CN108427777A - 一种卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法 - Google Patents

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尹丽伟
管方君
袁斌
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Abstract

本发明属于车灯仿真技术领域，一种卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，步骤如下：(1)设计透镜及周围部件的3D数据模型，包括完整的透镜数据、需要考察的塑料部件和外部空气域；(2)保留会影响光学及热学的特征，间隙小于0.5mm的区域选择贴合处理，区分同一部件的不同表面处理区域；(3)针对不同尺寸的部件进行单独网格尺寸设置，并对影响光学及热学的局部区域进行网格的细化；(4)将网格划分数据导入流体仿真软件，并设置参数及控制方程，进行求解得到仿真结果；(5)根据仿真结果判断设计方案中透镜在该尺寸上是否形成聚焦导致周边部件有烧蚀风险。本发明方法可以在产品设计初期发现潜在的耐热风险，提前采取预防措施。

Description

一种卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法
技术领域
本发明属于车灯仿真技术领域，具体设计一种模拟卤素(HB3/HIR2/H7)光源透镜模组自聚焦及其对周围塑料部件温度影响的方法，该方法可广泛应用于汽车照明研发领域。
背景技术
随着汽车保有量在不断增加和消费者对汽车要求的提升，汽车已不单是代步工具和身份的象征，更多的是一种高科技的产品。而汽车灯具不仅是外观装饰，更多的作为重要的安全零件。作为“汽车眼睛”的前照灯，更多的承担着提供良好照明效果及安全性。照明功能主要是通过车灯发出的光照亮车辆前方的道路和目标的，使驾驶者可以在黑夜里安全行车。因此卓越的照明效果则是前照灯开发最为重要的技术指标。
汽车照明标准对前照灯的光型、配光、光色等方面有严格的要求，并有相应的测试步骤。前照灯配光要求，旨在提高汽车的主动安全功能，要求有足够的照度和足够宽的照明范围，并且不干扰其他道路使用者，如限制对反向来车的眩光，由此，目前的汽车前大灯不得不分为近光灯和远光灯。为了满足汽车前照灯要求苛刻的复杂照明系统，在光学系统设计中利用了自由曲面作为反射器面进行照明设计，实现复杂的照明功能。在满足光学设计要求的前提下，它的热学性能对于其材料使用、周围部件设计也极为重要，透镜能量聚焦导致周围塑料部件烧熔，现有技术中并不能避免该问题的出现，通常在产品生产出来后出现严重问题再重新设计，不能提前采取预防措施。
发明内容
为解决现有技术存在的对于透镜能量聚焦导致周围塑料部件烧熔不能采取预防措施的缺陷，本发明提供一种卤素透镜自聚焦的模拟仿真方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，步骤如下：
(1)设计透镜及周围部件的3D数据模型，包括完整的透镜数据、需要考察的塑料部件和外部空气域；
(2)对3D数据前处理：保留会影响光学及热学的特征，间隙小于0.5mm的区域选择贴合处理，区分同一部件的不同表面处理区域；
(3)网格划分：针对不同尺寸的部件进行单独网格尺寸设置，并对影响光学及热学的局部区域进行网格的细化；
(4)将步骤(3)中得到的网格划分数据导入流体仿真软件，并设置参数及控制方程，进行求解得到仿真结果；
(5)根据仿真结果判断设计方案中透镜在该尺寸上是否形成聚焦导致周边部件有烧蚀风险。
进一步地，利用CAD软件进行3D数据模型的设计及3D数据前处理。其中CAD表示计算机辅助设计(Computer Aided Design)。
作为优选，所述的CAD软件为CATIA或UG。其中CATIA是一套完整的3D CAD/CAE/CAM一体化软件，它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。CATIA不但能够保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA大量用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与3C产业、NC加工等各方面。UG是集CAE/CAE/CAM于一体的机械工程辅助软件，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。UG采用基于特征的实体造型，具有尺寸驱动编辑功能和统一的数据库，实现了CAD、CAE、CAM之间无数据交换的自由切换，并且具有很强的数控加工能力和二次开发功能。
作为优选，所述的流体仿真软件为ANSYS Fluent。其中FLUENT软件是国内外最为流行的CFD软件，拥有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的后处理功能，广泛应用于航空航天、旋转机械、高速列车、汽车、能源、石油化工、冶金等领域。FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，可用于模拟从不可压缩(如汽车行业)到高超音速(如航空航天行业)范围内的各种复杂流场。
作为优选，步骤(3)中所述网格划分的网格类型为四面体或六面体网格。
作为优选，步骤(3)中对透镜局部光学特征进行单独细化。
进一步地，步骤(3)中对光源灯泡中的灯丝及两端导线进行网格细化时选用尺寸小的网格。
