（车辆工程专业论文）汽车前照灯内部温度场分析.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 汽车车灯的设计不仅影响汽车的外观，还影响汽车的安全性。以 往的设计中，主要考虑的是车灯的材料、结构、光学等方面的因素。 在这几个方面都有了很大进步后，车灯的热应力以及结雾等涉及到热 学方面的问题却长期得不到解决。因此，对车灯的热分析很有必要并 且很有意义。 本文分析了车灯的传热特性，在此基础上，将三维c a d 软件 c a t i a 中建立的车灯的实体数模导入有限元软件a n s y s 中，建立一 个温度场的模型。在获取相关参数后利用a n s y s 软件对车灯的温度 场进行了计算，同时，用试验的方法获取车灯配光镜表面温度场分布。 将计算结果与试验结果进行了比较，验证了温度场模型的正确性。 配光镜的温度场分布研究结论可用来减小灯体的热应力，为车灯 今后热设计的优化提供了一定的依据。 关键词：车灯，温度场，热应力 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l eh e a d l i g h ta f f e c t sn o to n l ya u t o m o b i l e sa p p e a r a n c e ，b u ta l s o d r i v i n gs a f e t y i ng e n e r a l ，p e o p l ep a ya t t e n t i o nm a i n l yt ot h em a t e r i a l s 、 s t r u c t u r e 、o p t i c se t c o fv e h i c l eh e a d l i g h t a l s om u c hp r o g r e s si sm a d ei n t h e s ea s p e c t s ，t h ep r o b l e m sr e l a t i v et oc a l o r i f i cs u c ha st h et h e r m a ls t r e s s o fv e h i c l eh e a d l i g h t ，w h i c hc a n tb es o l v e df o rl o n g i nt h el i g h to f t h i s ， t h et h e r m a la n a l y s i so fv e h i c l eh e a d l i g h ti sv e r yn e c e s s a r ya n d s i g n i f i c a n t t h ec h a r a c t e r i s t i co fv e h i c l e h e a d l i g h t t h e r m a l c o n d u c t i o ni s a n a l y z e di n t h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h i s ，t h ee n t i t yd a t am o d e l e s t a b l i s h e db yt h r e e d i m e n s i o nc a ds o f t w a r ec a t i ai s i m p o r t e di n t o f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，a n dat e m p e r a t u r ef i e l dm o d e li sb u i l t a f t e rc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sa r ea c q u i r e d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do fv e h i c l e h e a d l i g h t i sc a l c u l a t e d b yu s i n gt h es o f t w a r ea n s y