实战ANSYSIcepak电子热设计

本书主要讲解了利用ANSYS Icepak 2024进行电子散热有限元分析的各种方法和技巧，主要内容包括ANSYS Icepak概述、电子热设计基础理论、ANSYS Icepak基础、创建模型、网格划分、物理模型及求解、风冷散热案例、水冷散热案例、热管散热案例、电路板散热案例和参数化优化案例等。
本书内容实用，实例典型丰富，所有实例均提供配套源文件素材，重点实例还提供了视频讲解，扫码即可轻松获取，提高学习效率。
本书适合电子工程师学习使用，也可用作高等院校相关专业的教材。

本书通过大量的实战案例，系统介绍了利用Icepak进行电子热设计与热仿真的知识与技巧。本书主要具有如下特色： 1.内容实用，案例丰富。本书分为基础篇和实例篇，基础篇主要介绍了电子热设计的理论基础，以及Icepak软件的基本操作；实例篇选取了不同级别、不用场景的设计案例展开详解，从入门到实战，帮助读者快速掌握Icepak热设计技术。 2.视频讲解，资源附赠。重难点章节及全部案例操作配有二维码视频教学，手机扫一扫，即可方便、高效、快捷地学习，同时赠送案例的所有源文件，方便读者直接对照上手实践。

随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，有限元分析越来越多地用于仿真模拟，以求解真实的工程问题，由此也产生了一批非常成熟的通用和专业有限元商业软件。ANSYS软件是由美国ANSYS公司开发，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口（如Pro/Engineer）实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
ANSYS Icepak是一款基于Fluent求解器的电子散热分析软件，是针对电子热设计，涵盖芯片级、板级、系统级、环境级全系列解决方案的高精度分析专业软件包。ANSYS Icepak 被大量应用于航空航天、能源电力、电力电子、铁路机车、医疗器械等各行各业电子产品的研发和设计过程。ANSYS Icepak具备强大的分析能力，可以模拟自然对流、强迫对流、混合对流、热传导、热辐射、层流/紊流、稳态/非稳态等流动现象。
本书具有以下特色。
●内容全面，针对性强
本书在有限的篇幅内，讲解了ANSYS Icepak的常用功能。读者通过学习本书，可以较为全面地掌握ANSYS Icepak相关知识。笔者根据自己多年的计算机辅助设计领域工作经验和教学经验，针对初级用户学习ANSYS Icepak的难点和疑点，由浅入深、全面细致地讲解了ANSYS Icepak在电子散热有限元分析应用领域的各种功能和使用方法。
●实例丰富，提升技能
本书结合大量的设计实例，详细讲解了ANSYS Icepak的知识要点，让读者在学习案例的过程中潜移默化地掌握ANSYS Icepak软件操作技巧，同时培养工程分析的实践能力。书中的实例取自实际工程项目，经过笔者精心提炼和改编，不仅保证了读者能够学好知识点，更重要的是能帮助读者掌握实际的操作技能，并能够独立地完成各种工程分析。
本书配套了电子学习资源，包括全书实例的源文件素材及同步教学视频。同步教学视频可扫描书中实例章节对应的二维码观看，源文件素材可扫描前言下方相应的二维码，下载到电脑端使用。电子资料中有两个重要的目录：“YuanShiWenJian”目录下是本书所有实例操作需要的原始文件；“JieGuoWenJian”目录下是本书所有实例操作的结果文件。
按照本书上的实例进行操作练习，以及使用ANSYS Icepak进行工程分析时，需要事先在计算机上安装相应的软件。读者可访问ANSYS公司官方网站下载试用版，或到当地经销商处购买正版软件。
本书由河北军创家园文化发展有限公司的康士廷和闫聪聪两位高级工程师编写，其中康士廷执笔编写了第1～6章，闫聪聪执笔编写了7～11章。
本书虽经作者几易其稿，但由于水平有限，书中不足之处在所难免，请读者批评指正。

编著者

第1章 ANSYS Icepak概述 001
1.1 Icepak简介 002
1.2 Icepak仿真流程 002
1.2.1 建立热模型 002
1.2.2 模型的网格划分 003
1.2.3 求解计算设置 003
1.2.4 后处理显示 004
1.3 ANSYS Icepak模块组成 004

