汽車近光模組熱力光耦合仿真分析

史 強，尹麗偉，李 茹

(常州星宇車燈股份有限公司,江蘇 常州 213022)

引言

隨著汽車發展水平的不斷提高，汽車變得越來越科技化、智能化。汽車燈具在滿足日常照明需求的同時，功能也變得越來越豐富、智能，如：LED動態車燈、激光車燈、感應式車燈等。LED式燈具在市場中的份額在逐漸增大，逐漸替代了傳統的鹵素燈泡式車燈，LED車燈有著高亮度、壽命長、智能化等優點。

LED車燈中最重要的模塊為遠、近光LED模組，LED模組主要由PCB電路板、擋板、透鏡、透鏡支架、反射鏡、散熱器等部件構成。LED點亮后發出光線，產生熱量，熱量通過PCB電路板和散熱器排放到空氣中，光線則經過反射鏡反射作用，穿過透明透鏡發生折射，沿著水平方向照射到遠方的路面上。LED產生的熱量經過熱傳導和熱輻射的方式傳遞到整個近光模組上，零部件受到熱量的影響，材料會產生熱膨脹變形，微小的變形量會對光線的光型分布產生巨大的影響，這會導致實際近光截止線偏離設計時的位置[1]。

本文為了研究熱-力耦合場[2]對光線截止線分布的影響情況，采用有限元仿真方法對近光截止線偏移現象進行仿真分析，并且根據近光截止線偏移試驗測試結果，對比分析了仿真模擬的精度，根據仿真分析結果對近光模組的結構提出合理的建議，為燈具前期設計分析提供了參考依據。

1 熱力光耦合分析原理

1.1 熱學分析原理及基本方程

熱量仿真分析主要基于連續性方程、動量方程、能量方程[3]配合輻射物理模型、流動物理模型等進行求解：

連續性方程：

(1)

式中：ρ表示密度，u、v、w表示三個方向的分速度。

動量方程：

(2)

(3)

(4)

式中：ρ表示密度，u、v、w表示三個方向的分速度，F表示單位質量上的質量力，p表示對稱應力張量。

能量方程：

(5)

式中：keff為有效導熱率，ρ表示密度。

為了分析LED光線對零部件的輻射加熱，采用DO輻射模型[4]求解分析燈具內部的輻射傳熱[5]過程，輻射傳播方程如下：

(6)

式中：λ為輻射波長，αλ表示光譜吸收系數。

熱-力[6]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，以增量步長開始時刻t的構形為參考構形，則增量步長末t+Δt時刻的平衡方程為：

(7)

式中，σ為t時刻的第二Piola-Kirchhoff應力，εG為t時刻的Green應變，q為體積力，V、Vt分別為變形體在增量步長開始、結束時的體積，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方程中，用柯西應力導數表示的應力速率為：

σ=L(T)[D-Dp(T)-αTI]

(8)

式中，D為總應變率張量，Dp為塑性應變率張量，L為彈性本構張量，T為溫度，α為熱膨脹系數。

1.2 光線傳播原理

光[7]在同種介質中以直線的方式傳播，當光線經過兩種不同的介質時候會發生反射和折射現象，光的傳播路徑可以通過費馬原理來確定。

費馬原理提出經過空間中兩個固定點的光，實際行走的路徑總是光程最短。后來在費馬原理的基礎上引申出來光的幾何原理，光線在真空中以直線的方式傳播[8]。光線如果在截面上發生反射，則反射角必須等于入射角。如圖1所示，光線如果經過兩種透鏡的介質會發生折射現象，折射光線位于入射光線和界面法線所決定的平面內，入射角θ1和折射角θ2的正弦比值為一個常數能n21。

圖1 光線傳播路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of light propagation path

2 近光模組截止線熱力光耦合分析

2.1 幾何建模

建模時保留零部件大部分的幾何特征，簡化小的圓角、花紋等不影響結果的特征結構。螺釘孔、卡扣等連接結構、反射鏡內部的光學面、透鏡表面的微結構、LED元器件的真實發光表面形狀特征等都需要保留。

在透鏡模組四周建立空氣域，空氣域+X方向距離約為模組中心到前方燈罩的距離，-X方向距離約為模組中心到后方殼體的距離，±Z方向距離約為殼體的上下空間大小，±Y方向距離參考模組到左右部件的距離，如圖2所示。

