ANSYS Icepak进阶应用导航案例

中国水利水电出版社

【作者】王永康　张义芳　编著

【I S B N 】978-7-5170-4543-4

【责任编辑】李炎

【适用读者群】科技

【出版时间】2016-07-05

【开本】16开

【装帧信息】哑光 UV 起鼓

【版次】第1版第1次印刷

【页数】340

【千字数】530

【印张】21.25

【定价】￥65

【丛书】万水ANSYS技术丛书

【备注信息】（赠1DVD）

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本书是《ANSYS Icepak电子散热基础教程》一书的姊妹篇，主要讲解ANSYS Icepak的高级应用专题，共包括16个专题案例，主要讲解电路板不同模拟方法及区别、电路板模拟方法对强迫风冷机箱热模拟的影响、电路板模拟方法对外太空电子机箱热模拟的影响、风冷机箱不同模拟方法的比较；同时详细讲解IC封装不同热阻的模拟计算、IC封装网络热阻的提取、风冷机箱散热器的优化计算、水冷板热模拟计算、热电制冷TEC热模拟计算、ANSYS Icepak对电子机箱恒温控制的模拟计算、散热孔不同模拟方法对机箱热模拟的影响、模拟计算电路板铜层的焦耳热、ANSYS Icepak与Maxwell、HFSS、Simplorer等电磁软件的耦合模拟计算。

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本书适合于有ANSYS Icepak使用基础的设计人员阅读，可以作为电子、信息、机械、力学等相关专业的研究生或本科生学习ANSYS Icepak的参考书，也非常适合进行电子散热优化分析的工程技术人员学习参考。

现代高端电子产品研发中不可多得的设计仿真工具

Icepak特别适合解决各类电子产品的热控难题。能够提早在研发阶段发现过热问题，并对其结构进行优化，对于提高产品的热可靠性具有至关重要的意义。

以实际案例讲解Icepak高级应用

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ANSYS Icepak是ANSYS公司开发的一款优秀散热模拟优化软件，目前最新的版本是ANSYS Icepak 16.2。

《ANSYS Icepak电子散热基础教程》一书在ANSYS Icepak 15.0的基础上，主要是以ANSYS Icepak软件的基础使用为内容，重点介绍电子散热涉及的基础理论、ANSYS Icepak建立模型、划分网格、求解计算、后处理显示及电子散热的相关技术专题等内容。

本书作为《ANSYS Icepak电子散热基础教程》的姊妹篇，主要以ANSYS Icepak的高级应用专题为内容，涉及电路板不同模拟方法的区别，芯片热阻计算及网络热阻的提取，MRF如何模拟风冷机箱，风冷机箱的优化计算，水冷热模拟计算，热电制冷TEC 模拟计算、恒温控制模拟计算、电路板焦耳热计算、ANSYS Icepak 与Maxwell、HFSS、Simplorer 的耦合模拟计算等内容。

全书共包含16章节：第1章主要介绍不同PCB的热模拟方法及区别；第2章主要讲解不同电路板模拟方法对强迫风冷机箱的影响；第3章主要讲解不同电路板模拟方法对外太空电子机箱热模拟的影响；第4章主要讲解电子机箱强迫风冷的不同模拟方法及其对比；第5章主要是讲解IC芯片封装各类热阻的计算方法；第6章主要讲解ANSYS Icepak如何提取芯片封装的网络热阻模型，第5、6章适合于芯片封装热设计工程师使用；第7章主要讲解强迫风冷电子机箱内散热器的热设计优化计算案例；第8章主要讲解水冷板热模拟计算案例；第9章主要讲解如何使用ANSYS Icepak进行TEC热电制冷的模拟计算过程；第10章主要讲解如何使用ANSYS Icepak对电子产品进行恒温控制的模拟计算案例；第11章主要讲解散热孔不同模拟方法及对系统机箱散热的影响；第12章主要讲解ANSYS Icepak如何计算电路板焦耳热的过程及其对电路板温度分布的影响，并以一个电路板为案例，比较了不同电流对电路板温度分布的影响；第13章主要以某一办公楼为案例，讲解如何利用ANSYS Icepak对多组分气体的输运扩散进行模拟计算；第14章主要以某一模型为案例，讲解如何使用Maxwell和ANSYS Icepak进行电磁-热流的双向耦合模拟计算过程；第15章以微波电路中混合环模型为案例，讲解如何使用HFSS和ANSYS Icepak进行电磁—热流的耦合模拟计算过程；第16章主要讲解如何使用ANSYS Icepak和Simplorer 进行场路耦合模拟计算的方法和相应的计算过程。