s ，a n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no fl a m pc o v e ri so b t a i n e db ye x p e r i m e n t a l m e t h o d s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n to n e s ；t h e c o r r e c t n e s so ft h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e li sv a l i d a t e dt o o t h er e s e a r c hr e s u l t sf i n da p p l i c a t i o ni nr e d u c i n gt h et h e r m a ls t r e s so f l i g h tb o d ya n da r eh e l p f u lt oo p t i m i z a t i o no ft h et h e r m a ld e s i g no fl i g h t b o d y k e y w o r d s ：v e h i c l eh e a d l i g h t ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a ls t r e s s 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 ! 保密囱 本学位论文属于 ，在年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：癖必以 加声夕月圹日 指导教师签名：尚翔 2 , , 0 3 - - 年多月乒日 独创t 性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲玩勉 细1 年6 只蜘 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 随着汽车技术的发展和汽车性能的不断提高，汽车的安全性越来越受到人们 的重视。汽车车灯作为汽车的安全件之一，一直是汽车生产过程中重点控制的零 部件，其主要功能是按驾驶员的指令点亮或熄灭车灯，从而对外发出车辆的运行 趋势或为驾驶员夜间行驶提供照明，保证车辆安全行驶。据统计，驾驶员8 0 的交通信息是通过视觉获得的，包括道路的表面形状、方向、交通信号以及交通 标志等内容。这些信息在白天很容易通过视觉获得，但在没有光线的夜间，特别 是在恶劣环境下( 如雨天，雾天或烟尘等干扰的情况下) 就相对困难。驾驶视野 的好坏直接影响到行车的安全性。国际上的项统计表明，夜间发生的交通事故 大约是白天的3 倍，而具有良好照明条件的道路上发生的交通事故是没有照明或 照明条件不良道路上的3 0 。如1 9 9 3 年德国有4 9 6 的交通死亡事故发生在夜 间；1 9 9 5 年澳大利亚的这个事故率为4 3 8 ；而日本则高达5 5 4 。因此，保 证汽车照明系统正常工作非常重要。【l 】此外，由于车灯是汽车前脸的一个基本部 件，现代汽车车灯不但要提供良好的照明，而且要有装饰作用。 目前，如何从多个方面考虑设计，进一步提高车灯的性能已成为各大汽车生 产商研究的一个重要课题。 1 1 国内外车灯发展状况 汽车前照灯，发展到现在已经是第六代。第一代产品是1 9 2 5 年之前使用的 油灯，继之使用的是乙炔前照灯。 第二代车灯是电光源前照灯，在1 9 2 5 年之后得到广泛使用，这是一种充气 白炽灯泡，具有较高的轮廓亮度。 在解决两车相会时眩目的问题时，第三代车灯同时具有远近两种灯芯。其特 点是远光灯丝功率较大，安装时位于反射镜的焦点上；近光灯丝功率较小，安装 时位于反射镜焦点上方。但是，这种车灯在由远光变为近光时，驾驶员能见度降 低，车速也就随之降低。 为了解决这一问题，1 9 3 2 年美国发明了第四代不对称的前照灯。它以基准 江苏大学工程硕士学位论文 轴为中心，将光束一分为二，靠近会车一侧的光束落地距离短，防止眩目。轿车 另一侧光束的落地距离长，以增加视见距离。 