ICEPAK热仿真软件入门：功能、模型与应用

ICEPAK热仿真软件入门：功能、模型与应用

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。本文将详细介绍ICEPAK的基本概念、功能和使用方法，帮助读者更好地理解和应用这一强大的热仿真工具。

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。ICEPAK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。

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，ICEPAK在电子散热这一块积累了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。

ICEPAK提供了多样的边界条件的设定和选择：

• 流体：层流和湍流，Laminar and Turbulent
• 热交换形式：Conduction 传导，Convection (Natural and Forced) 对流，Radiation (Thermal and Solar) 辐射，Joule Heating 焦耳热
• 稳态和瞬态仿真
• 单相/多相流

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。

• 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IC
• 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，等效复杂的网孔模型
• 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。

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。

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

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

基于ANSYS多物理场仿真

本文原文发布于2021年8月，内容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。