圖2 近光模組幾何模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of geometric model of low beam module

2.2 熱量模擬

本文采用Fluent軟件對模組點燈過程中，各零部件的熱量場[9]分布進行仿真分析。Fluent求解較為復雜的輻射傳熱問題時，具有計算精度高、求解速度快等優點。

在熱量模擬前處理時，為了控制網格的數量，可以簡化掉例如側花、皮紋、小的圓角等特征。為了保證熱量求解的精度，對于一些尺寸特征較小、對熱較敏感的零部件，例如LED顆粒、截止線擋片、透鏡等采用網格加密處理。熱量前處理結束后，固體零部件加上流體空氣總網格數量控制在300萬左右。

Fluent熱量模擬時，選用DO輻射模型模擬點燈過程中的輻射能量分布情況，由于點燈導致環境溫度升高，空氣密度受到溫度的影響產生變化，高溫氣流往上流動，冷卻氣流往下流動，故選用自然對流層流模型來模擬氣流的流動過程。從LED發射出的光線中往往帶有很高的能量，熱量模擬的時候需要考慮光線中能量對零部件溫度的影響情況，Fluent中設置LED發光面為輻射源，定義輻射強度和發光角度的函數關系，并定義輻射通量。

如圖3所示為高溫點燈后，近光模組單個零部件溫度分布云圖。熱量從LED中心逐漸向四周傳遞，由于透鏡固定在支架上，距離熱源較遠，故透鏡前表面溫度較低；反射鏡安裝在PCB板上，故安裝點的溫度較高；支架通過螺釘安裝在散熱器上，由于散熱器溫度較高，故支架安裝點處溫度較高。

圖3 近光模組單個零部件溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram of single part of low beam module

為了保證熱量模擬的精確性，對近光模組高溫點燈過程進行溫度測試。如圖4所示，根據熱量模擬的結果，采用K形熱電偶對高溫點進行布點，在高溫點附近可以布置1～2個熱電偶。由于熱電偶對光線較為敏感，布點的時候應避免熱電偶被光線照射。布點完畢后將模組安裝在工裝上放入烘箱中，觀察到熱電偶的數值和測試時間曲線保持平穩時，記錄熱電偶的溫度數值。

圖4 近光模組溫度測試布點圖Fig.4 Distribution diagram of low beam module temperature test

如表1所示，將零部件溫度測試數值和模擬數值進行誤差比對。從誤差分析來看，測試數值和模擬數值的誤差率在10%以下。

表1 測試溫度和模擬溫度誤差分析表Table 1 Error analysis table of test temperature and simulated temperature

2.3 熱力耦合場分析

本文采用NX NASTRAN軟件仿真分析近光模組點燈過程中，模組整體及各零部件的變形情況。NASTRAN軟件求解結構模態、振動、線性問題及非線性問題時，具有材料庫齊全、求解精度高、收斂性好等優點。

采用ANSA前處理軟件對模組各零部件之間進行約束連接，零部件之間采用螺栓、鉚接、涂膠等方式連接時，采用共節點或者1D蛛網剛性連接方式建立約束方式。零部件之間采用插銷、擋筋等限位方式連接時，采用摩擦接觸約束方式處理。零部件之間采用卡扣等卡接方式連接時，采用RBE3柔性約束方式處理。

圖5 零部件約束連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of component constraint connection

在NASTRAN中定義各個零部件的材料屬性，如密度、楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數。材料的楊氏模量隨著其溫度的升高呈逐漸下降的趨勢，因此定義材料的楊氏模量時需要定義楊氏模量關于溫度的函數關系式。材料的熱膨脹系數在某個區間內部為一常數。如果溫度的數值超過該區間，需要定義熱膨脹系數關于溫度的函數關系式。

將Fluent模擬出的各零部件溫度數值導出至文本文件中，在NASTRAN中創建溫度載荷集，導入Fluent生成的溫度文本文件，即可將每個節點對應的溫度數值以邊界載荷的形式映射到力學求解模型上，圖6為整個模組的溫度載荷示意圖。