1 9 6 4 年法国首先批量生产出了第五代卤钨前照灯，在灯泡中充入惰性气体， 再掺进卤族元素，因此灯泡较普通白炽灯光效增加约5 0 ，寿命延长了一倍。 我国大多是生产的溴钨灯泡，国外还生产碘钨灯泡。 第六代车灯是目前高级轿车上普遍采用的自由面反射镜前照灯。主要有两种 光源：( 1 ) 单丝卤钨灯泡，( 2 ) 气体放电光源。【2 】【3 】 我国国内在1 9 5 6 年制造出第一辆汽车，1 9 5 8 年开始配套生产国产灯具。经 过几十年的发展，已经形成了一定的规模。目前，我国车灯生产企业主要集中在 上海、江浙和广东等地。 2 0 0 3 年初，有关机构对灯具生产企业进行了一次深入的调研。结果表明： 我国车灯产品的质量水平较前几年已经有了很大的进步，但是部分企业的产品与 国家标准要求相比仍有一定的差距，其中问题最多的是前照灯；在前照灯中，又 以使用非标灯泡以及配光性能不合格最为突出。当然，也有一些企业的技术实力 相对较强，其产品达n t 国外同类产品的水平。【7 】【1 2 】 1 2 汽车前照灯的分类、结构以及性能要求 1 2 1 汽车前照灯的分类 汽车前照灯 根据车灯数叫黧霎 撇装方式僻蒙 根据结构 圣蚕翼妻 2 江苏大学工程硕士学位论文 其中，( 1 ) 、可拆式前照灯的反射镜、灯泡、散光玻璃可分别安装，故其气 密性差，易受湿气和尘埃的污染而影响照明效果，使用较少。( 2 ) 、半封闭式前 照灯其配光镜靠卷曲反射镜边缘上的牙齿而紧固在反射镜上，两者之间有橡皮圈 密封，灯泡则由反射镜后端装入。( 3 ) 、封闭式前照灯灯泡直接由反射镜和散光 玻璃制成一体而形成，里面充入惰性气体。因此，封闭式大灯可避免湿气及尘埃 的污染，延长了使用寿命。但是，这种灯泡在灯丝烧坏或老化时就得整体更换， 维护费用较高，限制了其使用范围。【3 】【4 】 本课题研究的对象是羚羊前照灯，属于内装式半封闭前照灯。 1 2 2 汽车前照灯的结构及性能要求 前照灯是汽车行驶过程中照明前方道路的主要工具，其造型随车型而异。一 般前大灯应具有夜间能看清距车辆前方1 0 0 m 以内的障碍物的远距离照明能力。 随着现代汽车时速的不断提高，要求车前的照明距离也相应增加，达1 5 0 m 一 2 7 0 m 。近光在与对面车会车时不使对方驾驶员眩目，并且能照明前方3 0 m 内的 距离。 国外第一部汽车照明和信号装置标准是美国1 9 1 8 年制定的i e c s a e 配光标 准。此后欧洲及日本也于1 9 1 8 年分别制定了汽车行驶的道路法规。这是世界上 最早的一批有关汽车灯具的标准。 从1 9 6 2 年开始，美国制订了s a e 体系，到现在已制订了7 0 个有关汽车灯 具的标准。除s a e 标准外，欧洲经济共同体( e e c ) 、国家照明委员会( c i e ) 、 国际标准化组织( i s o ) 以及世界各国均对汽车灯具制定了相应的标准。 现在，国际上汽车灯光测试已形成几大体系：在日本是j i s 体系；美国是s a e 体系；另一个则是欧洲的e c e 体系。国内由于各种原因，起步比较晚，目前， 我国根据自己的国情和地理情况尽可能等效采用e c e 法规相应的技术条款制订 了车灯标准。【5 1 【6 1 由于汽车灯具是重要的汽车主动安全部件，我国的汽车灯光强制性标准对机 动车上安装的照明和信号装置的配光性能、光色与色度、使用的光源以及安装在 车上的位置、数量、最小可见度等都作了具体的规定。在我国汽车3 7 项主动安 全项中，照明就占了1 1 项，可见其重要性。 江苏大学工程硕士学位论文 前大灯的结构主要包括： 1 ) 灯壳，多为薄钢板冲压而成，用来支撑整个灯具的重量和保护壳体内的 光学器件。 2 ) 反射镜，反射镜的表面多制成以抛物线为母线绕轴旋转1 8 0 。而成的抛物 面，并进行真空镀铝，反射系数在9 4 以上。 3 ) 灯泡，对于双丝灯泡将双丝灯泡的远光灯丝安装在反射镜的焦点上，对 于单丝灯泡则将主灯泡安装在反射镜的焦点上。 4 ) 散光玻璃，反射镜将灯泡发出的光以集中光束的形状射到散光玻璃上， 散光玻璃是用透明玻璃压制而成，其表面具有棱镜形和透镜形的复合波纹，将反 射出来的集中平行强光束进行折射和反射，使前照灯发出有一定分布要求的光 束，从而达到足够而均匀的照明的要求。 本课题研究的羚羊车前照灯的模型主要包括灯泡、反射镜、灯罩( 遮光罩) 、 配光镜四个部分组成。