Simcenter 3D-工业应用之车灯仿真分析
1 车灯行业CAE技术需求
汽(qi)车车灯作(zuo)为汽(qi)车必不可少的(de)一(yi)个组件，在(zai)夜间(jian)照明(ming)，行(xing)车信(xin)号，大雾天气防撞，转向标(biao)志等方面(mian)发挥着(zhe)重要(yao)作(zuo)用，是汽(qi)车安全行(xing)驶的(de)重要(yao)保(bao)障(zhang)。长(zhang)期以来，人(ren)们在(zai)做(zuo)车灯设计时更多的(de)关注于光学设计，但是随着(zhe)市场对质量(liang)、精度、亮度及可操作(zuo)性等要(yao)求越(yue)来越(yue)严格，对车灯总(zong)体的(de)设计和分析逐(zhu)渐被人(ren)们关注。
车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)气(qi)(qi)密性问题一直(zhi)困扰着车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)开(kai)发(fa)人(ren)员，良好的(de)气(qi)(qi)密性是(shi)提(ti)(ti)高(gao)车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)照明效果(guo)(guo)，延长(zhang)车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)使用寿命的(de)重要保证，如(ru)果(guo)(guo)车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)气(qi)(qi)密性不好，将造(zao)成车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)内(nei)引起结(jie)雾、积(ji)水、凝霜、破坏透(tou)光效果(guo)(guo)等(deng)一系列(lie)的(de)问题，直(zhi)接危(wei)及行车(che)(che)(che)(che)(che)(che)安全。车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)产品设计师在车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)设计过(guo)程中，可以考虑对车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)密封垫圈(quan)进(jin)行分(fen)析，提(ti)(ti)高(gao)垫圈(quan)的(de)密封质量，从而(er)提(ti)(ti)高(gao)车(che)(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)气(qi)(qi)密性。
车(che)(che)灯(deng)作为(wei)汽(qi)车(che)(che)的一个重要(yao)组件(jian)，模态(tai)及振(zhen)动分析很有必(bi)要(yao)，目前主机厂已经对车(che)(che)灯(deng)供(gong)应上提出(chu)相应的振(zhen)动测试实验要(yao)求(qiu)(qiu)，要(yao)求(qiu)(qiu)车(che)(che)灯(deng)在振(zhen)动过程中，车(che)(che)灯(deng)及部(bu)件(jian)的固有频率，要(yao)避免(mian)与激振(zhen)频率发生共振(zhen)，同时要(yao)求(qiu)(qiu)在振(zhen)动的情(qing)况下，车(che)(che)灯(deng)内部(bu)部(bu)件(jian)，特别是(shi)车(che)(che)灯(deng)支(zhi)架，要(yao)求(qiu)(qiu)满(man)足动强(qiang)度要(yao)求(qiu)(qiu)。
车(che)灯(deng)(deng)(deng)的(de)(de)总体设(she)计时，往往更多的(de)(de)是考(kao)虑外观(guan)造(zao)型(xing)的(de)(de)流(liu)线美，而忽(hu)略了车(che)灯(deng)(deng)(deng)的(de)(de)选材、温度场和(he)流(liu)场等一系列问(wen)题(ti)，而在实际应用过(guo)程中，局(ju)部(bu)(bu)过(guo)热，造(zao)成零(ling)件受热变形、甚至烧熔，冷热不(bu)均匀，造(zao)成局(ju)部(bu)(bu)结雾，车(che)灯(deng)(deng)(deng)内部(bu)(bu)温度场和(he)流(liu)场问(wen)题(ti)严重(zhong)影(ying)响到车(che)灯(deng)(deng)(deng)的(de)(de)品质和(he)质量，逐步被客(ke)户和(he)设(she)计人员所关注，如(ru)何更好(hao)的(de)(de)解决好(hao)车(che)灯(deng)(deng)(deng)的(de)(de)散热问(wen)题(ti)，让车(che)灯(deng)(deng)(deng)在满足外形要(yao)求的(de)(de)情(qing)况下，通过(guo)对车(che)灯(deng)(deng)(deng)部(bu)(bu)件和(he)材料(liao)进行(xing)选型(xing)，局(ju)部(bu)(bu)进行(xing)强化处理(li)，提高(gao)车(che)灯(deng)(deng)(deng)的(de)(de)散热性能，对车(che)灯(deng)(deng)(deng)设(she)计提出(chu)了更好(hao)的(de)(de)挑(tiao)战。
2 Simcenter 3D在车灯行业的应用
