周永新,辛忠華,吳海萍

(大茂偉瑞柯車燈有限公司，江蘇 常州 213022)

引言

越來越多的相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)也關(guān)注到這個(gè)問題，沈金燕等[1]提出用面積法等經(jīng)驗(yàn)公式在設(shè)計(jì)前期避免這一問題；瓦鑫[2]就陽光聚焦的嚴(yán)重性，匯總了中國(guó)道路、停車場(chǎng)的坡度、夏季的陽光輻射強(qiáng)度等自然邊界條件，證明了產(chǎn)生陽光灼燒問題的可能性。

本文旨在運(yùn)用CAE手段對(duì)陽光灼燒問題進(jìn)行定性和定量的分析，為選擇合適的材料做出充足的理論依據(jù)。同時(shí)形成光學(xué)照度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為在造型前期該潛在風(fēng)險(xiǎn)得到快速規(guī)避提供依據(jù)。

1 產(chǎn)生陽光灼燒原理和失效形式

圖1為一款成熟的汽車前照燈LED透鏡，前端的半球形光學(xué)主件一般由玻璃、亞克力或透明PC制成。如圖1所示，當(dāng)太陽光攝入透鏡前段外表面后被后方的豎直平面再次反射回前段面從而離開透鏡，整個(gè)過程中光線是不斷匯聚的，尤其是光線離開透鏡后有非常明顯的匯聚。

圖1 陽光灼燒的形成示意圖Fig.1 Diagram of sunburn conformation

當(dāng)匯聚區(qū)域沒有零件時(shí)是不會(huì)產(chǎn)生陽光灼燒現(xiàn)象的，第一是因?yàn)榭諝獾奈章屎艿?，光線不會(huì)帶來很大的溫升；第二，空氣是可流動(dòng)的，該區(qū)域的空氣被加熱后密度變小會(huì)流走，該區(qū)域迅速被冷空氣代替[3]。綜上所述，當(dāng)匯聚局域不存在零件時(shí)，燈具不會(huì)產(chǎn)生陽光灼燒問題。

但是當(dāng)燈具中的塑料零件出現(xiàn)在匯集點(diǎn)附近時(shí)，情況就大不一樣了：這些局部密集的光線會(huì)被塑料表面大量吸收使得塑料局部溫度快速上升[4]，加上塑料本身的導(dǎo)熱性很差，局部的高溫不能利用熱傳導(dǎo)進(jìn)行有效散熱，所以當(dāng)該局部溫度超出塑料件耐溫(見表1)時(shí)，便產(chǎn)生了外觀上的失效(見圖2)。

表1 燈殼材料屬性表Table 1 Thermal properties of different bezel material types

圖2 陽光灼燒的失效形式Fig.2 Sunburn failure on plastic surface

2 CAE熱仿真可靠性驗(yàn)證

在利用有限元仿真手段進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)前，需要對(duì)該有限元方法的可行度進(jìn)行實(shí)際測(cè)試對(duì)比，從而驗(yàn)證該CAE分析方法的可靠性。本次測(cè)試的案例為一款已量產(chǎn)的透鏡單元，在設(shè)計(jì)階段預(yù)言出改透鏡單元會(huì)在擋板的下邊緣處產(chǎn)生聚焦風(fēng)險(xiǎn)，因此加大了該擋板的面積，阻止聚焦點(diǎn)坐落在其他零部件上。

在本次的實(shí)際測(cè)試中為晴朗無云的天氣情況，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境溫度為12 ℃，陽光輻射強(qiáng)度為538 W/m2。測(cè)試中燈具始終安裝在治具中保持燈具裝車狀態(tài)(見圖3)，實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)裝車治具的水平與豎直的轉(zhuǎn)動(dòng)，來模擬陽光的不同入射角度。

計(jì)算得到S1=71 m；S2=26 m，S3=68 m。邊坡段落為K1+160—K1+310，其走向長(zhǎng)度為150 m，綜合計(jì)算的到該邊坡滑動(dòng)影響土地面積為37 234 m2，合計(jì)3.73 hm2，當(dāng)?shù)孛慨€征地費(fèi)用為13.175萬元，計(jì)算得到土地資源價(jià)值為737.8萬元。