灯体内的流动介质以空气为主，还有水蒸气以及灰尘等， 其流动形态为自然对流。与上述大灯结构有所不同的是由于现代工艺的改进，大 灯的散光玻璃大部分直接制成了光滑的弧面，而承担光形分布的任务主要由反射 镜和灯罩共同来完成。 1 3 存在问题 车灯发展到现在，相对于旧式车灯，其体积、形状以及材料都有了很大的改 变。然而，由于车灯设计不合理，车灯内热量难以排出，经过一定时间的积累， 会使配光镜产生微裂纹，甚至变形，不仅影响了车灯的外观，而且影响了车灯的 照明效果，进而影响了行车安全。此外，由于灯具设计不合理，车灯结雾问题也 正逐渐成为影响车灯外观和质量的主要问题之一。由于结雾现象的存在，空气中 的水蒸气遇冷凝结在车灯内表面，不仅影响车灯外观，而且使车灯照明效果大打 折扣，从而影响到了汽车的行车安全。在车灯内存在积水的问题上，结雾形成的 雾珠成为车灯内积水的主要来源之一。长期发展下去，车灯内的积水难以排出。 如果积水过多，在汽车行驶过程中，灯内的积水可能会溅到高温的灯泡上，急剧 的热胀冷缩产生的内部应力会导致车灯灯泡炸裂，严重威胁到车灯灯泡的使用寿 命和车灯内电路的安全。车灯内水蒸气在反射镜和灯罩内表面长期凝结会导致材 4 江苏大学工程硕士学位论文 料的腐蚀，加速材料的老化。据报道，由于车灯雾气问题没有得到有效的解决， 车灯的产品报废率一直较高，有的灯型甚至达到了3 0 。1 9 儿l o 】 车灯的设计涉及到材料、光学、结构以及传热等多方面的因素。在以往的车 灯设计中，是以光学设计为主导地位，而基于对车灯内流场、温度场分析基础上 的热设计鲜有报道。资料表明，国外对车灯结雾现象的研究始于八十年代末，经 过十几年的研究，已经在理论上有了一定的积累。国内关于车灯的热分析也处于 刚刚开始研究的阶段，大多数厂家在解决结雾问题以及有关热分析的问题的时候 主要是通过出厂前的实验来进行验证，也就是说，国内外目前还没有找到一个通 用的行之有效的手段来解决热分析方面存在的问题。【8 】【1 1 】 1 4 研究的内容及目标 本课题研究的目标：针对已有的羚羊车前照灯，使用三维软件建立一个关于 车灯的c a d 的模型，将其导入a n s y s ，建立一个温度场模型，结合车灯的结构、 材料等因素利用有限元理论进行计算，得到车灯配光镜的温度场分布。 研究的主要内容：对汽车前照灯进行温度场的分析，由于只涉及到车灯的反 射镜、灯罩、配光镜以及灯泡，因此，要对车灯模型进行分析前的预处理。通过 c a t i a ，a n s y s 等软件去除原始模型上的无用的信息，并对模型进行修改，将模型 上一些对分析影响可以忽略的不规则的地方规则化。下一步，我们将进行实验环 节。将车灯置于实际工作环境中，测出计算所需的数据，如灯泡达到稳态后的温 度、车灯所处的环境温度、湿度等。此外，利用红外热成像仪获得车灯温度场的 分布，或者在车灯表面选择一些重要的点，利用热电耦测出配光镜内表面这些点 的温度，找出配光镜上温度分布的趋势。同时结合实验所得数据，使用a n s y s 软 件从理论上进行温度场分布的计算并与实验结果相对照，从而验证模型的正确性 与合理性。在此基础上，利用计算所得的温度场分布结合车灯的实际情况进行分 析，找出车灯在热设计方面存在的问题，为车灯以后的改进提供一定的依据。 江苏大学工程硕士学位论文 第2 章传热学理论基础 在实际工程中经常出现的传热问题主要有两类。一类是以求出局部或者平均 的传热速率为基本目的。这类问题往往涉及对热量传递速率的计算和控制，即与 增强或削弱传热有关的各种技术和设备的专用设计。第二类以求得研究对象( 固 体或流体) 内部的温度分布为主要目的，即在热量传递的全过程中物体内的温度 状态分布如何，本课题属于第二种情况，即通过计算车灯各部件之间的热传导和 热辐射，同时考虑车灯内空气的自然对流，得到车灯配光镜的温度场分布。下面 介绍一下传热学的一些相关理论。i l 副 2 1 温度场与温度梯度 温度场指某一瞬时物体内各点的温度分布状态，它一般可表示为空间坐标和 时间的函数。在直角坐标系中表述为： f = f ( x ，y ，z ，f ) 若物体内各点的温度值均不随时间变化，称该温度场是稳定的或稳态的；若 物体内各点的温度不仅随空间位置变化，还随时间变化，则称其为不稳定的或者 非稳态温度场。 车灯刚刚点亮时，随着时间的延长，灯泡散发出的热量逐渐增多，并在一定 时间内积累。