SIMCENTER 3D在工(gong)业(ye)的(de)(de)应用(yong)(yong)已经越来越广泛，模拟的(de)(de)方式(shi)也更贴近真(zhen)实世界(jie)的(de)(de)模型(xing)，充分发挥SIMCENTER3D在多(duo)(duo)物理场分析的(de)(de)卓(zhuo)越能(neng)力(li)(li)。SIMCENTER 3D提供了多(duo)(duo)种类(lei)型(xing)的(de)(de)求解(jie)器，应用(yong)(yong)范围(wei)包(bao)括结构静(jing)力(li)(li)学(xue)、动力(li)(li)学(xue)、优(you)化、疲(pi)劳、机构运动、热(re)力(li)(li)学(xue)和流体动力(li)(li)学(xue)等多(duo)(duo)个领域(yu)，让使用(yong)(yong)者(zhe)可以更方便(bian)针对不同(tong)的(de)(de)问题选用(yong)(yong)不同(tong)的(de)(de)求解(jie)器进行求解(jie)，并可在同(tong)一界(jie)面中切换(huan)不同(tong)的(de)(de)求解(jie)器，仿(fang)真(zhen)加(jia)工(gong)流程与不同(tong)的(de)(de)环(huan)境历程，透过稳定的(de)(de)并行运算效能(neng)加(jia)速运算，直接提供工(gong)程师最方便(bian)的(de)(de)研发仿(fang)真(zhen)平台。
Simcenter 3D车(che)灯(deng)分析的(de)流程图：
2 车灯结构强度（随机振动）分析
车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)内部(bu)(bu)部(bu)(bu)件(jian)的结(jie)构强(qiang)度非常(chang)重要(yao)，汽车(che)(che)(che)(che)的振(zhen)动(dong)对车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)内部(bu)(bu)部(bu)(bu)件(jian)产生影(ying)响，要(yao)求我(wo)们做车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)设(she)计时，要(yao)保(bao)(bao)证车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)内部(bu)(bu)部(bu)(bu)件(jian)，特别(bie)是车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)内部(bu)(bu)支架等部(bu)(bu)件(jian)，在(zai)汽车(che)(che)(che)(che)在(zai)极(ji)端车(che)(che)(che)(che)况下，不能(neng)够(gou)损(sun)坏，能(neng)够(gou)保(bao)(bao)证车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)的正常(chang)工作运(yun)行。使(shi)用(yong)NX Nastran的动(dong)态响应分(fen)析模(mo)块，对灯(deng)(deng)(deng)体(ti)进行随机(ji)振(zhen)动(dong)分(fen)析，模(mo)拟车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)在(zai)振(zhen)动(dong)试验台上(shang)，承受随机(ji)激励的情况下，分(fen)析车(che)(che)(che)(che)灯(deng)(deng)(deng)各(ge)部(bu)(bu)件(jian)的结(jie)构的强(qiang)度和刚度。
2.2车灯模态分析
车灯(deng)(deng)作为汽车部件，使用NX Nastran结(jie)构(gou)分析(xi)功能(neng)，对车灯(deng)(deng)进行(xing)模态分析(xi)，同时，在(zai)NXNastran中，我们(men)可(ke)以(yi)分析(xi)带接触的模态，能(neng)够更(geng)加准(zhun)确(que)的分析(xi)车灯(deng)(deng)的固有频(pin)率(lv)，从而更(geng)加准(zhun)确(que)的判定(ding)车灯(deng)(deng)结(jie)构(gou)是否会跟外界(jie)激励频(pin)率(lv)发生共振(zhen)。
2.3 车灯散热分析
汽车(che)(che)(che)(che)(che)车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)散热(re)分析(xi)存在(zai)(zai)几(ji)个(ge)挑战(zhan)，从(cong)学(xue)科上(shang)(shang)讲(jiang)，车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)散热(re)涉及(ji)到两个(ge)有限元(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)两个(ge)领域，热(re)力(li)学(xue)和流体(ti)动(dong)力(li)学(xue)，并且同时需(xu)要(yao)考虑热(re)力(li)学(xue)和流体(ti)动(dong)力(li)学(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)耦合问题(ti)，Simcenter 3D的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)流耦合仿真(zhen)(zhen)工具能(neng)(neng)(neng)够(gou)(gou)完(wan)美的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)解(jie)(jie)决这个(ge)问题(ti)，不需(xu)要(yao)用户额(e)外的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)进(jin)行(xing)(xing)控制，能(neng)(neng)(neng)够(gou)(gou)自动(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)调用相应的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)求(qiu)解(jie)(jie)器进(jin)行(xing)(xing)耦合仿真(zhen)(zhen)。