汽車前霧燈明暗截止線熱力耦合分析

王翔，孫小峰

(常州星宇車燈股份有限公司, 江蘇常州 213022)

汽車前霧燈明暗截止線熱力耦合分析

王翔，孫小峰

(常州星宇車燈股份有限公司, 江蘇常州 213022)

汽車前霧燈點(diǎn)亮后，由于不同材料熱膨脹系數(shù)不同燈具會(huì)產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致明暗截止線發(fā)生偏移。為了研究熱變形對(duì)明暗截止線的影響，以某款汽車前霧燈為研究對(duì)象，采用有限元仿真的方式對(duì)明暗截止線的偏移進(jìn)行了分析計(jì)算；然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測試了明暗截止線的偏移，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果精度，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)減小明暗截止線偏移提出改進(jìn)建議，為燈具前期設(shè)計(jì)分析提供一定的參考。

熱力耦合；汽車燈具；有限元；明暗截止線偏移

0　引言

明暗截止線是指汽車前部燈具燈光投影在屏幕上的明暗分界線。如果它的高度太高會(huì)使對(duì)面的來車或行人感到炫目，太低則照得太近，使駕駛員無法看清車前視野。因此，明暗截止線高度的穩(wěn)定性對(duì)于行車安全和駕駛體驗(yàn)都非常重要[1]。

燈具在點(diǎn)亮?xí)r其光源會(huì)產(chǎn)生熱量傳遞到其他部件，由于溫度分布不均及熱膨脹系數(shù)的不同，各部件將會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。這將會(huì)導(dǎo)致明暗截止線偏離其起初位置。市場上主流汽車制造商基本都在其法規(guī)中對(duì)明暗截止線經(jīng)過溫度或振動(dòng)試驗(yàn)后的偏移量作了量化規(guī)定[2]。

文中以某車型前霧燈為研究對(duì)象，對(duì)明暗截止線偏移進(jìn)行了熱力耦合分析，并通過明暗截止線偏移測試試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬分析結(jié)果。通過這種熱學(xué)和力學(xué)耦合模擬分析的手段，可以在沒有試驗(yàn)樣件的設(shè)計(jì)開發(fā)階段進(jìn)行明暗截止線偏移風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估的可行性，也可以依據(jù)其分析結(jié)果給出設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

1　熱力耦合分析原理及仿真模型

1.1熱學(xué)計(jì)算原理

熱學(xué)仿真分析。基于能量守恒定律和傅里葉定律建立的三維微分方程為[3]：

(1)

式中：λ為導(dǎo)熱率；ρ為密度；c為比熱容；qv為內(nèi)熱源強(qiáng)度。

經(jīng)過離散化處理，得到溫度計(jì)算的有限元基本公式：

(2)

C= ∫VρcNNTdV

KT=∫VkBBTdV

1.2熱力耦合彈塑性有限元方程

在有限變形下，采用更新的拉格朗日法，以增量步長開始時(shí)刻t的構(gòu)形為參考構(gòu)形，則增量步長t+Δt時(shí)刻的平衡方程為[4]：

∫VtσδεGdVt=∫VqδudV+∫ApδudA

(3)

式中：σ為t時(shí)刻的第二Piola-Kirchhoff應(yīng)力;εG為t時(shí)刻的Green應(yīng)變；q為體積力；V、Vt分別為變形體在增量步長開始、結(jié)束時(shí)的體積；p為表面力；δu為虛位移；A為變形體的表面積。

在有限變形彈塑性本構(gòu)方程中，用柯西應(yīng)力的Jaumann導(dǎo)數(shù)表示的應(yīng)力速率為：

(4)

使用有限元法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需將平衡方程離散化為一個(gè)關(guān)于節(jié)點(diǎn)位移增量的非線性方程組，再利用Newton-Raphson法使這些方程線性化：

KΔu=Fa-Fnr

(5)