车灯内的温度逐渐升高，此时车灯内的温度场属于非稳态温度场。 随着时间的推移，车灯内各个部件之间以及车灯壳体、配光镜与外界的热交换达 到平衡。在恒定的工作条件下( 如风速一定，车速一定) 车灯内各点的温度值将 达到一个稳定状态，从而处于稳态温度场。 车灯熄灭时，车灯内的热量逐渐散失，温度逐渐降低，此时又处于一个非稳 态温度场。最终，车灯内的温度与外界一致。 因此，在进行车灯的稳态热分析之前，我们可以通过对车灯的瞬态热分析来 确定初始温度分布；但是，我们将稳态热分析作为分析温度场的最后一步，用以 确定系统在稳态时所处的状态。 6 江苏大学工程硕士学位论文 物体内同一时刻所有温度相同的点的集合称为等温面。一个平面与三维物体 相交所得的截面中的曲线线条即为平面温度场的等温线。等温线或终止于物体边 界，或自身构成一条封闭的曲线。由于等温线可以很好地表示出物体内的温度分 布状况，所以我们在最后的分析中用等温线( 面) 的形式来表达车灯内的温度场。 在具有连续温度场的物体内，过任意一点p 温度变化率最大的方向位于等温 线的法线方向上。过p 点的最大温度变化率为温度梯度，用g r a dt 表示， 伊a d t = 芸刀一a 刍ti + 霎_ ，+ 要j j ( 2 2 0 ) 0 1 1c o y 昵 式中，n 表示点p 等温线法线方向的单位矢量， i 、j 、k 分别代表坐标轴上的单位矢量， 温度梯度是矢量，其正方向指向温度增加的方向。 2 2 三种传热方式 根据热量传递的方式传热过程可分为：热传导( h e a tc o n d u c t i o n ) 、热对流( h e a t c o n v e c t i o n ) 和热辐射( t h e r m a lr a d i a t i o n ) ；根据温度与传热过程的时间进程的关系 而言，传热过程可分为：稳态传热过程( s t e a d yh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ) 和非稳态传 热过程( u n s t e a d yh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ) 。 2 4 1 1 热传导 当物体内部存在温差时，热量将从高温部分传递到低温部分：并且不同温度 的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。可以用傅立叶定律来描述 通过平板的导热热流量。或热流密度q = 一朋堡d r 或者g = 罢a = 一兄孚a x ( 2 1 ) 其中旯是反映材料导热能力大小的物理量，即导热系数，单位是w m k ) 。式 中的负号仅用来表示热量传递的方向一定和温度升高的方向相反。在车灯工作的 过程中，由于车灯的结构关系，各部件之间存在着热传导，如反射镜与配光镜之 间、反射镜与灯罩之间等。在计算过程中，主要是将各个零部件的热导率作为材 料参数加以定义并参与计算的。 2 对流 7 江苏大学工程硕士学位论文 对流是指在有温差的条件下，各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传 递方式。按照引起流动的不同原因可以分为强迫对流换热和自然对流换热两类。 所谓强迫对流( f o r c e dc o n v e c t i o n ) 是指流体的运动由外界强迫驱动力引起， 通常提供这种强迫外力的是各种泵或者风机，自然界的风力或位势差也可以成为 提供这种动力的内在原因。由于灯体壁和透镜罩直接与外界接触，并且车灯工作 时温度一般要高于外界温度，因此这两者与外界存在着强迫对流。 所谓自然对流( n a t u r a lc o n v e c t i o n ) 是因为流体受热或受冷产生密度变化而 引发的流动。车灯工作时灯泡打开会对周围的空气加热而关闭时热空气会冷却， 空气在受热后会膨胀，从而挤压灯内空气向外排出，冷却时空气收缩并吸进外界 空气。因此灯丝与灯泡壁、灯泡壁和透镜罩、灯泡壁和灯外壳以及灯泡壁和反射 镜之间都存在着自然对流。 对自然对流简单列个表可表示为： 自然对流 f ( 1 ) 沿竖板竖管的自然对流换热 大空间 ( 2 ) 水平圆非圆管道自然对流换热 i ( 3 ) 水平板 叫蚤黧蜘 对于对流换热问题的解决方法主要有： ( 1 ) 解析法，通过建立物理一数学模型，得出问题的微分方程和相应边界 条件，运用数学分析手段求解，包括精确解法和近似解法。