圖3 陽光灼燒的溫度測(cè)試Fig.3 Real thermal test for sunburn

本次實(shí)驗(yàn)中的溫度測(cè)試點(diǎn)如圖4所示，布置在擋板的背面，從左往右依次編號(hào)為1～4。測(cè)試使用的熱電偶為K型熱電偶，為燈具熱測(cè)試中行業(yè)里最普遍的溫度傳感器，為了避免強(qiáng)光對(duì)K型熱電偶的影響，布置位置為擋板的背光面[5]。

圖4 溫度測(cè)試點(diǎn)的布置位置Fig.4 Positions of temperature test points

在測(cè)試過程中，通過燈具后方遠(yuǎn)光后蓋處觀測(cè)并調(diào)節(jié)聚焦點(diǎn)位置，使得聚焦光斑點(diǎn)坐落在溫度傳感器附近，經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)后記錄溫度測(cè)試結(jié)果(見表2)及相應(yīng)的調(diào)整角度。

表2 測(cè)試點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果Table 2 Temperature test results of all test points

根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行溫度仿真得出該處的確會(huì)有陽光匯聚現(xiàn)象。溫度模擬結(jié)果為312 ℃(見圖5)，實(shí)際測(cè)試溫度最高值為277 ℃，溫度模擬值高出了35 ℃，產(chǎn)生該差異的原因有以下兩點(diǎn)：

圖5 透鏡擋板的溫度仿真結(jié)果Fig.5 Simulated temperature distribution on the PES shutter tested

1)溫度傳感器布置在陽光匯聚平面的背面，零件厚度為2 mm，即測(cè)試點(diǎn)距離聚焦區(qū)域至少有2 mm的距離；

2)由于塑料的低導(dǎo)熱性能為0.2 W/mK，溫度在匯聚局域產(chǎn)生很大的溫度梯度，測(cè)試點(diǎn)偏離最高溫度一些就會(huì)導(dǎo)致很大的溫度差異。

由于上述兩點(diǎn)測(cè)試的局限性，溫度模擬值比實(shí)際測(cè)試值高是合理的，加上溫度模擬云圖中較大溫度梯度的分布，溫差在20～30 ℃也是合理的。因此通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出本文中的溫度模擬方法是可信的，可以很好的預(yù)言新項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段該問題點(diǎn)的優(yōu)化。

3 汽車燈具設(shè)計(jì)階段運(yùn)用有限元方法發(fā)現(xiàn)陽光灼燒隱患

在進(jìn)行熱學(xué)計(jì)算前，首先運(yùn)用光學(xué)軟件按照?qǐng)D示的角度定義(見圖6)對(duì)入射陽光所有的可能角度進(jìn)行掃略模擬，得到零件上照度最大時(shí)入射陽光的角度。

圖6 陽光入射角度α與β的定義Fig.6 The definition of sunlight incident angle α and β

該燈具設(shè)計(jì)案例陽光入射角度矩陣結(jié)果見表3。

表3 不同角度的入射光線匯聚在零件表面的照度值Table 3 The different illuminance values on bezel surface by different incident angles klx

從光學(xué)模擬結(jié)果得出，陽光匯聚最嚴(yán)重的角度為α=40°，β=40°，該方向的光線匯聚如圖7所示，此角度下光線很明顯在零件表面上匯聚成為光斑，該處的照度為1 860 klx?，F(xiàn)已得到陽光匯聚最嚴(yán)重時(shí)的位置及入射光線，但是要判定該匯聚產(chǎn)生的溫度能否被使用材料承受，則需要進(jìn)一步的更精確的計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析。制作的相應(yīng)有限元網(wǎng)格模型，光學(xué)零件的網(wǎng)格加密是為了更好地勾勒出光學(xué)曲面對(duì)入射光線的影響。同時(shí)可能發(fā)生陽光灼燒的區(qū)域也要進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，增加溫度模擬結(jié)果的可信度[6]。

本次分析用到的是西門子高級(jí)熱流求解器(NX TMG)，其高級(jí)輻射工具可以全面模擬輻射熱傳遞過程，系統(tǒng)提供了模擬各種輻射效應(yīng)的能力，如：多腔體、定向反射面和發(fā)射面、太陽或高溫?zé)嵩?、軌道熱、鉸接系統(tǒng)，和與溫度相關(guān)的輻射率。輻射交換的求解是基于Radiosity算法，采用Hemicube和Ray-tracing組合技術(shù)計(jì)算直接角系數(shù)[7]。

