HFSS与Icepak双向电热耦合仿真案例

一、摘要

随着现代电子产品集成度的迅速提升，产品热密度也越来越大，电子产品热分析诉求强烈。传统的电磁仿真不能考虑温度的影响，而传统的热仿真无法考虑电磁损耗所带来的分布式焦耳热的影响，这使得单独的电磁仿真和单独的热仿真的误差比较大。

Ansys仿真的一大优势在于多物理场协同仿真，Ansys已在电子桌面中集成HFSS、Maxwell、Q3D等电磁场工具和Icepak热仿真工具，用户可以非常方便的将电磁场工具中的模型、材料参数以及电磁损耗仿真结果传递到Icepak中进行热建模和仿真，并能返回给电磁场工具实现温升对电磁场性能的影响评估，实现电热双向耦合分析。

本文采用Ansys 2021R1版本HFSS和Icepak，以一个Hybrid Ring仿真的例子，来说明利用Ansys HFSS和Icepak实现电热双向耦合仿真的方法和流程。

二、在HFSS中实现环形器电磁损耗仿真
     

1、打开ANSYS Electronics Desktop，建立HFSS project，根据Hybrid Ring几何参数进行建模；

2、由于要进行电热耦合多物理场分析，在HFSS中设置材料属性时，一定要勾选热相关的材料属性设置项，必要时可自行手动设置材料随温度变化的电热参数属性值；

3、在HFSS菜单页点击Set Object Temperature，在弹出的菜单中勾选Include Temperature Dependence和Enable Feedback选项，初始温度为常温22摄氏度，可手动更改；

4、设置好激励、边界条件等电磁场仿真设置项后，即可开始并完成电磁场仿真分析；

三、 在Icepak中实现电热双向耦合仿真
     

1、HFSS电磁场分析完成后，在同一个工程下建立一个Icepak项目；

2、回到HFSS项目，选中Hybrid Ring模型，复 制粘贴到Icepak项目中，相应的几何模型及材料属性都被传递到Icepak中，我们可手动检查材料属性是否勾选了热参数选项；

3、仿真求解域Region的大小我们可根据实际需要调整；

4、选中air region的6个面，设置边界条件为Opening，Opening属性都设置缺省，空气温度无压力穿越边界；

5、选中HybridRing所有几何模型，右键选择EM loss，在弹出的菜单中勾选Use This Project，将HFSS电磁损耗链接到Icepak中作为热源；

6、在左侧Project Manager栏中右键点击Mesh，选择Edit Global Region，根据仿真精度与仿真速度的需求，选择合适的mesh设置，也可在Advanced页进行手动mesh设置；

7、热仿真中Mesh过程是单独进行的，可右键点击Mesh，选择Generate Mesh生成网格

8、网格生成完成后会自动跳出Mesh Viewer，选择相应的平面或几何体，可以看到网格剖分的情况

9、在Solution Type中选择Steady State和Temperature and Flow；

10、在Design Settings中，可设置仿真初始状态，此处默认常温；

11、此时可以Add Solution Setup了，在弹出的菜单中，可设置最大计算迭代次数，热分析求解类型等，在Convergence页设置收敛条件；

12、设置监控点辅助收敛判断，选择air region上表面中心点和ring的上表面作为监控点；

13、右键Setup设置双向耦合，可以设置耦合次数和每次耦合最大迭代次数；

14、设置完成后即可开始仿真，Icepak和HFSS自动完成双向耦合分析过程，无需人工干预，仿真完成后，可右键Setup，点击Thermal Monitor或Flow Monitor，查看收敛情况；

15、选中Ring，右键选择Plot Fields，选择Temperature，在弹出的菜单中勾选Plot on surface only，即可输出双向耦合仿真温度场结果彩虹图；

四、 结论

使用仿真手段进行数字化设计评估已成为现代产品研发的常态，Ansys电磁热仿真平台具备强大的多物理场分析能力，能够协助我们快速进行电磁场及相应焦耳热的仿真设计优化，帮助企业更高效完成更具挑战性的产品设计。

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