汽车前雾灯明暗截止线热力耦合分析

王翔，孙小峰

(常州星宇车灯股份有限公司, 江苏常州 213022)

汽车前雾灯明暗截止线热力耦合分析

王翔，孙小峰

(常州星宇车灯股份有限公司, 江苏常州 213022)

汽车前雾灯点亮后，由于不同材料热膨胀系数不同灯具会产生变形，从而导致明暗截止线发生偏移。为了研究热变形对明暗截止线的影响，以某款汽车前雾灯为研究对象，采用有限元仿真的方式对明暗截止线的偏移进行了分析计算；然后根据实验标准测试了明暗截止线的偏移，验证了仿真分析结果精度，并依据分析结果对减小明暗截止线偏移提出改进建议，为灯具前期设计分析提供一定的参考。

热力耦合；汽车灯具；有限元；明暗截止线偏移

0　引言

明暗截止线是指汽车前部灯具灯光投影在屏幕上的明暗分界线。如果它的高度太高会使对面的来车或行人感到炫目，太低则照得太近，使驾驶员无法看清车前视野。因此，明暗截止线高度的稳定性对于行车安全和驾驶体验都非常重要[1]。

灯具在点亮时其光源会产生热量传递到其他部件，由于温度分布不均及热膨胀系数的不同，各部件将会产生不同程度的变形。这将会导致明暗截止线偏离其起初位置。市场上主流汽车制造商基本都在其法规中对明暗截止线经过温度或振动试验后的偏移量作了量化规定[2]。

文中以某车型前雾灯为研究对象，对明暗截止线偏移进行了热力耦合分析，并通过明暗截止线偏移测试试验验证了模拟分析结果。通过这种热学和力学耦合模拟分析的手段，可以在没有试验样件的设计开发阶段进行明暗截止线偏移风险预估的可行性，也可以依据其分析结果给出设计改进方案。

1　热力耦合分析原理及仿真模型

1.1热学计算原理

热学仿真分析。基于能量守恒定律和傅里叶定律建立的三维微分方程为[3]：

(1)

式中：λ为导热率；ρ为密度；c为比热容；qv为内热源强度。

经过离散化处理，得到温度计算的有限元基本公式：

(2)

C= ∫VρcNNTdV

KT=∫VkBBTdV

1.2热力耦合弹塑性有限元方程

在有限变形下，采用更新的拉格朗日法，以增量步长开始时刻t的构形为参考构形，则增量步长t+Δt时刻的平衡方程为[4]：

∫VtσδεGdVt=∫VqδudV+∫ApδudA

(3)

式中：σ为t时刻的第二Piola-Kirchhoff应力;εG为t时刻的Green应变；q为体积力；V、Vt分别为变形体在增量步长开始、结束时的体积；p为表面力；δu为虚位移；A为变形体的表面积。

在有限变形弹塑性本构方程中，用柯西应力的Jaumann导数表示的应力速率为：

(4)

使用有限元法进行计算时，需将平衡方程离散化为一个关于节点位移增量的非线性方程组，再利用Newton-Raphson法使这些方程线性化：

KΔu=Fa-Fnr

(5)

K=∫VBTDBdV

Fnr=∫VBTσdV

式中：K为切向刚度矩阵，Δu为节点的位移增量；Fa为等效外载荷；Fnr为Newton-Raphson失衡力。

2　明暗截止线热力耦合分析

2.1几何模型

以某前雾灯为仿真对象，利用有限元仿真软件NX Nastran对其进行明暗截止线热力耦合分析，计算前雾灯在热力载荷共同作用下明暗截止线的偏移距离。灯具结构主要由壳体、调光元器件、反射镜、饰圈及灯罩组成，各零部件结构如图1所示。