在TMG中設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)如材料密度、比熱容和導(dǎo)熱率，各表面也根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的反射率、折射率和透射率。整個(gè)環(huán)境溫度設(shè)置為70 ℃，陽光輻射強(qiáng)度為1 200 W/m2，入射方向定義為α=40°，β=40°。得到仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 陽光灼燒的模擬結(jié)果,(a)為光學(xué)模擬結(jié)果，(b)為TMG溫度求解結(jié)果Fig.7 The simulation results of sunburn phenomenon, (a) shows the optic simulation result, (b) shows the temperature simulation result

TMG仿真出的高溫區(qū)域與光學(xué)匯聚光斑位置一致，說明模擬結(jié)果有較高的可行度。高溫溫度數(shù)值結(jié)果高達(dá)204.0 ℃，是一個(gè)典型的陽光灼燒問題。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述的模擬結(jié)果為204.0 ℃，即使選用昂貴的耐高溫級(jí)別的PC也是失效的。要想從根本上解決這一問題，只有讓零件表面遠(yuǎn)離匯聚區(qū)域。我們從圖1看出，光線的匯聚區(qū)域在零件的上方，所以我們將零件表面定義往遠(yuǎn)離透鏡方向偏移5 mm。

重新光學(xué)掃略得到匯聚最明顯的角度仍然為α=40°，β=40°，但是照度值變?yōu)? 250 klx。經(jīng)過再次有限元計(jì)算后溫度結(jié)果如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)果，(a)為光學(xué)模擬結(jié)果，(b)為溫度模擬結(jié)果Fig.8 Optimized simulation results, (a) shows the optic simulation result, (b) shows the temperature simulation result

零件優(yōu)化后的溫度模擬結(jié)果為155.7 ℃，下降了48.3 ℃，溫度降幅這么大也說明陽光聚焦區(qū)域?qū)嚯x的敏感性。根據(jù)優(yōu)化后的模擬溫度，材料選型上可以選擇中等級(jí)別的耐高溫PC，在價(jià)格和性能上都得到了很好的均衡。

5 流程優(yōu)化

上述的有限元分析方法已經(jīng)能很好地在設(shè)計(jì)階段預(yù)言陽光灼燒的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)[8]，并且可以精確量化匯聚產(chǎn)生的溫度值，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了很大的便利和理論依據(jù)。

但是在項(xiàng)目造型階段，項(xiàng)目時(shí)間是非常寶貴的，可能有多種造型同時(shí)進(jìn)行，挨個(gè)分析將占用大量CAE資源，對(duì)有限的CAE資源將是很大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)有項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用TMG與光學(xué)軟件生成了對(duì)應(yīng)這兩個(gè)軟件的溫度與照度值的匹配關(guān)系如圖9所示。

圖9 陽光灼燒處照度值與溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Fig.9 The relationship between illuminance and temperature when sunburn happened

設(shè)計(jì)人員在造型階段可以通過該圖表快速對(duì)陽光灼燒的問題點(diǎn)進(jìn)行判斷并選取合適的材料型號(hào)，到了造型后期可以運(yùn)用上述CAE技術(shù)進(jìn)行更精確的分析。這樣的工作流程不但提高與客戶造型的溝通效率，并且非常合理地利用有限的CAE資源。

6 結(jié)論

本文介紹了如今大量透鏡應(yīng)用的背景下，一種汽車前照燈潛在的市場(chǎng)失效形式，并從陽光灼燒形成機(jī)理和規(guī)避方法上做了相應(yīng)介紹。同時(shí)運(yùn)用有限元計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

1)在燈具設(shè)計(jì)階段，找到一種可以準(zhǔn)確預(yù)言陽光灼燒位置的模擬方法。

2)在設(shè)計(jì)優(yōu)化中，CAE模擬能夠很好的體現(xiàn)關(guān)鍵距離對(duì)匯聚的影響，模擬出的零件溫度值可以直接指導(dǎo)零件材料選型。

3)通過大數(shù)據(jù)積累形成照度值與陽光匯聚產(chǎn)生溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，很大的提升工作效率。