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Simcenter 3D-工業(yè)應(yīng)用之車燈仿真分析

May 27 2024 11:23

1   車燈行業(yè)CAE技術(shù)需求

汽車車燈作為汽車必不可少的一個組件,在夜間照明,行車信號,大霧天氣防撞,轉(zhuǎn)向標(biāo)志等方面發(fā)揮著重要作用,是汽車安全行駛的重要保障。長期以來,人們在做車燈設(shè)計時更多的關(guān)注于光學(xué)設(shè)計,但是隨著市場對質(zhì)量、精度、亮度及可操作性等要求越來越嚴(yán)格,對車燈總體的設(shè)計和分析逐漸被人們關(guān)注。

車燈的氣密性問題一直困擾著車燈的開發(fā)人員,良好的氣密性是提高車燈照明效果,延長車燈使用壽命的重要保證,如果車燈的氣密性不好,將造成車燈內(nèi)引起結(jié)霧、積水、凝霜、破壞透光效果等一系列的問題,直接危及行車安全。車燈的產(chǎn)品設(shè)計師在車燈設(shè)計過程中,可以考慮對車燈的密封墊圈進行分析,提高墊圈的密封質(zhì)量,從而提高車燈的氣密性。

車燈作為汽車的一個重要組件,模態(tài)及振動分析很有必要,目前主機廠已經(jīng)對車燈供應(yīng)上提出相應(yīng)的振動測試實驗要求,要求車燈在振動過程中,車燈及部件的固有頻率,要避免與激振頻率發(fā)生共振,同時要求在振動的情況下,車燈內(nèi)部部件,特別是車燈支架,要求滿足動強度要求。

車燈的總體設(shè)計時,往往更多的是考慮外觀造型的流線美,而忽略了車燈的選材、溫度場和流場等一系列問題,而在實際應(yīng)用過程中,局部過熱,造成零件受熱變形、甚至燒熔,冷熱不均勻,造成局部結(jié)霧,車燈內(nèi)部溫度場和流場問題嚴(yán)重影響到車燈的品質(zhì)和質(zhì)量,逐步被客戶和設(shè)計人員所關(guān)注,如何更好的解決好車燈的散熱問題,讓車燈在滿足外形要求的情況下,通過對車燈部件和材料進行選型,局部進行強化處理,提高車燈的散熱性能,對車燈設(shè)計提出了更好的挑戰(zhàn)。

2   Simcenter 3D在車燈行業(yè)的應(yīng)用

SIMCENTER 3D在工業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛,模擬的方式也更貼近真實世界的模型,充分發(fā)揮SIMCENTER3D在多物理場分析的卓越能力。SIMCENTER 3D提供了多種類型的求解器,應(yīng)用范圍包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)、優(yōu)化、疲勞、機構(gòu)運動、熱力學(xué)和流體動力學(xué)等多個領(lǐng)域,讓使用者可以更方便針對不同的問題選用不同的求解器進行求解,并可在同一界面中切換不同的求解器,仿真加工流程與不同的環(huán)境歷程,透過穩(wěn)定的并行運算效能加速運算,直接提供工程師最方便的研發(fā)仿真平臺。

Simcenter 3D車燈分析的流程圖:

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2   車燈結(jié)構(gòu)強度(隨機振動)分析

車燈內(nèi)部部件的結(jié)構(gòu)強度非常重要,汽車的振動對車燈內(nèi)部部件產(chǎn)生影響,要求我們做車燈設(shè)計時,要保證車燈內(nèi)部部件,特別是車燈內(nèi)部支架等部件,在汽車在極端車況下,不能夠損壞,能夠保證車燈的正常工作運行。使用NX Nastran的動態(tài)響應(yīng)分析模塊,對燈體進行隨機振動分析,模擬車燈在振動試驗臺上,承受隨機激勵的情況下,分析車燈各部件的結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

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2.2車燈模態(tài)分析

車燈作為汽車部件,使用NX Nastran結(jié)構(gòu)分析功能,對車燈進行模態(tài)分析,同時,在NXNastran中,我們可以分析帶接觸的模態(tài),能夠更加準(zhǔn)確的分析車燈的固有頻率,從而更加準(zhǔn)確的判定車燈結(jié)構(gòu)是否會跟外界激勵頻率發(fā)生共振。

