計算。
2、ICEPAK能做什么
ICEPAK主要面向的是電子器件的散熱，從芯片級到系統(tǒng)級，ICEPAKE在電子散熱這一塊積累的大量的經(jīng)驗和有用的工具。如下圖，可以從器件級到系統(tǒng)級進(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)計方法以及簡化工具，如下，紅色部分為簡單模型，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，形成一個或多個空間區(qū)域，應(yīng)用于非連續(xù)性網(wǎng)格剖分，便于對模型進(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，用一個簡化的面來等效真實的三維換熱器，減少模型的計算量
Openings：開口，作為計算的邊界條件使用
Periodic：周期性邊界條件，一般應(yīng)用在周期性展開的模型，比如網(wǎng)孔，減少計算量
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，只能放置在計算區(qū)域的邊界上（Cabinet或者Hollow block邊界）
Blocks：實體，等效3D實體轉(zhuǎn)化
Fans：風(fēng)機(jī)，用來模擬抽流風(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)，因為離心風(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
實際建模過程中，需要根據(jù)實際需要采用合理的模型對建模對象進(jìn)行簡化和等效。
4、一般仿真步驟
對于工程應(yīng)用來說，不需要掌握太多ANSYS的命令行，因為經(jīng)典的ANSYS界面實在是不友好，好在WorkBench讓這項工作變得簡單。
1-模型處理：應(yīng)用WorkBench平臺 對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，將模型分割成可計算的網(wǎng)格模型。
4-計算設(shè)置：設(shè)置模型的收斂速度，殘差水平等參數(shù)
5-后處理：對計算結(jié)果進(jìn)行處理
6-報告生成：設(shè)置報告格式，生成所需要的報告文件
5、多物理場耦合
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。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)計過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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