汽車ARHUD整車熱仿真分析

張淑芳，賽影輝，米德旺，胡甜甜，胡皓月，陳 羽

（蕪湖汽車前瞻技術(shù)研究院有限公司技術(shù)開發(fā)部，安徽 蕪湖241000）

1 概述

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡慕煌üぞ?，隨之而來的交通安全問題越來越引起人們的注意，交通事故已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)人民生命財(cái)產(chǎn)的第一殺手。因此，汽車安全成為未來汽車發(fā)展的一個(gè)主要方向。ARHUD［1］一種汽車輔助視覺安全駕駛系統(tǒng)，此系統(tǒng)是將駕駛員駕駛時(shí)需要的一些重要信息通過此ARHUD的光路投射到汽車前風(fēng)窗玻璃上，顯示信息與周圍的實(shí)景融合，融合實(shí)景的光線經(jīng)過前風(fēng)擋玻璃的反射后射入駕駛員眼睛，使駕駛員看到與實(shí)景融合的虛像。從而實(shí)現(xiàn)駕駛員不用低頭看儀表即可感知各種路況信息，來實(shí)現(xiàn)安全駕駛。為了更優(yōu)實(shí)現(xiàn)ARHUD的功能和性能，ARHUD在設(shè)計(jì)開發(fā)初期需對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行可行性分析，例如布置的可行性、性能參數(shù)的可行性、光學(xué)路徑的可行性分析等。其中ARHUD的光害和散熱［2］是可行性分析的關(guān)鍵考察項(xiàng)之一，此項(xiàng)關(guān)系到ARHUD性能和功能能否正常工作的關(guān)鍵依據(jù)，因此在設(shè)計(jì)之初要對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行熱仿真分析，用此來考察設(shè)計(jì)的方案是否滿足散熱需求。本文通過對(duì)特定的環(huán)境溫度、不同光照度、各種發(fā)熱件的熱場(chǎng)及各件的耐熱的分析，來考察設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性，從而提出最優(yōu)的散熱設(shè)計(jì)方案。

2 ARHUD整車熱仿真條件輸入

如要做出ARHUD整車熱仿真就需要明確在熱仿真之前要做哪些準(zhǔn)備工作，需要哪些輸入條件。根據(jù)ARHUD整車熱仿真需求整理如下輸入：整車的工況、ARHUD的關(guān)鍵件及耐溫件的材料類型、發(fā)熱元器件工作溫度、整車環(huán)境溫度、散熱部件散熱方式、ARHUD的整體結(jié)構(gòu)和詳細(xì)結(jié)構(gòu)、周邊件的位置和材料等的輸入。下面對(duì)各輸入工況進(jìn)行詳細(xì)說明。

整車工況輸入是代表車子在什么狀態(tài)下開展熱仿真，因陽光下由曲面鏡的聚焦導(dǎo)致的光害的熱量比較大，因此熱仿真工況只考慮在強(qiáng)光照射下的溫度。熱仿真當(dāng)前考慮3種整車工況，見圖1：其一，輸入強(qiáng)光照射下長(zhǎng)期靜態(tài)不啟動(dòng)ARHUD未開啟工況；其二，在汽車未啟動(dòng)，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間日光照射的情況下，車主進(jìn)入車內(nèi)并立即發(fā)動(dòng)汽車的工況；其三，汽車正常行駛，車內(nèi)溫度正常，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的日光照射，IP臺(tái)溫度較高，HUD工作環(huán)境溫度較高工況。

圖1 3種整車工況

ARHUD的關(guān)鍵件及耐溫件的材料類型，關(guān)鍵件或發(fā)熱件的周邊件的耐溫等級(jí)是熱仿真要考察的關(guān)鍵輸入項(xiàng)，在熱仿真分析中就是要看最終仿真出來的熱環(huán)境是否已經(jīng)超出了關(guān)鍵或周邊件的耐溫等級(jí)，關(guān)鍵件的溫度過高會(huì)導(dǎo)致不能正常工作甚至有可能導(dǎo)致起火，因此在熱仿真之前一定要輸入關(guān)鍵零部件所用的材料及其耐溫等級(jí)。ARHUD的關(guān)鍵件有背光LED、PUG中LCD屏、光學(xué)鏡片、底座、殼體，目前的LED耐溫等級(jí)：Tj＜125℃；LCD屏耐溫等級(jí)：Tmax＜105℃；光學(xué)鏡片耐溫等級(jí)：Tmax＜120℃；底座和殼體：Tmax＜120℃，散熱材料為ADC12。