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2.3   車燈散熱分析

汽車車燈散熱分析存在幾個挑戰(zhàn),從學(xué)科上講,車燈散熱涉及到兩個有限元的兩個領(lǐng)域,熱力學(xué)和流體動力學(xué),并且同時需要考慮熱力學(xué)和流體動力學(xué)的耦合問題,Simcenter 3D的熱流耦合仿真工具能夠完美的解決這個問題,不需要用戶額外的進行控制,能夠自動的調(diào)用相應(yīng)的求解器進行耦合仿真。從模型上講,車燈的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,特別是內(nèi)部流體域腔體,復(fù)雜車燈可能存在多個腔體,如何能夠更好的處理車燈的CAD模型,一直困擾著分析工程師,NX提供了強大的建模功能,特別是非參模型編輯修改功能,使得工程師能夠快速的處理車燈模型,并且通過強大的網(wǎng)格劃分功能,快速完成車燈散熱分析模型建立。從仿真模擬上講,車燈傳熱涉及到傳熱的三個方面,傳導(dǎo)、對流和輻射,特別是熱輻射是車燈傳熱的主要方式。Simcenter 3D的熱分析中提供了高級熱輻射技術(shù),能夠精確地模擬復(fù)雜車燈復(fù)雜腔體的熱輻射傳導(dǎo)問題,其中輻射建??梢阅M完整的輻射交換的模型、模擬漫射\反射\投射\吸收、幾何體連接問題,其中解算技術(shù)特點,能夠自動計算復(fù)雜封閉腔體的視角系數(shù)、擁有確定性的光線追蹤的鏡反射技術(shù)、能夠排除殘余視角系數(shù)反復(fù)改進視角系數(shù)。自由對流更是更夠模擬車燈實驗的環(huán)境狀態(tài)。

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2.4車燈結(jié)霧及冰熔解分析

Simcenter 3D的熱流分析解算方案包含了全面的溫度和霧化模型技術(shù),能夠通過設(shè)定初始的溫度和濕度條件來模擬霧化和蒸發(fā)過程。同時可以考慮封閉腔體的密封盒通風(fēng)孔,通過分析得到實時的溫度、濕度和水積累量,通過水積累量來判定霧化情況。

車燈在寒冷的溫度下,車燈外面會結(jié)冰,通過Simcenter 3D的高級熱流耦合分析,能夠模擬前透鏡上冰融化的過程,通過冰完全融化的總時間來對冰熔化的行為進行判定,在分析過程中,薄的冰層可以通過帶改變狀態(tài)屬性的殼單元來模擬,冰單元和透光鏡單元之間采用熱固直接耦合來建立熱傳導(dǎo),通過分析,我們能夠得到冰的性質(zhì)、冰的餾分和冰層的蒸發(fā)時間等。

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2.4分析結(jié)果和實驗結(jié)果對比

日本豐田汽車和美國斯坦利的工程師都使用了Simcenter 3D進行了車燈德爾相關(guān)分析,并把分析的結(jié)果和實驗的結(jié)果進行了對比,發(fā)現(xiàn)Simcenter 3D分析的結(jié)果和實驗結(jié)果具有高度的一致性,也同時驗證了Simcenter 3D在車燈行業(yè)的分析標(biāo)準(zhǔn)。

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3     Simcenter 3D的優(yōu)勢和效益

當(dāng)前,CAE 技術(shù)成為設(shè)計的主流,企業(yè)已經(jīng)將分析提到新的地位。現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計完全基于分析模擬和優(yōu)化的結(jié)果,產(chǎn)品設(shè)計人員在設(shè)計的最初階段便開始用分析仿真工具,在制造之前全面把握產(chǎn)品的性能,避免不必要的樣機試驗,以縮短設(shè)計周期,降低成本,從而在激烈的市場競爭中占據(jù)主動和有利的地位??梢詳嘌哉l先掌握了這一先進的技術(shù)并能盡早地將其成功運用于產(chǎn)品設(shè)計的各個階段,誰就能夠在產(chǎn)品開發(fā)過程中不斷地增強自身的創(chuàng)新能力和應(yīng)變能力,在激烈的市場競爭中占據(jù)主動和有利的地位。仿真應(yīng)用就是利用數(shù)值方法研究產(chǎn)品的性能

Simcenter 3D最顯著的特點是對新流程的支持。其中,在開發(fā)流程中通過無縫共享數(shù)據(jù)實現(xiàn)分析與設(shè)計幾何相關(guān),徹底消除數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換和幾何修復(fù)成的瓶頸,是實現(xiàn)設(shè)計與分析并行進行、相互作用的關(guān)鍵,是產(chǎn)品開發(fā)成員在明確分工情況下高效協(xié)同的前提,也是構(gòu)成快速創(chuàng)新設(shè)計平臺的基礎(chǔ)。Simcenter 3D僅是結(jié)構(gòu)分析與可靠性設(shè)計的單元技術(shù),更是嶄新流程的使能工具。