K=∫VBTDBdV

Fnr=∫VBTσdV

式中：K為切向剛度矩陣，Δu為節(jié)點(diǎn)的位移增量；Fa為等效外載荷；Fnr為Newton-Raphson失衡力。

2　明暗截止線熱力耦合分析

2.1幾何模型

以某前霧燈為仿真對(duì)象，利用有限元仿真軟件NX Nastran對(duì)其進(jìn)行明暗截止線熱力耦合分析，計(jì)算前霧燈在熱力載荷共同作用下明暗截止線的偏移距離。燈具結(jié)構(gòu)主要由殼體、調(diào)光元器件、反射鏡、飾圈及燈罩組成，各零部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2熱學(xué)模擬

利用有限元分析軟件Fluent建立熱學(xué)仿真模型。

在建模前處理過程中，為了便于劃分網(wǎng)格和提升網(wǎng)格質(zhì)量，需要對(duì)各部件進(jìn)行簡化處理，主要包括去圓角、抹平配光面及去除細(xì)微結(jié)構(gòu)特征并將燈絲簡化為圓柱體代替原先螺旋結(jié)構(gòu)。

根據(jù)部件實(shí)際尺寸確定網(wǎng)格尺寸，視分析重要程度選擇關(guān)鍵區(qū)域加密網(wǎng)格，如燈泡、配光面等熱敏感區(qū)域。劃分完網(wǎng)格后前霧燈及其內(nèi)部空氣域整體的網(wǎng)格數(shù)量在100萬左右。

在完成輻射模型、材料參數(shù)、邊界條件及求解器設(shè)置之后，求解得到的燈具各部件溫度分布如圖2—5所示。

為了驗(yàn)證熱學(xué)模擬分析的準(zhǔn)確性，對(duì)這款前霧燈在其關(guān)鍵區(qū)域排布熱電偶，依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)亮燈具，并在溫度穩(wěn)定后進(jìn)行溫度測試。布點(diǎn)位置如圖6所示，溫度測試試驗(yàn)熱電偶布置如圖7所示。

測試各點(diǎn)溫度與模擬誤差如表1所示：

由表1可以看出：前霧燈各部件測點(diǎn)模擬溫度與實(shí)測溫度對(duì)比的誤差均控制在10%以內(nèi)。

“主動(dòng)性”反映的是人投入的力度，歷史經(jīng)驗(yàn)證明：越主動(dòng)的學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的關(guān)注與投入程度越大。主動(dòng)學(xué)習(xí)有別于被動(dòng)接受最大的不同是不懼怕困難（甚至將戰(zhàn)勝困難當(dāng)作樂趣），愿意接受挑戰(zhàn)，能花更多的時(shí)間和精力去接受、認(rèn)知未知事物和知識(shí)。因此，主動(dòng)學(xué)習(xí)就像性能良好的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，帶來的是持續(xù)不斷的學(xué)習(xí)動(dòng)力，這也是所有教學(xué)的最大成果。因此，想提高教學(xué)質(zhì)量、形成有效教學(xué)，提高“主動(dòng)性”是關(guān)鍵。

2.3NX Nastran熱力耦合模擬

熱力耦合模擬分析通過NX 9.0的高級(jí)仿真模塊進(jìn)行。

在模型前處理過程中，與FLUENT熱模擬類似，需要進(jìn)行模型簡化。材料參數(shù)設(shè)置除常規(guī)的力學(xué)材料參數(shù)外，明暗截止線熱力耦合分析需要設(shè)置熱膨脹系數(shù)。

考慮建模的效率和精確性，網(wǎng)格劃分采用四面體十節(jié)點(diǎn)單元。依據(jù)車燈內(nèi)部部件連接方式的不同，在力學(xué)模型中采取與之適合的連接方式。