具体地，所述的参数包括材料、边界条件和辐射模型，所述边界条件设置中不同表面处理区域设置不同参数，辐射模型中的离散程度设置为6*6*3*3(分别表示参数ThetaDivision、Phi Division、Theta Pixels和Phi Pixels。其中Theta Division和PhiDivision参数用以控制空间每个象限中球坐标的离散控制角度的数量，实际作用为将辐射由连续值简化为离散的射线。Theta Pixels和Phi Pixels参数用来确定象点，用来提高对于单个曲面流入和流出的分辨程度)。
有益效果：本发明提供一种模拟卤素光源透镜模组自聚焦及其对周围塑料部件温度影响的方法，可以在产品设计初期发现潜在的耐热风险，提前采取预防措施，避免产品生产出来后出现严重问题再重新设计的情况，对透镜模组的设计具有指导性意义。
附图说明
图1为透镜模组简化后的3D数据模型；
图2为透镜模组3D数据的结构剖视图；
图3为图1所示3D数据模型的网格数据模型；
图4为网格数据模型的结构剖视图；
其中，1、凸透镜，2、支架，3、反射碗，4、塑料件，5、金属挡片，6、灯泡，7、灯座。
具体实施方式
实施例
本实施例的模拟方法需要在有真实光学面的透镜模组数据上实施，设计透镜及周围部件3D数据模型，包括完整的透镜数据、需要考察的塑料部件和外部空气域，CAD软件选用CATIA或UG，CFD软件选用ANSYS Fluent：
对3D数据前处理，在简化模型过程中，应尽量保留会影响光学及热学的特征，间隙小于0.5mm的区域可以选择贴合处理，同一部件的不同的表面处理区域应有所区分，例如在透镜模组中间的挡片5，两侧的粗糙度不一致，会影响到能量的反射，需要在前处理时区分开来。图1为处理后的透镜模组3D数据模型，图2为透镜模组3D数据的结构剖视图；
在网格划分过程中，网格类型可以设置为四面体或六面体网格，这主要取决于几何模型的复杂程度，网格尺寸设置时应考虑最大程度捕获特征，针对不同尺寸的部件进行单独的网格尺寸设置，在部件的关键区域进行网格的细化，例如在凸透镜1上有局部的区域有较小的光学特征，此处对能量的传递影响较大，需要单独进行细化；例如在光源灯泡6中，灯丝及两端的导线因尺寸非常小，网格也必须设置较小的尺寸，透镜模组的凸透镜1、支架2、反射碗3、塑料件4、金属挡片5、灯泡6和灯座7的网格划分情况如图3和4所示；
将上述步骤得到的网格划分数据导入流体仿真软件，并设置参数及控制方程，并进行求解得到仿真结果。在边界条件、辐射模型及求解方法设置时，边界条件需要根据表面定义进行具体区分，如反射碗3镀铝区域与背面阳极氧化区域的表面处理差异很大，所以参数中的发射率是不一致的，不同透明材料的吸收系数也应该有所区分；辐射模型的设置需要根据案例类型、精度需求、计算量等综合考虑，例如，辐射模型中的离散程度业内通常设置6*6*3*3，数值过大会导致计算量剧增，数值过小会影响计算结果的准确性；在求解方法中，应根据计算工况及网格类型合理选择求解器及离散处理方式；
在模拟结果后处理中，应综合考虑塑料部件的温度，接受的辐射量等因素，根据部件本身的材料属性及表面处理方式来判定是否存在失效的风险。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：步骤如下：
(1)设计透镜及周围部件的3D数据模型，包括完整的透镜数据、需要考察的塑料部件和外部空气域；
(2)对3D数据前处理：保留会影响光学及热学的特征，间隙小于0.5mm的区域选择贴合处理，区分同一部件的不同表面处理区域；
(3)网格划分：针对不同尺寸的部件进行单独网格尺寸设置，并对影响光学及热学的局部区域进行网格的细化；
(4)将步骤(3)中得到的网格划分数据导入流体仿真软件，并设置参数及控制方程，进行求解得到仿真结果；
(5)根据仿真结果判断设计方案中透镜在该尺寸上是否形成聚焦导致周边部件有烧蚀风险。
2.根据权利要求1所述的卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：利用CAD软件进行3D数据模型的设计及3D数据前处理。
3.根据权利要求2所述的卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：所述的CAD软件为CATIA或UG。
4.根据权利要求1或2所述的卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：所述的流体仿真软件为ANSYS Fluent。
5.根据权利要求1所述的卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：步骤(3)中所述网格划分的网格类型为四面体或六面体网格。
6.根据权利要求1所述的卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：步骤(3)中对透镜局部光学特征进行单独细化。
7.根据权利要求1或6所述的卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：步骤(3)中对光源灯泡中的灯丝及两端导线进行网格细化时选用尺寸小的网格。
8.根据权利要求1所述的卤素透镜模组自聚焦的模拟分析方法，其特征在于：所述的参数包括材料、边界条件和辐射模型，所述边界条件设置中不同表面处理区域设置不同参数，辐射模型中的离散程度设置为6*6*3*3。
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