基于Flow Simulation的LED汽車大燈散熱仿真

奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術研究院 張志輝

1 引言

汽車大燈是汽車電子電器系統中的重要組成部分，同時也是汽車正常行駛時，特別是夜間行駛時使用的最重要的安全設備。

為提高行車安全，越來越多的新技術被逐漸應用到汽車燈具中，如側轉向燈的光纖傳導技術、前照燈AFS 技術等。當然，這其中也包括發光二極管技術( Light Emitting Diode，簡稱LED) 在汽車燈具尤其是在汽車前照燈上的應用。近幾年的汽車設計中，LED 車燈的使用越來越多，給汽車外觀增加現代感的同時，也為更多人所熟悉，并引領當今汽車燈具發展的潮流和方向。LED與傳統光源相比它具有壽命長、體積小、能耗低、響應快等優點。目前限制LED應用于汽車大系統的主要因素有:單粒LED的光效和光通量、系統的光效[2]。而LED燈具的散熱正是嚴重影響汽車前大燈系統壽命與可靠性的關鍵因素。

針對上述，基于Flow Simulation的LED汽車大燈散熱仿真分析將為解決汽車大燈散熱問題提供參考。

2 LED汽車大燈結構與工作原理

圖1 LED汽車大燈結構簡圖

LED汽車大燈的機械結構如圖1所示。LED汽車大燈一般由近光燈、遠光燈、前位燈、轉向信號燈及晝間行駛燈等組成。近光燈用于照明車輛前方道路，對來車駕駛員和其他道路使用者不造成眩目，或產生不舒適感的燈具；遠光燈用于照明車輛前方遠距離道路的燈具；前位燈用于從車輛前方觀察，表明車輛存在和寬度的燈；轉向信號燈用于向其他道路使用者表明車輛將向右或向左轉向的燈具；晝間行駛燈用于晝間行駛時，使得車輛更為易見的一種面向前方的燈具。

3 Flow Simulation仿真步驟

不管項目多復雜或應用領域多廣，無論是結構、熱傳導，還是聲學分析，對于不同物理性質和數學模型的問題，有限元求解的基本步驟是一樣的，只是具體公式推導和運算求解不同。

汽車大燈散熱系統的仿真主要基于三維軟件Solidworks中的Flow simulation模塊進行仿真分析。Solidworks作為一款三維設計軟件，無縫嵌入了Flow simulation模塊，這款軟件操作流程簡便，易于使用。在進行網格劃分時，系統會根據給定參數自動進行網格劃分，也可以自己指定區域進行特定的網格劃分。經驗表明，只要固體內部存在溫度差，熱量就會從高溫區向低溫區傳遞。燈具中主要熱量也是通過這種方式散發到空氣中。

本文以奇瑞某款汽車大燈為例來說明Flow Simulation仿真的步驟，具體遵循以下9步。

（1）模型建構

圖2 模型建構

（2）前處理設置

前處理包括設置項目名稱，設置單位系數，設置分析類型（傳導、對流、輻射等），設置默認流體，設置默認固體，設置壁面條件，設置初始溫度，設置分析精度等級等。如圖3-圖10所示。

圖3 設置項目名稱

圖4 設置單位系數

圖5 設置分析類型

圖6 設置默認流體

圖7 設置默認固體

圖8 設置壁面條件

圖9 設置初始溫度

圖10 設置分析精度等級

（3）計算域設定

計算域即模型所在參與計算的區域。此區域必須使模型完全包含其中，否則不能進行有效的計算。

如圖11所示。

圖11 計算域設定

（4）材料設定

Flow Simulation模塊本身具有自帶的材料數據庫可供選擇，當自帶數據庫不能滿足要求時，可人工添加特定的材料到數據庫，以便于后續的仿真。如圖12所示。

圖12 材料設定

（5）熱源設定

如圖13-圖14所示。

圖13 熱源設定

圖14 熱源分布

（6）輻射表面設定

圖15 輻射表面設定

（7）監控目標設定

圖16 監控目標設定

（8）運行分析

自動畫網格及進行計算。如圖17-圖19所示。

圖17 運行分析

圖18 網格劃分

圖19 計算界面

（9）結果顯示

分析結果有多種顯示方式，主要有切面圖，表面圖，等值面圖，流動跡線圖，并能夠生成分析報告等。如圖20-圖26所示。

圖20 面罩等高線圖

圖21 后殼等高線圖

圖22 遠光燈等高線圖

圖23 近光燈等高線圖

圖24 近光燈等高線圖

圖25 空氣流動軌跡圖

圖26 生成報告

結論，通過上述實例的操作步驟可知，這種汽車大燈的散熱仿真分析非常便捷，不需要設計者具有專門的熱學背景，只需要掌握相應的操作流程并清楚的知道各種材料屬性，仿真分析、優化分析就可以進行，特別適用于普通的工程設計人員。

4 總結

Flow Simulation是SolidWorks軟件無縫集成的一個流體有限元仿真分析模塊，它在工程實踐中將給工程設計人員帶來更加方便和快捷的仿真分析功能，足以輔助散熱設計。

本文通過汽車大燈散熱仿真的實例，論述了Flow Simulation的基本功能和使用方法及注意事項。在汽車大燈的散熱設計中，可以優先選擇此軟件進行仿真、分析與優化。

[1]傅劍華,李文強,周華,于紅秀.LED技術在汽車燈具中的應用[J].照明工程學報,2010,03.

[2]彭勝欽,莫新明.LED汽車燈具設計技術研究[J].科技創新導報,2010,14.

[3]《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定》GB4785-2007.

[4]陳永當,任慧娟,武欣竹.基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法[J].CAD/CAM與制造業信息化,2011,09.

[5]馬慶芳,方榮生.實用熱物理性質手冊[M].北京:中國農業機械出版社,1986(6).