本书是多人智慧的集成，中国建筑标准设计研究院产品所教授级高级工程师刘晶；中国电子科学研究院预警机所高级工程师杨文芳；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；大众机械厂第三研究所主任张宇；中国航空光电科技股份有限公司研究院项目总师闫兆军；沈阳航空航天大学动力系主任副教授孙丹；美国Broadcom公司首席机械设计师胡英杰、产品生产设计师王岩；武汉船舶通信研究所工程师陈灿；北京机电工程研究所高级工程师雷涛；北京建筑大学环能学院热能系老师孙子乔等给予了宝贵意见。

另外，感谢安世亚太科技股份有限公司仿真事业部白增程、车荣荣、杨柱、李岩冰对本书出版的帮助。在此作者向所有参与和关心本书出版的朋友致以诚挚的谢意！

由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。感谢您选择本书学习ANSYS Icepak，请您把对本书的意见和建议告诉我们，也可与我们进行交流，作者E-mail：321524166@ qq.com，微信：wykicepak。

王永康

于安世亚太科技股份有限公司

2015年11月

序一
序二
前言
第1章电路板热模拟方法之比较…………………………………………………………… 1
1.1 PCB建立电路板模型…………………………………………………………………… 1
1.1.1 CAD模型导入……………………………………………………………………… 1
1.1.2 指定PCB类型……………………………………………………………………… 2
1.1.3 模型导入ANSYSIcepak ………………………………………………………… 4
1.1.4 电路板热导率计算………………………………………………………………… 4
1.2 导入ECAD布线的Block建立电路板模型…………………………………………… 6
1.2.1 Block块导入布线过孔…………………………………………………………… 6
1.2.2 热边界条件输入…………………………………………………………………… 8
1.2.3 求解计算设置……………………………………………………………………… 9
1.2.4 划分网格及计算…………………………………………………………………… 10
1.2.5 后处理显示………………………………………………………………………… 10
1.2.6 电路板铜层细化…………………………………………………………………… 12
1.3 导入ECAD的PCB建立电路板模型………………………………………………… 14
1.4 小结……………………………………………………………………………………… 16
第2章强迫风冷机箱热模拟计算………………………………………………………… 17
2.1 三维CAD模型导入ANSYSIcepak ………………………………………………… 17
2.1.1 机箱的CAD模型导入DM ……………………………………………………… 18
2.1.2 进出风口的建立…………………………………………………………………… 18
2.1.3 指定电路板类型…………………………………………………………………… 19
2.1.4 机箱外壳的转化…………………………………………………………………… 20
2.1.5 机箱模型导入ANSYSIcepak…………………………………………………… 22
2.2 风冷机箱———使用PCB模拟电路板………………………………………………… 22
2.2.1 器件热耗及材料输入……………………………………………………………… 23
2.2.2 机箱系统的网格划分……………………………………………………………… 25
2.2.3 计算求解设置……………………………………………………………………… 27
2.2.4 风冷机箱系统的后处理显示……………………………………………………… 28
2.3 风冷机箱———使用PCB导入布线模拟电路板……………………………………… 32
2.3.1 机箱系统的模型修复……………………………………………………………… 32
2.3.2 机箱系统的网格划分及求解计算………………………………………………… 33
2.3.3 机箱系统的后处理显示…………………………………………………………… 35
2.4 小结……………………………………………………………………………………… 36
第3章外太空机箱热模拟计算…………………………………………………………… 38
3.1 机箱模型导入ANSYSIcepak………………………………………………………… 38
3.1.1 机箱的CAD模型导入DM ……………………………………………………… 38
3.1.2 固态空气的转化…………………………………………………………………… 39
3.1.3 机箱模型导入ANSYSIcepak…………………………………………………… 40
3.2 外太空机箱使用PCB模拟电路板……………………………………………… 41
3.2.1 机箱热模型的修改及边界条件设定……………………………………………… 41
3.2.2 机箱系统的网格划分……………………………………………………………… 43
3.2.3 计算求解设置……………………………………………………………………… 44
3.2.4 风冷机箱系统的后处理显示……………………………………………………… 46
3.3 外太空机箱———使用PCB导入布线模拟电路板…………………………………… 48
3.3.1 机箱系统的模型修复……………………………………………………………… 48
3.3.2 机箱系统的网格划分及求解计算………………………………………………… 49
3.3.3 机箱系统的后处理显示…………………………………………………………… 51
3.4 小结……………………………………………………………………………………… 53
第4章 MRF模拟轴流风机………………………………………………………………… 55
4.1 机箱模型导入ANSYSIcepak………………………………………………………… 55
4.1.1 机箱的CAD模型导入DM ……………………………………………………… 56
4.1.2 出风口Grille的建立……………………………………………………………… 56
4.1.3 指定电路板类型…………………………………………………………………… 58
4.1.4 机箱外壳的转化…………………………………………………………………… 58
4.1.5 轴流风机的转化…………………………………………………………………… 59
4.1.6 机箱模型导入ANSYSIcepak…………………………………………………… 59
4.2 机箱系统(简化风机)热模拟计算…………………………………………………… 60
