基于Flow Simulation的LED汽車大燈散熱仿真

奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術(shù)研究院 張志輝

1 引言

汽車大燈是汽車電子電器系統(tǒng)中的重要組成部分，同時也是汽車正常行駛時，特別是夜間行駛時使用的最重要的安全設(shè)備。

為提高行車安全，越來越多的新技術(shù)被逐漸應(yīng)用到汽車燈具中，如側(cè)轉(zhuǎn)向燈的光纖傳導(dǎo)技術(shù)、前照燈AFS 技術(shù)等。當(dāng)然，這其中也包括發(fā)光二極管技術(shù)( Light Emitting Diode，簡稱LED) 在汽車燈具尤其是在汽車前照燈上的應(yīng)用。近幾年的汽車設(shè)計(jì)中，LED 車燈的使用越來越多，給汽車外觀增加現(xiàn)代感的同時，也為更多人所熟悉，并引領(lǐng)當(dāng)今汽車燈具發(fā)展的潮流和方向。LED與傳統(tǒng)光源相比它具有壽命長、體積小、能耗低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。目前限制LED應(yīng)用于汽車大系統(tǒng)的主要因素有:單粒LED的光效和光通量、系統(tǒng)的光效[2]。而LED燈具的散熱正是嚴(yán)重影響汽車前大燈系統(tǒng)壽命與可靠性的關(guān)鍵因素。

針對上述，基于Flow Simulation的LED汽車大燈散熱仿真分析將為解決汽車大燈散熱問題提供參考。

2 LED汽車大燈結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 LED汽車大燈結(jié)構(gòu)簡圖

LED汽車大燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。LED汽車大燈一般由近光燈、遠(yuǎn)光燈、前位燈、轉(zhuǎn)向信號燈及晝間行駛燈等組成。近光燈用于照明車輛前方道路，對來車駕駛員和其他道路使用者不造成眩目，或產(chǎn)生不舒適感的燈具；遠(yuǎn)光燈用于照明車輛前方遠(yuǎn)距離道路的燈具；前位燈用于從車輛前方觀察，表明車輛存在和寬度的燈；轉(zhuǎn)向信號燈用于向其他道路使用者表明車輛將向右或向左轉(zhuǎn)向的燈具；晝間行駛燈用于晝間行駛時，使得車輛更為易見的一種面向前方的燈具。

3 Flow Simulation仿真步驟

不管項(xiàng)目多復(fù)雜或應(yīng)用領(lǐng)域多廣，無論是結(jié)構(gòu)、熱傳導(dǎo)，還是聲學(xué)分析，對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解的基本步驟是一樣的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。

汽車大燈散熱系統(tǒng)的仿真主要基于三維軟件Solidworks中的Flow simulation模塊進(jìn)行仿真分析。Solidworks作為一款三維設(shè)計(jì)軟件，無縫嵌入了Flow simulation模塊，這款軟件操作流程簡便，易于使用。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，系統(tǒng)會根據(jù)給定參數(shù)自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也可以自己指定區(qū)域進(jìn)行特定的網(wǎng)格劃分。經(jīng)驗(yàn)表明，只要固體內(nèi)部存在溫度差，熱量就會從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。燈具中主要熱量也是通過這種方式散發(fā)到空氣中。

本文以奇瑞某款汽車大燈為例來說明Flow Simulation仿真的步驟，具體遵循以下9步。

（1）模型建構(gòu)

圖2 模型建構(gòu)

（2）前處理設(shè)置

前處理包括設(shè)置項(xiàng)目名稱，設(shè)置單位系數(shù)，設(shè)置分析類型（傳導(dǎo)、對流、輻射等），設(shè)置默認(rèn)流體，設(shè)置默認(rèn)固體，設(shè)置壁面條件，設(shè)置初始溫度，設(shè)置分析精度等級等。如圖3-圖10所示。

圖3 設(shè)置項(xiàng)目名稱

圖4 設(shè)置單位系數(shù)

圖5 設(shè)置分析類型

圖6 設(shè)置默認(rèn)流體

圖7 設(shè)置默認(rèn)固體

圖8 設(shè)置壁面條件

圖9 設(shè)置初始溫度

圖10 設(shè)置分析精度等級

（3）計(jì)算域設(shè)定

計(jì)算域即模型所在參與計(jì)算的區(qū)域。此區(qū)域必須使模型完全包含其中，否則不能進(jìn)行有效的計(jì)算。

如圖11所示。

圖11 計(jì)算域設(shè)定

（4）材料設(shè)定

Flow Simulation模塊本身具有自帶的材料數(shù)據(jù)庫可供選擇，當(dāng)自帶數(shù)據(jù)庫不能滿足要求時，可人工添加特定的材料到數(shù)據(jù)庫，以便于后續(xù)的仿真。如圖12所示。

圖12 材料設(shè)定

（5）熱源設(shè)定

如圖13-圖14所示。

圖13 熱源設(shè)定

圖14 熱源分布

（6）輻射表面設(shè)定

圖15 輻射表面設(shè)定

（7）監(jiān)控目標(biāo)設(shè)定

圖16 監(jiān)控目標(biāo)設(shè)定

（8）運(yùn)行分析

自動畫網(wǎng)格及進(jìn)行計(jì)算。如圖17-圖19所示。

圖17 運(yùn)行分析

圖18 網(wǎng)格劃分

圖19 計(jì)算界面

（9）結(jié)果顯示

分析結(jié)果有多種顯示方式，主要有切面圖，表面圖，等值面圖，流動跡線圖，并能夠生成分析報告等。如圖20-圖26所示。

圖20 面罩等高線圖

圖21 后殼等高線圖

圖22 遠(yuǎn)光燈等高線圖

圖23 近光燈等高線圖

圖24 近光燈等高線圖

圖25 空氣流動軌跡圖

圖26 生成報告

結(jié)論，通過上述實(shí)例的操作步驟可知，這種汽車大燈的散熱仿真分析非常便捷，不需要設(shè)計(jì)者具有專門的熱學(xué)背景，只需要掌握相應(yīng)的操作流程并清楚的知道各種材料屬性，仿真分析、優(yōu)化分析就可以進(jìn)行，特別適用于普通的工程設(shè)計(jì)人員。

4 總結(jié)

Flow Simulation是SolidWorks軟件無縫集成的一個流體有限元仿真分析模塊，它在工程實(shí)踐中將給工程設(shè)計(jì)人員帶來更加方便和快捷的仿真分析功能，足以輔助散熱設(shè)計(jì)。

本文通過汽車大燈散熱仿真的實(shí)例，論述了Flow Simulation的基本功能和使用方法及注意事項(xiàng)。在汽車大燈的散熱設(shè)計(jì)中，可以優(yōu)先選擇此軟件進(jìn)行仿真、分析與優(yōu)化。

[1]傅劍華,李文強(qiáng),周華,于紅秀.LED技術(shù)在汽車燈具中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報,2010,03.

[2]彭勝欽,莫新明.LED汽車燈具設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010,14.

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

[4]陳永當(dāng),任慧娟,武欣竹.基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2011,09.

[5]馬慶芳,方榮生.實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1986(6).