圖6 近光模組溫度載荷示意圖Fig.6 Schematic diagram of low beam module temperature load

模組整體的約束方式按照實際試驗的狀態進行設置，考慮重力作用，模擬時候加入重力方向。圖7為模組整體變形云圖，從圖7中可以看出，散熱器為金屬件抗熱變形能力較強，故其變形量較小。支架由于和高溫散熱器接觸，接觸腳溫度較高，受到溫度和鎖付方式的影響，支架帶著透鏡往上方和前方變形，整體呈逆時針翻轉趨勢。從云圖可以看出，反射鏡后方通過兩顆鎖釘和散熱器鎖付在一起，變形量很小，當反射鏡溫度升高，由于反射鏡前方為自由狀態故反射鏡也會往上前方變形。

圖7 近光模組各零部件變形示意圖Fig.7 Schematic diagram of deformation of parts and components of low beam module

2.4 光型分析

近光模組受熱產生變形后，對照射在遠處路面上的截止線光型有很大的影響。采用Lucid Shape軟件模擬分析高溫點燈至穩定狀態后，近光截止線光型的分布情況。

圖8為近光截止線下跌試驗測試圖。圖8(a)為常溫點亮后，遠處10 m屏幕上的截止線位置分布圖，光線從上往下分為紫色光帶、藍色光帶，標記紫色光帶上沿初始位置如綠色線。

將近光模組放入高溫烘箱點至穩定狀態后，立刻標記光線的位置，如圖8(b)所示，紅色線為紫色光帶上沿試驗后的位置，可見紫色光帶在遠方10 m屏幕上下跌了56 mm，截止線在高溫狀態下也變得模糊、虛化。

圖8 截止線偏移試驗測試圖Fig.8 Test diagram of cut-off line offset test

通過NASTRAN軟件分析得到，近光模組高溫點燈至穩定狀態，模組整體的變形量。通過NASTRAN將反射鏡、擋光鐵片、透鏡變形后的結果輸出，在ANSA中將變形網格面進行實體化處理，再輸出實體面數據給光學軟件Lucid Shape進行光型模擬。

圖9分別為常溫點燈狀態和高溫點燈狀態，近光截止線在遠處10 m屏幕上的光型模擬分布圖。常溫點亮時，截止線水平段在10 m遠處屏幕上位于0.1°處；高溫點亮后，截止線水平段在10 m遠處屏幕上位于-0.2°。前后對比分析得，高溫點燈狀態下，近光截止線在遠處10 m屏幕上下跌了0.3°，下跌距離為52 mm，模擬結果和試驗測試結果誤差為7%。

圖9 截止線偏移模擬分析圖Fig.9 Simulation analysis diagram of cut-off line offset

由上述模擬和試驗結果看出，高溫引起部件變形導致截止線出現偏移現象。通過熱力耦合仿真模擬得到部件的變形結果，根據零部件變形結果可以模擬出截止線跌落的現象。

在燈具設計初期，通過熱力耦合模擬方法對比分析燈具點亮前后的光型結果，可對模型結構進行優化設計。

3 結論與后期展望

隨著汽車燈具的不斷發展，設計出一款功能豐富、質量優益的燈具已經越來越受到廣大消費者、汽車生產廠商的重視。本文以某款車型的前照燈模組為研究對象，建立模組熱力耦合有限元模型，采用有限元仿真的方法模擬出了截止線光型的偏移現象，熱量模擬誤差為10%以下。通過采用變形后面數據進行光型分析得出，高溫點燈狀態下，近光截止線在遠處10 m屏幕上下跌了0.3°，下跌距離為52 mm。由截止線偏移試驗得出，燈具點亮至穩定狀態后，截止線在遠處10 m屏幕上跌落了56 mm，對比試驗測試結果，仿真分析的誤差為7.1%左右，故熱-力耦合仿真分析得到的燈具部件變形數據正確合理。在燈具前期設計階段可以通過熱力耦合仿真的手段，優化燈具設計結構，縮短開發周期，降低開發成本。

燈具熱力耦合仿真分析是一個很復雜的工程問題，該問題涉及光學、熱學、力學、材料學等多個學科領域，本文僅僅研究了其中的一部分，后期仍然有很多問題需要去研究探討，如：材料內部的殘余應力釋放、材料的蠕變效應、熱應力的實驗測試等。