4.2.1 模型修改及各参数输入…………………………………………………………… 60
4.2.2 机箱系统的网格划分……………………………………………………………… 64
4.2.3 计算求解设置……………………………………………………………………… 65
4.2.4 机箱系统的后处理显示…………………………………………………………… 66
4.3 机箱系统(真实风机)热模拟计算…………………………………………………… 71
4.3.1 CAD模型的导入………………………………………………………………… 71
4.3.2 轴流风机的转化…………………………………………………………………… 71
4.3.3 热仿真参数的输入………………………………………………………………… 73
4.3.4 风机进风口的建立………………………………………………………………… 74
4.3.5 模型网格优先级的调整…………………………………………………………… 74
4.3.6 系统的网格划分…………………………………………………………………… 74
4.3.7 计算求解设置……………………………………………………………………… 77
4.3.8 机箱系统的后处理显示…………………………………………………………… 79
4.4 小结……………………………………………………………………………………… 83
第5章芯片封装的热阻计算……………………………………………………………… 86
5.1 封装Rja热阻的计算…………………………………………………………………… 86
5.1.1 热阻Rja说明……………………………………………………………………… 86
5.1.2 自然冷却Rja的计算……………………………………………………………… 88
5.1.3 强迫风冷Rja的计算……………………………………………………………… 97
5.2 芯片封装热阻Rjc的计算……………………………………………………………… 103
5.2.1 模型修复及热边界条件加载…………………………………………………… 104
5.2.2 模型的网格划分………………………………………………………………… 105
5.2.3 计算求解设置…………………………………………………………………… 105
5.2.4 后处理显示……………………………………………………………………… 106
5.2.5 芯片封装Rjc计算………………………………………………………………… 108
5.3 芯片封装热阻Rjb的计算……………………………………………………………… 108
5.3.1 模型修复………………………………………………………………………… 109
5.3.2 模型的网格划分………………………………………………………………… 110
5.3.3 计算求解设置…………………………………………………………………… 110
5.3.4 后处理显示……………………………………………………………………… 110
5.3.5 芯片封装Rjb计算………………………………………………………………… 110
5.4 小结…………………………………………………………………………………… 111
第6章芯片封装Delphi模型的提取……………………………………………………… 112
6.1 正确配置MicrosoftOfficeExcel选项……………………………………………… 112
6.2 Delphi网络热阻的计算提取………………………………………………………… 116
6.2.1 模型修复………………………………………………………………………… 116
6.2.2 Delphi网络热阻计算…………………………………………………………… 117
6.2.3 Delphi网络热阻模型验证……………………………………………………… 122
6.2.4 芯片Delphi网络模型与系统级热模型合并…………………………………… 125
6.3 小结…………………………………………………………………………………… 125
第7章散热器热阻优化计算……………………………………………………………… 126
7.1 优化计算前ANSYSIcepak的参数设置…………………………………………… 126
7.1.1 定义热模型的参数变量………………………………………………………… 127
7.1.2 函数的定义……………………………………………………………………… 128
7.1.3 网格控制面板设置……………………………………………………………… 131
7.2 ANSYSDesignXplorer优化散热器………………………………………………… 132
7.2.1 ANSYSIcepak变量参数进入WB …………………………………………… 132
7.2.2 建立ResponseSurfaceOptimization单元…………………………………… 133
7.2.3 DesignofExperiments实验设计的更新……………………………………… 133
7.2.4 ResponseSurface响应面的更新……………………………………………… 138
7.2.5 Optimization优化更新………………………………………………………… 148
7.3 小结…………………………………………………………………………………… 154
第8章水冷板散热模拟计算……………………………………………………………… 155
8.1 水冷板说明及模型的修复…………………………………………………………… 155
8.1.1 水冷板工况说明………………………………………………………………… 155
8.1.2 水冷板模型的修复整理………………………………………………………… 156
8.2 水冷板模型导入ANSYSIcepak …………………………………………………… 160
8.3 水冷板模拟计算……………………………………………………………………… 161
8.3.1 水冷板热模型修复……………………………………………………………… 161
8.3.2 水冷板热模型的网格划分……………………………………………………… 164
8.3.3 热模型求解设置………………………………………………………………… 168
8.3.4 水冷板热模拟后处理显示……………………………………………………… 169
8.4 小结…………………………………………………………………………………… 172
第9章 TEC热电制冷模拟计算…………………………………………………………… 173
9.1 TEC热电制冷模型说明……………………………………………………………… 173
9.2 TEC模型热模拟计算………………………………………………………………… 175
9.2.1 热模型修复……………………………………………………………………… 175
9.2.2 热模型网格划分………………………………………………………………… 179