第2章 电子热设计基础理论 007
2.1 流体运动的基本概念 008
2.2 流体流动及换热的基本控制方程 010
2.3 电子热设计基础理论 012
2.3.1 导热（thermal conduction） 013
2.3.2 对流（thermal convection） 015
2.3.3 辐射（thermal radiation） 016
2.3.4 增强散热的几种方式 017
2.4 电子热设计常用概念 018
2.5 电子热设计要求 019
2.5.1 热设计基本要求 019
2.5.2 热设计应考虑的问题 020
2.6 热设计方法 021
2.6.1 热设计目的 021
2.6.2 热设计的基本问题 021
2.6.3 传热基本原则 021
2.6.4 换热计算 022
2.6.5 热电模拟 022
2.6.6 热设计步骤 022
2.6.7 规定电子元器件和设备热特性的额定值 023
2.6.8 计算机辅助热分析 023
2.7 冷却方法 023
2.7.1 冷却方法的分类 023
2.7.2 冷却方法的选择 024
2.7.3 冷却方法选择示例 024
2.8 电子元器件的热特性 025
2.8.1 半导体器件的热特性 025
2.8.2 电子管的热特性 025
2.8.3 磁芯元件的热特性 026
2.8.4 电阻器的热特性 026
2.8.5 电容器的热特性 026
2.8.6 铁氧体器件的热特性 027
2.8.7 铁氧体存储磁芯的热特性 027
2.9 电子设备自然冷却设计 027
2.9.1 电子元器件的自然冷却设计 028
2.9.2 电子设备的自然冷却设计 030
2.10 电子设备强迫空气冷却设计 033
2.10.1 强迫空气冷却的热计算 033
2.10.2 通风机 033
2.10.3 强迫空气冷却系统的设计 035
2.10.4 通风管道的设计 037
2.10.5 强迫空气冷却的机箱和机柜的设计 037
2.10.6 空气过滤器 038
2.11 电子设备液体冷却设计 038
2.11.1 直接液体冷却 038
2.11.2 间接液体冷却 039
2.11.3 液体冷却设计应考虑的问题 040
2.11.4 换热器 040
2.12 其他冷却技术 041
2.12.1 热管 041
2.12.2 冷板 043
2.12.3 热电制冷 044
2.13 电子模块的热设计 045
2.13.1 电子模块内部的热设计 045
2.13.2 采用电子模块系统的热设计 045
2.13.3 电子设备及电子元器件的热安装技术 046
2.14 电子设备的热性能评价 046
2.14.1 热性能评价的目的与内容 046
2.14.2 热性能草测 046
2.14.3 热性能检查项目 047
2.14.4 电子元器件检查项目 048
2.14.5 热性能测量 048
2.15 现有电子设备热性能的改进 049
2.15.1 确定热设计缺陷 049
2.15.2 热性能改进的制约条件 049
2.15.3 改进费用与寿命周期费用的权衡 050

第3章 ANSYS Icepak基础 051
3.1 ANSYS Icepak的直接启动 052
3.1.1 设置中文界面操作步骤 052
3.1.2 直接启动 052
3.2 ANSYS Workbench界面 053
3.2.1 菜单栏 054
3.2.2 工具箱 056
3.2.3 自定义工具箱 057
3.3 Workbench文档管理 058
3.3.1 目录结构 058
3.3.2 显示文件明细 058
3.4 项目原理图 059
3.4.1 系统和单元格 059
3.4.2 单元格的类型 059
3.4.3 单元格状态 060
3.5 在Workbench中启动Icepak 061
3.6 调整ANSYS Icepak窗口的大小 061
3.7 Icepak菜单栏 062
3.8 Icepak工具栏 073
3.8.1 文件命令工具栏 073
3.8.2 编辑命令工具栏 074
3.8.3 查看选项工具栏 074
3.8.4 方向命令工具栏 075
3.8.5 建模和求解工具栏 075
3.8.6 后处理工具栏 075
3.8.7 对象创建工具栏 076
3.8.8 对象修改工具栏 076
3.9 Icepak模型树 077
3.10 实例-解压缩Icepak模型 078
3.10.1 创建新项目 078
3.10.2 解压缩模型 078

