ICEPAK软件基础知识介绍.doc

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ICEPAK软件由全球最优秀的计算流体力学软件提供商Fluent公司，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。借助ICEPAK的分析和优化结果，用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率（get-right-first-time）、改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的上市时间。

ICEPAK做为专业的热分析软件，可以解决各种不同尺度级别的散热问题：

  环境级 ——  机房、外太空等环境级的热分析

  系统级 ——  电子设备机箱、机柜以及方舱等系统级的热分析

  板   级 —— PCB板级的热分析 

  元件级 ——  电子模块、散热器、芯片封装级的热分析   

ICEPAK的应用领域

  ICEPAK软件广泛应用于通讯、航天航空电子设备、电源设备、通用电器及家电等领域。

  ICEPAK软件的著名客户有：通讯业中的华为、中兴、上海阿尔卡特-贝尔、施耐德电气、UT斯达康、爱立信、上海GE、华为3com、AT&T、Motorola、Aval Communication、Cisco、Fuji Electric、Lucent、Mitsubishi Electric等；计算机业中的Compaq、HP、IBM、Intel、NEC、SGI、SGI/Cray、DELL、Apple、Sun等；航天航空电子设备中的西南电子研究所、石家庄通信技术所、南京电子信息研究所、广州通信技术研究所、航空雷达研究所、航空飞行控制研究所、航天计算机所、西安电子设备研究所、咸阳电子设备研究所、北京电子科学院、中科院电子所、Lockheed Martin、Boeing、TRW Avionics、Chrysler、Allied Signal等；通用电器及家电业中的Fuji Electric、Sony、3Com、3M、GE等。

快速几何建模

 友好界面和操作——完全基于Windows风格的界面。依靠鼠标选取、定位以及改变定义对象的大小，使用鼠标拖拽方式，因而建模过程非常方便快捷；

 基于对象建模——箱体、块、风扇、PCB板、通风口、自由开口、空调、板、壁面、管道、源、阻尼、散热器、离心风机、各种封装件模型等，用户可以直接从ICEPAK的菜单调用现成的模型，无须从点、线、面开始建模；

 各种形状的几何模型——六面体、棱柱、圆柱、同心圆柱、椭圆柱、椭球体，斜板、多边形板、方形或园形板，在这些基本模型基础上可以构造出各种复杂形状的几何模型；

 大量的模型库——材料库：包括各种气体、液体、固体以及金属与非金属材料库；风扇库：包括Delta, Elina, NMB, Nidec, Papst, EBM, SanyoDenki等厂家的风扇模型；封装库：各种BGA、QFP、FPBGA、TBGA封装模型，用户可以随时上网更新自己的模型库；用户还可以用已经创建好的模型建立自己的库；

 ECAD/IDF输入——IDF（如Cadence, Mentor Graphics, Zuken, Synopsys等）格式的文件直接输入；

 专用的CAD软件接口IcePro——IcePro可以直接导入CAD模型，如Assembly, Part, Iges, Step, Sat格式文件，并能自动转化为ICEPAK模型。适用的CAD软件有：Pro/E, UG, I-deas, Catia, Solidworks, Solidedge等。

强大的zoom-in功能

   ICEPAK提供的zoom-in功能能够自动将上一级模型的计算结果传递到下一级模型，从系统级到板极，从板极到元件级，层层细化，大大提高您的工作效率。而且ICEPAK软件是通过Profile文件在级与级之间传递非均匀分布的边界数据，确保了计算精度。使用鼠标进行拖放，操作非常简便。

先进的网格技术

ICEPAK具有自动化的非结构化网格生成能力。支持四面体、六面体以及混合网格，因而可以生成高质量的计算网格，并能完全保持几何边界形状。ICEPAK还提供了强大的网格检查功能，可以检查出质量较差（细长比、扭曲率、最小体积）的网格。另外，网格疏密可以由用户自行控制，如果需要，可对某个元件的网格进行加密，局部加密不会影响到其它区域和元件的网格。

   非结构化的网格技术——可以逼近各种形状复杂的几何，大大减少网格数目，保持几何边界形状，提高计算精度；

   非连续网格——在保持计算精度的基础上，可进一步减少网格数目，加快计算速度，提高工作效率；

   四面体网格——不需要做任何几何上的简化和近似，可对形状极复杂的模型划分网格，从而保证求解精度；

   混合网格——在形状复杂的区域生成四面体网格，其它区域生成六面体网格，减少网格数量的同时提高计算精度。

参数化和优化设计功能

  布尔参量：可以通过设计变量来定义任何一个复选框――active、湍流、辐射、风扇失效等，对这些变量参数化，来控制这些复选框的状态。在参数化和优化设计中使用布尔参量可实现对某些复杂热控过程的仿真。如多种散热方案的参数化计算和优化设计；对风扇失效的验证比较等。

  参数化设计：任意量都可设置成变量，通过变量的参数化控制来完成不同工况、不同结构、不同状态的统一计算，计算结果自动生成函数曲线，从而使模拟过程更加高效、智能和便捷。