模型載荷主要為重力和溫度載荷。FLUENT計(jì)算的熱量結(jié)果導(dǎo)入到NX Nastran，溫度載荷在NX Nastran中如圖8所示。

邊界條件的固定方式依據(jù)前霧燈模擬實(shí)際裝車環(huán)境確定。經(jīng)計(jì)算得到的明暗截止線偏移結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出：由熱力耦合仿真分析得到的明暗截止線偏移結(jié)果是14.01 mm。將燈具在暗室點(diǎn)亮，記錄明暗截止線偏移情況。圖10為試驗(yàn)前后明暗截止線在屏幕上的投影線。可以看出：點(diǎn)亮穩(wěn)定后明暗截止線偏移了12 mm。

由上述分析及試驗(yàn)可以看出：汽車前霧燈各部件因材料熱膨脹引起的變形對(duì)明暗截止線的偏移影響較為顯著。燈具設(shè)計(jì)開發(fā)階段需要關(guān)注熱變形對(duì)明暗截止線偏移的風(fēng)險(xiǎn)，可以采取以下措施確保其偏移值在相關(guān)法規(guī)規(guī)定范圍之內(nèi)：

(2)在燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，考慮燈具受力薄弱部位，預(yù)留加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以抵抗其受熱變形；

(3)在燈具裝配工藝上(如涂膠)，在條件允許的情況采用冷膠，以防止其受熱熔化變形。

3　結(jié)束語

在汽車市場競爭日益激烈的今天，汽車燈具質(zhì)量的穩(wěn)定已經(jīng)越來越受到消費(fèi)者的重視。文中以某車型前霧燈為研究對(duì)象，建立熱力耦合仿真模型，對(duì)其因材料熱變形導(dǎo)致的明暗截止線偏移進(jìn)行數(shù)值模擬，用有限元分析的手段驗(yàn)證了明暗截止線偏移數(shù)值模擬的可行性，并且經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了分析精度。分析及試驗(yàn)結(jié)果表明：燈具因材料熱膨脹引起的變形對(duì)明暗截止線偏移的影響顯著。

但是，關(guān)于車燈明暗截止線的熱力耦合仿真分析是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的工程，它涉及力學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)等多學(xué)科交叉，有許多值得深入探討研究的問題，包括關(guān)鍵材料參數(shù)的確定、蠕變效應(yīng)、明暗截止線在不同工況下的偏移及其偏移值在實(shí)際試驗(yàn)中的精確測量等，這些都是下一步研究的重點(diǎn)。

【1】鄭志軍,胡永亮.汽車前照燈明暗截止線偏移問題探討[J].照明工程學(xué)報(bào),2012(2):108-111.

【2】GB4785-2007汽車及掛車外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定[S].

【3】陶文銓,李永堂.工程熱力學(xué)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2001.

【4】Hu Z,Zhu L H,Wang B Y,et al.Computer Simulation of the Deep Extrusion of a Thin-walled Cup Using the Thermo-Mechanically Coupled Elasto-Plastic FEM[J].Journal of Materials Processing Technology,2000,102(5):128-137.

Cut-off Line Movement Thermal-mechanical Coupling Analysis of Front Fog Lamp

WANG Xiang, SUN Xiaofeng

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting System Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213022,China)

Because of different thermal expansion rate of different materials, the front fog lamp produce deformation when the lamp under working condition. In order to further study the influence of the deformation to the cut-off line movement, the finite element thermal-mechanical coupling model of the lamp was set up. By using the model, the offset of the cut-off line movement was analyzed and calculated. Also the lamp was lighted based on regulations to verify the correctness of the simulation analysis result. And based on the result, opinions about the cut-off line movement reducing was given, which provided certain reference for structure design of lamp.

Thermal-mechanical coupling; Lamp; FEM; Cut-off line movement

2015-05-28

王翔(1987—)，男，碩士，研究方向?yàn)橛邢拊治鲇?jì)算、燈具振動(dòng)理論及試驗(yàn)。E-mail:shaoying@xyl.cn。