第4章 创建模型 080
4.1 概述 081
4.1.1 对象创建工具栏 081
4.1.2 对象修改工具栏 081
4.1.3 模型管理器窗口中的模型节点 081
4.1.4 模型菜单 081
4.1.5 建模前的规划 082
4.2 基于对象建模 082
4.2.1 定义计算域 083
4.2.2 装配体组合 085
4.2.3 热交换器 087
4.2.4 创建开口 089
4.2.5 周期性边界条件 090
4.2.6 通风口 091
4.2.7 热源 094
4.2.8 创建印刷电路板 095
4.2.9 创建外壳盒体 097
4.2.10 创建壁 098
4.3 实例-机载电子系统建模 100
4.3.1 创建新项目 100
4.3.2 构建模型 101

第5章 网格划分 106
5.1 ANSYS Icepak网格概述 107
5.2 网格质量和类型 108
5.2.1 网格质量 108
5.2.2 六边形主网格和六面体网格 109
5.2.3 非连续网格与多级网格 109
5.3 全局/局部网格控制与检查 109
5.3.1 全局网格控制 109
5.3.2 局部网格控制 112
5.3.3 网格划分优先级 114
5.3.4 网格显示及网格检查 115
5.4 网格划分的原则与技巧 116
5.4.1 ANSYS Icepak 网格划分原则 116
5.4.2 确定模型多级网格的级数 117
5.5 实例-机载电子系统生成网格 117
5.5.1 粗网格方法网格划分 117
5.5.2 优化网格 119

第6章 物理模型及求解 120
6.1 自然对流传热模型 121
6.1.1 自然对流控制方程及设置 121
6.1.2 自然对流模型的选择 121
6.1.3 自然对流计算区域设置 122
6.1.4 自然冷却模拟设置步骤 122
6.2 辐射换热模型 123
6.2.1 Surface to Surface（S2S）辐射模型 124
6.2.2 Discrete ordinates（DO）辐射模型 125
6.2.3 Ray tracing辐射模型 126
6.2.4 三种辐射模型的比较与选择 126
6.3 太阳热辐射模型 127
6.4 瞬态热模拟设置 128
6.4.1 瞬态求解设置 128
6.4.2 瞬态时间步长Time step设置 129
6.5 ANSYS Icepak基本物理模型定义 130
6.6 求解计算基本设置 130
6.6.1 求解基本设置对话框 131
6.6.2 如何判断热模型的流态 131
6.7 实例-机载电子系统计算求解 132
6.7.1 求解参数设置 132
6.7.2 保存求解 135

第7章 风冷散热案例 136
7.1 翅片式散热器 137
7.1.1 问题描述 137
7.1.2 创建新项目 137
7.1.3 构建模型 138
7.1.4 生成网格 143
7.1.5 求解参数设置 145
7.1.6 保存求解 147
7.1.7 检查结果 147
7.2 非连续网格划分 153
7.2.1 问题描述 153
7.2.2 创建新项目 154
7.2.3 构建模型 154
7.2.4 生成网格 158
7.2.5 参数化求解设置 160
7.2.6 保存并求解 162
7.2.7 检查结果 164

第8章 水冷散热案例 167
8.1 冷板水冷散热概述 168
8.2 创建新项目 168
8.3 构建模型 169
8.4 生成网格 178
8.5 求解参数设置 180
8.6 保存求解 183
8.7 检查结果 185

第9章 热管散热案例 190
9.1 热管散热与嵌套非连续网格概述 191
9.2 创建新项目 191
9.3 构建模型 191
9.4 生成网格 206
9.5 求解参数设置 208
9.6 保存求解 210
9.7 检查结果 211

第10章 电路板散热案例 215
10.1 射频放大器散热概述 216
10.2 创建新项目 216
10.3 构建模型 216
10.4 生成网格 226
10.5 求解参数设置 229
10.6 保存求解 232
10.7 检查结果 234

第11章 参数化优化案例 239
11.1 利用参数化优化风机位置 240
11.1.1 问题描述 240
11.1.2 创建新项目 240
11.1.3 构建模型 241
11.1.4 生成网格 252
11.1.5 参数化求解设置 253
11.1.6 保存并求解 257
11.1.7 检查结果 258
11.2 散热器最小化热阻优化设计 263
11.2.1 问题描述 264
11.2.2 创建新项目 264
11.2.3 定义设计变量 265
11.2.4 网格设置 267
11.2.5 求解参数设置 268
11.2.6 保存模型 270
11.2.7 定义主函数、复合函数和目标函数 270
11.2.8 求解 272
11.2.9 在DesignXplorer中优化 273
11.2.10 优化结果 278