2.2热学模拟

利用有限元分析软件Fluent建立热学仿真模型。

在建模前处理过程中，为了便于划分网格和提升网格质量，需要对各部件进行简化处理，主要包括去圆角、抹平配光面及去除细微结构特征并将灯丝简化为圆柱体代替原先螺旋结构。

根据部件实际尺寸确定网格尺寸，视分析重要程度选择关键区域加密网格，如灯泡、配光面等热敏感区域。划分完网格后前雾灯及其内部空气域整体的网格数量在100万左右。

在完成辐射模型、材料参数、边界条件及求解器设置之后，求解得到的灯具各部件温度分布如图2—5所示。

为了验证热学模拟分析的准确性，对这款前雾灯在其关键区域排布热电偶，依据试验标准点亮灯具，并在温度稳定后进行温度测试。布点位置如图6所示，温度测试试验热电偶布置如图7所示。

测试各点温度与模拟误差如表1所示：

由表1可以看出：前雾灯各部件测点模拟温度与实测温度对比的误差均控制在10%以内。

“主动性”反映的是人投入的力度，历史经验证明：越主动的学生对学习的关注与投入程度越大。主动学习有别于被动接受最大的不同是不惧怕困难（甚至将战胜困难当作乐趣），愿意接受挑战，能花更多的时间和精力去接受、认知未知事物和知识。因此，主动学习就像性能良好的“发动机”，带来的是持续不断的学习动力，这也是所有教学的最大成果。因此，想提高教学质量、形成有效教学，提高“主动性”是关键。

2.3NX Nastran热力耦合模拟

热力耦合模拟分析通过NX 9.0的高级仿真模块进行。

在模型前处理过程中，与FLUENT热模拟类似，需要进行模型简化。材料参数设置除常规的力学材料参数外，明暗截止线热力耦合分析需要设置热膨胀系数。

考虑建模的效率和精确性，网格划分采用四面体十节点单元。依据车灯内部部件连接方式的不同，在力学模型中采取与之适合的连接方式。

模型载荷主要为重力和温度载荷。FLUENT计算的热量结果导入到NX Nastran，温度载荷在NX Nastran中如图8所示。

边界条件的固定方式依据前雾灯模拟实际装车环境确定。经计算得到的明暗截止线偏移结果如图9所示。

由图9可以看出：由热力耦合仿真分析得到的明暗截止线偏移结果是14.01 mm。将灯具在暗室点亮，记录明暗截止线偏移情况。图10为试验前后明暗截止线在屏幕上的投影线。可以看出：点亮稳定后明暗截止线偏移了12 mm。

由上述分析及试验可以看出：汽车前雾灯各部件因材料热膨胀引起的变形对明暗截止线的偏移影响较为显著。灯具设计开发阶段需要关注热变形对明暗截止线偏移的风险，可以采取以下措施确保其偏移值在相关法规规定范围之内：

(2)在灯具结构设计阶段，考虑灯具受力薄弱部位，预留加强结构，以抵抗其受热变形；

(3)在灯具装配工艺上(如涂胶)，在条件允许的情况采用冷胶，以防止其受热熔化变形。

3　结束语

在汽车市场竞争日益激烈的今天，汽车灯具质量的稳定已经越来越受到消费者的重视。文中以某车型前雾灯为研究对象，建立热力耦合仿真模型，对其因材料热变形导致的明暗截止线偏移进行数值模拟，用有限元分析的手段验证了明暗截止线偏移数值模拟的可行性，并且经过试验验证了分析精度。分析及试验结果表明：灯具因材料热膨胀引起的变形对明暗截止线偏移的影响显著。

但是，关于车灯明暗截止线的热力耦合仿真分析是一个系统而复杂的工程，它涉及力学、热学及光学等多学科交叉，有许多值得深入探讨研究的问题，包括关键材料参数的确定、蠕变效应、明暗截止线在不同工况下的偏移及其偏移值在实际试验中的精确测量等，这些都是下一步研究的重点。

【1】郑志军,胡永亮.汽车前照灯明暗截止线偏移问题探讨[J].照明工程学报,2012(2):108-111.

【2】GB4785-2007汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定[S].

【3】陶文铨,李永堂.工程热力学[M].武汉:武汉理工大学出版社,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，硕士，研究方向为有限元分析计算、灯具振动理论及试验。E-mail:shaoying@xyl.cn。