發(fā)熱元器件工作溫度輸入，在熱仿真時(shí)必須知道發(fā)熱的來源，發(fā)熱電器件的工作溫度就是熱源，因此熱源溫度必須輸入。ARHUD的熱源輸入見表1。

表1 ARHUD的熱源輸入表

整車環(huán)境溫度根據(jù)乘員艙常出現(xiàn)的溫度，主要有以下兩種環(huán)境溫度：汽車乘員艙最高溫度85℃，人體最適溫度25℃。

散熱部件散熱方式，熱仿真的結(jié)果是在各發(fā)熱部件正常工作散熱的情況下，在散熱結(jié)構(gòu)或散熱材料正常工作的情況下，仿真出來的熱仿真數(shù)據(jù)是否已經(jīng)超出了各關(guān)鍵件的正常工作溫度，因此散熱方式也是熱仿真的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，ARHUD的散熱主要有兩種方式：其一是使用一些散熱材料和設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)通過熱傳導(dǎo)的形式來被動(dòng)散熱；其二是使用散熱風(fēng)扇來主動(dòng)散熱。

ARHUD的整體結(jié)構(gòu)、詳細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸、周邊件的位置等輸入也是熱仿真的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)分析關(guān)系到熱的傳導(dǎo)和流通，體積的大小和各件的布置位置影響熱源的發(fā)散，因此需要整體結(jié)構(gòu)、詳細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸、周邊件的位置等輸入，從而達(dá)到更徹底熱仿真的目的。

3 熱仿真方法

待所有所需ARHUD整車熱仿真輸入條件都輸入完畢，ARHUD整車熱仿真使用ANSYS［4］旗下的icepak軟件進(jìn)行仿真，在開始仿真之前需要對(duì)ARHUD的包絡(luò)及關(guān)鍵件進(jìn)行建模，如圖2所示。

設(shè)置光照角度［3］及發(fā)熱件的參數(shù)值，設(shè)置入光口的系數(shù)及尺寸及光照度見圖3，鏡面反射的系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)等見圖4，繪制網(wǎng)格設(shè)置散熱路徑及設(shè)置環(huán)境溫度然后進(jìn)行計(jì)算。

圖2 ARHUD仿真建模

圖3 陽光光源輸入角度設(shè)置

4 熱仿真結(jié)果

環(huán)境溫度為25℃，太陽發(fā)散角為0.5°，太陽輻射度為1120W/m2，風(fēng)擋玻璃、防炫光面、平面半透半反膜系數(shù)按圖4設(shè)置，入光面積尺寸與設(shè)置尺寸一致，背光LED為5.5W，LCD屏散熱功率1.5W，PCB板的散熱功率為8W，計(jì)算得出的LCD屏表面的溫度分布如圖5所示。計(jì)算結(jié)果為L(zhǎng)CD表面最高溫度83.7℃，散熱器表面最高溫度55℃，LED最高溫度50.4℃，光學(xué)鏡片最高溫度48.3℃。

環(huán)境溫度為85℃時(shí)，計(jì)算得出的LCD屏表面的溫度分布如圖6所示。計(jì)算結(jié)果為L(zhǎng)CD表面最高溫度105.3℃，散熱器表面最高溫度96.7℃，LED最高溫度107℃，光學(xué)鏡片最高溫度106℃。

5 總結(jié)

ARHUD整車熱仿真會(huì)有兩種結(jié)果，其一仿真的結(jié)果滿足熱敏感件的工作溫度。這種情況無需對(duì)方案進(jìn)行改動(dòng)。其二仿真結(jié)果不符合要求，即各耐熱件的熱仿真結(jié)果是大于各件的耐溫等級(jí)的，此時(shí)各耐熱件不能正常開展工作，此時(shí)需調(diào)整設(shè)計(jì)方案。ARHUD的避免因熱不能工作的方案有兩種，一是降功率工作，根據(jù)不同件的熱敏感程度對(duì)各發(fā)熱件進(jìn)行降功率處理，保持ARHUD的環(huán)境溫度在熱敏感件的可工作溫度范圍內(nèi)，此方案的缺點(diǎn)易造成客戶滿意度下降。二是增加主動(dòng)散熱把環(huán)境溫度始終保持在熱敏感器件的合適工作溫度。

圖4 光學(xué)器件膜材設(shè)置

圖5 25℃環(huán)境溫度熱仿真結(jié)果

圖6 85℃環(huán)境溫度熱仿真結(jié)果