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)

汽車前霧燈點亮后，由于不同材料熱膨脹系數不同燈具會產生變形，從而導致明暗截止線發(fā)生偏移。為了研究熱變形對明暗截止線的影響，以某款汽車前霧燈為研究對象，采用有限元仿真的方式對明暗截止線的偏移進行了分析計算；然后根據實驗標準測試了明暗截止線的偏移，驗證了仿真分析結果精度，并依據分析結果對減小明暗截止線偏移提出改進建議，為燈具前期設計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使對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)定性對于行車安全和駕駛體驗都非常重要[1]。

燈具在點亮時其光源會產生熱量傳遞到其他部件，由于溫度分布不均及熱膨脹系數的不同，各部件將會產生不同程度的變形。這將會導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)中對明暗截止線經過溫度或振動試驗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象，對明暗截止線偏移進行了熱力耦合分析，并通過明暗截止線偏移測試試驗驗證了模擬分析結果。通過這種熱學和力學耦合模擬分析的手段，可以在沒有試驗樣件的設計開發(fā)階段進行明暗截止線偏移風險預估的可行性，也可以依據其分析結果給出設計改進方案。

1　熱力耦合分析原理及仿真模型

1.1熱學計算原理

熱學仿真分析?；谀芰渴睾愣珊透道锶~定律建立的三維微分方程為[3]：

(1)

式中：λ為導熱率；ρ為密度；c為比熱容；qv為內熱源強度。

經過離散化處理，得到溫度計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，以增量步長開始時刻t的構形為參考構形，則增量步長t+Δt時刻的平衡方程為[4]：

∫VtσδεGdVt=∫VqδudV+∫ApδudA

(3)

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，用柯西應力的Jaumann導數表示的應力速率為：

(4)

使用有限元法進行計算時，需將平衡方程離散化為一個關于節(jié)點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象，利用有限元仿真軟件NX Nastran對其進行明暗截止線熱力耦合分析，計算前霧燈在熱力載荷共同作用下明暗截止線的偏移距離。燈具結構主要由殼體、調光元器件、反射鏡、飾圈及燈罩組成，各零部件結構如圖1所示。

2.2熱學模擬

利用有限元分析軟件Fluent建立熱學仿真模型。

在建模前處理過程中，為了便于劃分網格和提升網格質量，需要對各部件進行簡化處理，主要包括去圓角、抹平配光面及去除細微結構特征并將燈絲簡化為圓柱體代替原先螺旋結構。

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

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

為了驗證熱學模擬分析的準確性，對這款前霧燈在其關鍵區(qū)域排布熱電偶，依據試驗標準點亮燈具，并在溫度穩(wěn)定后進行溫度測試。布點位置如圖6所示，溫度測試試驗熱電偶布置如圖7所示。

測試各點溫度與模擬誤差如表1所示：

由表1可以看出：前霧燈各部件測點模擬溫度與實測溫度對比的誤差均控制在10%以內。

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2.3NX Nastran熱力耦合模擬

熱力耦合模擬分析通過NX 9.0的高級仿真模塊進行。

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

考慮建模的效率和精確性，網格劃分采用四面體十節(jié)點單元。依據車燈內部部件連接方式的不同，在力學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計算的熱量結果導入到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前霧燈模擬實際裝車環(huán)境確定。經計算得到的明暗截止線偏移結果如圖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果是14.01 mm。將燈具在暗室點亮，記錄明暗截止線偏移情況。圖10為試驗前后明暗截止線在屏幕上的投影線?？梢钥闯觯狐c亮穩(wěn)定后明暗截止線偏移了12 mm。

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

(2)在燈具結構設計階段，考慮燈具受力薄弱部位，預留加強結構，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　結束語

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

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

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

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

【3】陶文銓,李永堂.工程熱力學[M].武漢:武漢理工大學出版社,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，研究方向為有限元分析計算、燈具振動理論及試驗。E-mail:shaoying@xyl.cn。