9.2.3 热模型求解计算………………………………………………………………… 181
9.2.4 后处理显示……………………………………………………………………… 183
9.3 小结…………………………………………………………………………………… 186
第10章电子产品恒温控制模拟计算…………………………………………………… 187
10.1 建立电子系统热模型………………………………………………………………… 187
10.1.1 CAD模型导入ANSYSIcepak ……………………………………………… 187
10.1.2 热模型器件材料及热耗输入…………………………………………………… 190
10.1.3 热模型网格划分及求解设置…………………………………………………… 191
10.2 热模型恒温控制计算设置…………………………………………………………… 192
10.2.1 热模型不进行恒温控制计算…………………………………………………… 193
10.2.2 热模型进行恒温控制计算说明………………………………………………… 193
10.3 热模型恒温控制计算………………………………………………………………… 194
10.3.1 单个温度监控点控制多个热源………………………………………………… 194
10.3.2 多个温度监控点控制单个热源………………………………………………… 196
10.3.3 单个温度监控点控制多个风机———器件热耗恒定…………………………… 197
10.3.4 单个温度监控点控制多个风机———器件热耗周期性变化…………………… 201
10.4 小结…………………………………………………………………………………… 205
第11章散热孔Grille对热仿真的影响………………………………………………… 206
11.1 散热孔Grille的建立………………………………………………………………… 206
11.1.1 平面布置散热孔的建立………………………………………………………… 206
11.1.2 曲面布置散热孔的建立………………………………………………………… 207
11.2 建立电子机箱热模型………………………………………………………………… 209
11.2.1 CAD模型导入ANSYSIcepak ……………………………………………… 209
11.2.2 各类参数的输入………………………………………………………………… 211
11.3 简化散热孔Grille的热仿真………………………………………………………… 211
11.4 详细散热孔Grille的热仿真………………………………………………………… 214
11.5 小结…………………………………………………………………………………… 218
第12章电路板布线铜层焦耳热计算…………………………………………………… 220
12.1 建立铜层模型的面板说明…………………………………………………………… 220
12.2 电路板铜层焦耳热的计算…………………………………………………………… 221
12.3 小结…………………………………………………………………………………… 234
第13章多组分气体输运模拟计算……………………………………………………… 235
13.1 多组分气体计算说明………………………………………………………………… 235
13.2 CAD模型导入ANSYSIcepak …………………………………………………… 236
13.3 多组分气体模拟计算………………………………………………………………… 240
13.3.1 热模型的修补及边界输入……………………………………………………… 240
13.3.2 热模型的网格划分……………………………………………………………… 247
13.3.3 热模型的求解设置……………………………………………………………… 249
13.3.4 后处理显示……………………………………………………………………… 250
13.4 小结…………………………………………………………………………………… 255
第14章 Maxwell与ANSYSIcepak双向耦合计算………………………………………… 256
14.1 Maxwell简介及涡流现象说明……………………………………………………… 256
14.2 Maxwell与ANSYSIcepak单向耦合计算………………………………………… 257
14.2.1 Maxwell的设置及计算………………………………………………………… 258
14.2.2 DesignModeler的设置及更新………………………………………………… 265
14.2.3 ANSYSIcepak的设置及计算………………………………………………… 268
14.3 Maxwell与ANSYSIcepak双向耦合计算………………………………………… 273
14.4 小结…………………………………………………………………………………… 280
第15章 HFSS与ANSYSIcepak单向耦合计算………………………………………… 281
15.1 混合环现象及HFSS简介………………………………………………………… 281
15.2 HFSS与ANSYSIcepak单向耦合计算…………………………………………… 282
15.2.1 HFSS的设置及计算…………………………………………………………… 283
15.2.2 DesignModeler的设置及更新………………………………………………… 292
15.2.3 ANSYSIcepak的设置及计算………………………………………………… 294
15.3 小结…………………………………………………………………………………… 302
第16章 ANSYSIcepak与Simplorer场路耦合模拟计算……………………………… 303
16.1 场路耦合计算简单说明……………………………………………………………… 303
16.2 ANSYSIcepak的设置及计算……………………………………………………… 304
16.3 Simplorer的设置及计算…………………………………………………………… 309
16.4 ANSYSIcepak与Simplorer之比较……………………………………………… 316
16.4.1 工况1的计算及比较…………………………………………………………… 317
16.4.2 工况2的计算及比较…………………………………………………………… 321
16.5 小结…………………………………………………………………………………… 324
参考文献……………………………………………………………………………………… 325

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