从(cong)模(mo)(mo)(mo)型上(shang)(shang)讲(jiang)，车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)结构比较复(fu)(fu)杂(za)，特(te)别(bie)(bie)是内(nei)部流体(ti)域腔体(ti)，复(fu)(fu)杂(za)车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)可(ke)能(neng)(neng)(neng)存在(zai)(zai)多个(ge)腔体(ti)，如何能(neng)(neng)(neng)够(gou)(gou)更好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)处理(li)车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CAD模(mo)(mo)(mo)型，一直困扰着分析(xi)工程师，NX提供了(le)(le)强(qiang)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)建模(mo)(mo)(mo)功(gong)能(neng)(neng)(neng)，特(te)别(bie)(bie)是非参模(mo)(mo)(mo)型编辑修改(gai)功(gong)能(neng)(neng)(neng)，使得工程师能(neng)(neng)(neng)够(gou)(gou)快速(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)处理(li)车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)模(mo)(mo)(mo)型，并且通过强(qiang)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)网格划分功(gong)能(neng)(neng)(neng)，快速(su)完(wan)成车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)散热(re)分析(xi)模(mo)(mo)(mo)型建立。从(cong)仿真(zhen)(zhen)模(mo)(mo)(mo)拟(ni)(ni)上(shang)(shang)讲(jiang)，车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)传(chuan)热(re)涉及(ji)到传(chuan)热(re)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)三个(ge)方面，传(chuan)导、对(dui)流和辐(fu)射(she)，特(te)别(bie)(bie)是热(re)辐(fu)射(she)是车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)传(chuan)热(re)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)方式(shi)。Simcenter 3D的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)分析(xi)中(zhong)提供了(le)(le)高级热(re)辐(fu)射(she)技术，能(neng)(neng)(neng)够(gou)(gou)精确(que)地模(mo)(mo)(mo)拟(ni)(ni)复(fu)(fu)杂(za)车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)复(fu)(fu)杂(za)腔体(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)辐(fu)射(she)传(chuan)导问题(ti)，其中(zhong)辐(fu)射(she)建模(mo)(mo)(mo)可(ke)以模(mo)(mo)(mo)拟(ni)(ni)完(wan)整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)辐(fu)射(she)交(jiao)换(huan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)(mo)型、模(mo)(mo)(mo)拟(ni)(ni)漫射(she)\反(fan)射(she)\投(tou)射(she)\吸(xi)收、几(ji)何体(ti)连接问题(ti)，其中(zhong)解(jie)(jie)算技术特(te)点，能(neng)(neng)(neng)够(gou)(gou)自动(dong)计算复(fu)(fu)杂(za)封闭(bi)腔体(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)视角系数、拥有确(que)定性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光线追踪的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)镜反(fan)射(she)技术、能(neng)(neng)(neng)够(gou)(gou)排(pai)除残余视角系数反(fan)复(fu)(fu)改(gai)进(jin)视角系数。自由(you)对(dui)流更是更够(gou)(gou)模(mo)(mo)(mo)拟(ni)(ni)车(che)(che)(che)(che)(che)灯(deng)实(shi)验的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)环境状(zhuang)态。
