汽車傳感器總成溫度場數(shù)值仿真分析

付宇 吳琳琳 卜曉兵 李向榮

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司）

隨著人工智能時代的到來，汽車控制系統(tǒng)已進(jìn)入電子控制時代，其所裝載的傳感器數(shù)量劇增，正逐步走向智能化、集成化、微型化和多功能化。為實現(xiàn)空間布置及功能最優(yōu)化，車企將ADAS（高級駕駛輔助）系統(tǒng)、行車記錄儀系統(tǒng)及雨量傳感器系統(tǒng)集成為一體，形成一個總成部件，安裝于內(nèi)后視鏡內(nèi)部，緊貼玻璃表面。但由于各電子部件工作時均會放出熱量，在狹小密閉的空間中，部件溫度會明顯上升，且其外界環(huán)境溫度、濕度變化范圍較大，因此組件內(nèi)部極易出現(xiàn)熱量聚集情況，影響部件工作穩(wěn)定性，甚至?xí)霈F(xiàn)信號失真的問題。其中雨量傳感器對工作溫度要求最為嚴(yán)格，其工作的熱力學(xué)溫度不得超過358.15 K。因此，傳感器組件內(nèi)雨量傳感器的溫度需重點(diǎn)關(guān)注。文章以傳感器總成為研究對象，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，對某一環(huán)境下組件內(nèi)的溫度場進(jìn)行預(yù)測[1]，并對雨量傳感器附近的溫度進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，實現(xiàn)了部件在設(shè)計階段的風(fēng)險識別，為其性能優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

1 數(shù)值仿真計算

1.1 計算域幾何模型的建立

本傳感器組件由ADAS、行車記錄儀、雨量傳感器、大燈攝像頭及外殼組成，安裝于玻璃表面，為考慮太陽輻射，除建立組件模型外，還需建立玻璃及空氣域模型[2]，如圖1 所示。因此，模型分別建立了固體部件域、固體殼體域、固體玻璃域及流體空氣域。

圖1 汽車傳感器總成溫度場仿真計算域模型示意圖

1.2 計算域網(wǎng)格劃分

玻璃和外殼采用薄體網(wǎng)格，空氣域以及其他部件均采用切割體網(wǎng)格，網(wǎng)格目標(biāo)尺寸為4 mm，最小網(wǎng)格尺寸為2 mm[3]，網(wǎng)格數(shù)量為181 萬，如圖2 所示。

圖2 汽車傳感器總成溫度場仿真網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 物理模型設(shè)置

1.3.1 物性參數(shù)

本項目主要包括玻璃、外殼、雨量傳感器、ADAS、大燈攝像頭、行車記錄儀以及空氣域7 個部分，分別對各部分的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1.3.2 固體域模型設(shè)置

固體域模型選擇三維、固體、輻射、太陽輻射、耦合固體能量、梯度及定常模型，設(shè)置初始靜態(tài)熱力學(xué)溫度為303.5 K。

1.3.3 氣體域模型設(shè)置

為實現(xiàn)固體與氣體之間的熱量交換計算，需對流體域進(jìn)行物理模型設(shè)置[4]。流體域物理模型選取三維、氣體、層流、輻射、太陽輻射、耦合固體能量、梯度及定常模型。

1.4 邊界條件設(shè)置

流體域邊界物理條件設(shè)置為絕熱，固體與邊界物理條件設(shè)置為對流，并設(shè)置相應(yīng)的對流換熱系數(shù)、環(huán)境溫度，固體及流體域均設(shè)置相應(yīng)的發(fā)射率及透射率，如表1 所示。對于有熱載荷的固體部件，將其設(shè)置為總熱源。

表1 汽車傳感器總成溫度場仿真邊界條件參數(shù)設(shè)置表

1.5 交界面設(shè)置

進(jìn)行溫度場仿真時，需要固體域與氣體域之間的換熱計算，通過設(shè)置交界面將貼近的表面調(diào)通，從而實現(xiàn)表面間的熱量傳遞，各部件與空氣域調(diào)通、殼體與空氣域調(diào)通、玻璃與空氣域調(diào)通[5]，如圖3 所示。

圖3 汽車傳感器總成溫度場仿真計算域交界面顯示界面

2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

2.1 部件溫度分布情況

圖4～圖6 分別示出ADAS、雨量傳感器及行車記錄儀的表面溫度分布云圖。由于部件本身為發(fā)熱源，因此，部件表面溫度分布梯度較小。

圖4 汽車ADAS 表面溫度分布云圖

圖5 汽車雨量傳感器表面溫度分布云圖

圖6 汽車行車記錄儀表面溫度分布云圖

2.2 玻璃表面溫度分布情況

圖7 示出汽車玻璃表面溫度分布云圖。從圖7 可以看出，玻璃與部件接觸區(qū)域的溫度明顯升高，由于ADAS 功耗較大，因此，ADAS 附近的玻璃溫度較高，最高熱力學(xué)溫度達(dá)到355.15 K。

圖7 汽車玻璃表面溫度分布云圖

2.3 空氣域溫度分布情況

圖8 示出汽車空氣域表面溫度分布云圖。從圖8中可以看出，ADAS 周圍空氣溫度最高，空氣域最高熱力學(xué)溫度為379.15 K。

圖8 汽車空氣域表面溫度分布云圖

2.4 殼體表面溫度分布情況

圖9 示出汽車殼體表面溫度分布云圖。從圖9 可以看出，受ADAS 部件功耗較大的影響，ADAS 附近殼體溫度較高，最高熱力學(xué)溫度為376.15 K。

圖9 汽車殼體表面溫度分布云圖

2.5 部件及區(qū)域溫度分布情況

通過穩(wěn)態(tài)仿真計算得到各部件的最高溫度情況，如表2 所示。

表2 汽車部件及區(qū)域的最高溫度表

2.6 雨量傳感器溫度情況

由于雨量傳感器對工作要求較為嚴(yán)格，因此，需考察雨量傳感器內(nèi)部及周圍空氣溫度分布情況。圖10 示出雨量傳感器溫度分布云圖。從圖10 中可以看出，雨量傳感器及其周圍空氣的熱力學(xué)溫度為348.15 K 左右，均低于358.15 K，滿足工作溫度要求。

圖10 汽車雨量傳感器剖面溫度分布云圖

3 結(jié)論

文章以汽車傳感器總成模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)值仿真技術(shù)，模擬出總成內(nèi)各部件的溫度分布情況并對雨量傳感器進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注。通過對總成內(nèi)各部件的溫度進(jìn)行計算，可以得出：1）總成內(nèi)各部件表面溫度分布較為均勻；2）由于ADAS 功率較大，靠近ADAS 的玻璃及殼體溫度較高；3） 雨量傳感器的熱力學(xué)溫度在348.15 K 左右，未超過358.15 K 的工作限定溫度，滿足要求。