1．流动和热参数：能够实现多工况的统一计算，如风扇风量、模块功率、过孔板的开孔率等；

2．结构参数：能在模拟中自动完成结构和几何的变化，如风扇位置、导风板角度；

3．状态参数：能够比较不同状态的计算结果，如辐射对计算的影响，多种散热方案的比较。

   优化设计：通过对变量自动优化，获得热设计的最优方案。ICEPAK的优化算法使用的是经典的梯度算法，可以实现最大求解规模为50个基本设计变量、10个约束方程的优化计算；通过基本函数或者复合函数构筑一个目标函数来完成优化计算。这种算法的鲁棒性（Robustness）更强，使得优化设计过程更简单直观，算法的容错性更强，结果精度更高，计算速度更快。

丰富的物理模型

               强迫对流、自然对流和混合对流模型                     

               热传导模型、流体与固体耦合传热模型、 物体表面间的热辐射模型

               层流、湍流，稳态及瞬态问题

               多种流体介质问题（空气+水冷却等）

强大的解算功能      

              求解器----FLUENT，全球最强大的CFD（计算流体动力学）求解器

            有限体积方法(Finite Volume Method), 结构化与非结构化网格的求解器

             并行算法，能够实现任何操作系统下的网络并行运算

                                                                                                                         太阳花散热器

强大的可视化后置处理

       面向对象的、完全集成的后置处理环境

       速度矢量图、等值面图、云图、等值面图、迹线图

       图片输出格式有：postscripts, PPM, TIFF, GIF,   

          JPEG和RGB

       动画输出格式有：Avi, MPEG, Gif

       计算结果可以输出到 I-deas, Patran,

          Nastran,Ansys等结构分析软件

ICEPAK软件的应用

 辐射模型的仿真

在自然对流和空间热分析中，辐射传热占据了很大的比重。ICEPAK软件提供了多种辐射模型来进行高精度的辐射换热模拟。广泛应用在地面及外太空系统的辐射分析中。由于实际物理问题几何千差万别，角系数的计算非常复杂。要想保证计算的精度，单一的角系数计算模型很难适用于各种情况。在ICEPAK软件中提供了多种辐射模型，可以满足任何工况。

        半立方体模型（Hemicube）：Hemicube模型是经典的角系数计算模型，比较适合几何比较复杂的问题，求解速度快。

        自适应模型（Adaptive）：Adaptive模型会根据两个辐射表面的位置自动选择最合适的角系数计算方法：

1．Monte Carlo积分法  ——  两个表面之间的辐射被其它物体部分遮挡；

2．几何分析法         ——  两个表面之间的辐射完全无遮挡，且两个表面离得很近；

3．Gauss求积法       ——  两个表面之间的辐射完全无遮挡，但两个表面离得较远。

目前商业热分析软件中只有ICEPAK拥有如此丰富的辐射模型，可以在各种计算工况中都可以获得很高的求解精度。其它的商业软件大多只有其中的某一种角系数计算方法，应用面很窄，很难保证计算精度。

 封闭机箱电子系统的仿真

有一些电子系统必须使用封闭机箱，机箱内部元件的热量通过导热板传送到机箱，然后在机箱表面通过自然对流或强迫对流进行散热。如上图所示，热量通过导热板传到箱体上下两族散热波纹板（紫色狭窄区域），由箱体右侧的两个风扇抽风，空气流过上下两族散热波纹板层进行强迫风冷，箱体内部和外界是隔离的，箱体内部空气形成封闭的自然对流。这类问题的难点在于箱体内外为两个不同区域，箱内流场为封闭的自然对流场，箱体外部流场为强迫对流或者自然对流；另外，辐射和导热模拟的精度也关系到计算结果的准确性。ICEPAK的非连续网格能对局部区域进行加密（如波纹板），提高计算精度，同时减少网格数目以提高收敛速度；丰富的辐射模型能够满足任意复杂结构的计算需要。在这类封闭机箱电子系统热设计方面，ICEPAK有大量的成功案例。

 具有复杂风道的HVAC系统的仿真

对HVAC系统进行设计和优化的难点在于风道结构复杂，流场结构复杂。可以通过ICEPAK软件的接口模块从Pro/E、Solidworks等CAD软件的模型自动完成复杂几何的建模；使用非结构化网格能对任意复杂的几何进行网格划分，得到完全保持边界形状的计算网格；ICEPAK能提供多种湍流模型（0方程模型，标准k-ε模型，RNG k-ε模型等），使得复杂风道的边界层分离、回流等流场结构模拟的更加准确。

ICEPAK的背景

ICEPAK是美国Fluent公司开发的热分析软件。Fluent公司起源于1983年，其CFD（计算流体动力学）技术和技术支持都是一枝独秀，是目前全球最有影响的计算流体动力学（CFD）软件商和咨询服务商，它在该领域的全球市场份额超过40%。

Fluent公司除了ICEPAK软件以外，还提供如下电子行业软件：

IceBoard：    板级热分析软件

IceChip：      封装级热分析软件

IceMax：      先进的IC封装寄生参数提取工具

IceWave：   电磁兼容仿真软件

IcePro：       专用的CAD接口软件，可将CAD模型转化成IcePak模型

Qfin：           散热器优化设计软件

软件支持平台

      基于Windows NT，Windows 2000 /XP/2003的PC机，以及UNIX，LINUX的工作站。

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