2.4车灯结雾及冰熔解分析
Simcenter 3D的(de)热流分(fen)析解算方案包含了全面(mian)的(de)温(wen)(wen)度(du)(du)和雾化模型技术，能(neng)够通过(guo)设定初始的(de)温(wen)(wen)度(du)(du)和湿度(du)(du)条件(jian)来模拟雾化和蒸发过(guo)程(cheng)。同时(shi)可以考虑封闭腔体的(de)密(mi)封盒通风(feng)孔，通过(guo)分(fen)析得到实时(shi)的(de)温(wen)(wen)度(du)(du)、湿度(du)(du)和水积累量(liang)，通过(guo)水积累量(liang)来判定雾化情况。
车灯在(zai)寒(han)冷的(de)温(wen)度(du)下，车灯外面会结冰(bing)(bing)(bing)，通过(guo)Simcenter 3D的(de)高级热(re)流耦(ou)合(he)分(fen)析(xi)，能够模(mo)拟前(qian)透镜(jing)上冰(bing)(bing)(bing)融(rong)(rong)化的(de)过(guo)程(cheng)，通过(guo)冰(bing)(bing)(bing)完全融(rong)(rong)化的(de)总时间来对冰(bing)(bing)(bing)熔化的(de)行为进行判定，在(zai)分(fen)析(xi)过(guo)程(cheng)中，薄的(de)冰(bing)(bing)(bing)层(ceng)可(ke)以通过(guo)带(dai)改变(bian)状态属性的(de)壳单(dan)元来模(mo)拟，冰(bing)(bing)(bing)单(dan)元和透光(guang)镜(jing)单(dan)元之间采用热(re)固直接耦(ou)合(he)来建立热(re)传导(dao)，通过(guo)分(fen)析(xi)，我们能够得(de)到冰(bing)(bing)(bing)的(de)性质、冰(bing)(bing)(bing)的(de)馏分(fen)和冰(bing)(bing)(bing)层(ceng)的(de)蒸发时间等。
2.4分析结果和实验结果对比
日(ri)本丰田(tian)汽车和(he)美国斯坦(tan)利的(de)工程师(shi)都使用了Simcenter 3D进行了车灯德尔相关分析(xi)(xi)，并把分析(xi)(xi)的(de)结果(guo)和(he)实(shi)(shi)验(yan)的(de)结果(guo)进行了对(dui)比，发(fa)现(xian)Simcenter 3D分析(xi)(xi)的(de)结果(guo)和(he)实(shi)(shi)验(yan)结果(guo)具有高度的(de)一致(zhi)性，也(ye)同时验(yan)证了Simcenter 3D在车灯行业的(de)分析(xi)(xi)标准。
3 Simcenter 3D的优势和效益
当(dang)前(qian)(qian)，CAE 技(ji)(ji)术(shu)成为设(she)计(ji)的(de)(de)主流，企(qi)业已经将分析提(ti)到新的(de)(de)地(di)(di)位。现代的(de)(de)产品设(she)计(ji)完全基于(yu)分析模拟(ni)和优(you)化(hua)的(de)(de)结果，产品设(she)计(ji)人(ren)员在(zai)设(she)计(ji)的(de)(de)最初(chu)阶(jie)段便开始用分析仿真(zhen)工具，在(zai)制造之前(qian)(qian)全面把握产品的(de)(de)性能(neng)，避免不必要(yao)的(de)(de)样机试(shi)验(yan)，以缩短设(she)计(ji)周(zhou)期，降低(di)成本，从而在(zai)激烈的(de)(de)市场(chang)竞(jing)争中占(zhan)据(ju)(ju)主动和有利的(de)(de)地(di)(di)位。可以断言谁(shei)先(xian)掌握了这一先(xian)进的(de)(de)技(ji)(ji)术(shu)并能(neng)尽早地(di)(di)将其(qi)成功(gong)运用于(yu)产品设(she)计(ji)的(de)(de)各个(ge)阶(jie)段，谁(shei)就能(neng)够在(zai)产品开发(fa)过程中不断地(di)(di)增强自身(shen)的(de)(de)创新能(neng)力和应(ying)变能(neng)力，在(zai)激烈的(de)(de)市场(chang)竞(jing)争中占(zhan)据(ju)(ju)主动和有利的(de)(de)地(di)(di)位。仿真(zhen)应(ying)用就是利用数(shu)值方(fang)法研(yan)究产品的(de)(de)性能(neng)
Simcenter 3D最显着的特点是对新流程的支持。其中，在开发流程中通过无缝共享数据实现分析与设计几何相关，彻底消除数据传输转换和几何修复造成(cheng)的瓶颈，是(shi)实现设计(ji)(ji)与分析并行进行、相互作用的关键，是(shi)产(chan)品开发成(cheng)员在明确(que)分工情(qing)况下高效协同(tong)的前提，也是(shi)构成(cheng)快速(su)创(chuang)新(xin)设计(ji)(ji)平台的基础。Simcenter 3D仅是(shi)结构分析与可靠(kao)性设计(ji)(ji)的单元技(ji)术，更是(shi)崭新(xin)流(liu)程的使能工具。