专用软件对流场的计 算就属于这种情况的一种应用。 ( 2 ) 实验方法，对流换热问题的多样性和复杂性决定了能够求得分析解的 问题种类非常有限，所以实验至今仍是研究各种对流换热工程问题的基本手段。 即使其他方法可以求解，也需要试验验证。实验方法是以相似原理或量纲分析理 论为指导的。 ( 3 ) 类比方法，利用流体中动量传递具有十分相似机理的特点，可以建立 两者参数之间的数量联系并从中求得对流换热表面传热系数。 ( 4 ) 数值方法，用数值计算方法求解对流换热微分方程组是近年来随着计 8 江苏大学工程硕士学位论文 算机应用的日益普及和水平提高出现的一种新手段，目前对流换热的数值计算方 法已经能够在定性上分析，但在定量准确性上还有待改进。 由列表可以看出，我们主要考虑的灯体内空气的对流属于有限空间自然对流， 并且车灯的型腔是一个不规则的空间，难以直接利用公式算出结果。 下面我们介绍一下在进行有限单元法计算时如何获取对流换热系数。 如图2 1 所示， q 骂士 + _ - u , t i l。 l 图2 1 有限单元法对流换热示意图 温度为t f 和速度为u 的空气，流过一个面积为a 的任意形状的灯罩。设灯 罩表面的温度为t w 且两者不等。由于流动条件沿表面逐点变化，使得对流换热 系数h x 和单位面积上的对流换热量q x 也将沿表面变化。 根据牛顿冷却公式，q x 可表示为： 空气被加热时 q ，= 吃( f ，一t f ) ， ( 2 2 ) 空气被冷却时 q ，= ；( f ，- t ，) ，( 2 3 ) 式中对流换热系数h x ，它不仅取决于空气的物性以及换热表面灯罩的形状 与布置，而且与流速有密切关系。 对于整个灯罩表面积a 来说，总的对流换热量由下式表示，即 q 2 上吼d a ( 2 4 ) 若表面a 的温度t w 与坐标x 无关，则上式可表示为 q = ( ，。一t f ) 互h ，d a ( 2 5 ) 为了便于计算，我们取换热表面a 的平均对流换热系数h ，其单位是 w ( m 2 o c ) 。h 的定义为 9 江苏大学工程硕士学位论文 办= j 1 丸幽 ( 2 6 ) 特别指出的是，空气温度的选取可因流动条件而不同。当空气外掠物体( 平 壁、圆管、圆柱) 对流换热时，空气温度取主流温度；空气在管、槽道内流动换 热时，取流道截面上空气的平均温度。在车灯壳体以及配光镜与外界对流交换热 量以及车灯内配件之间的对流换热中，都属于前者，故取空气的主流温度。 将对流换热公式改写成电工学中欧姆定律的形式，即 q = 鲁= 尝 ( 2 7 ) 。 m尺 、7 式中 尺。= 石1 ( 2 8 ) 称为对流换热热阻，单位是o c w 3 热辐射 与传导和对流不同，热辐射式是通过电磁波的方式传递能量的过程。热辐射 的电磁波波长为0 1 到1 0 0 a n 。其中包括超微波、可以用肉眼观察到的波长和 长波。辐射不需要物体之间的直接接触，也无需任何中间介质。 每个辐射面对不同的波长都会辐射和吸收，而且随方向而改变。这些特性也 随温度的变化而变化。在本算例中，我们视辐射为各方向同性，并且忽略了波长 对辐射的影响，因此，与实际物体的辐射情况会有一定的误差。 ( 1 ) 同一物体温度不同时的热辐射能力不一样，温度相同的不同物体的热 辐射能力也不一样。因此提出了黑体的理想模型，黑体在单位时间内发出的热辐 射热量由s t e f a n - b o l t z m a n n 定律揭示： 矽= s a t 4( 2 9 ) 式中：t 为黑体的热力学温度： 1 7 为黑体辐射常数，仃= 5 6 7 x1 0 8w m 2 k 4 ； s 为辐射表面积。 实际计算物体辐射量的计算需采用灰体模型，可采用s t e f a n b o l t z m a n n 定律的修 正形式： = 西刀4 ( 2 1 0 ) 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 印) = 器 e 为灰体表面的半球辐射能量， e b 为黑体的总的半球辐射能量， s 称为实际物体的辐射率，或称为黑度，其数值处于0 1 之间。 ( 2 ) 在分析两个表面之间的辐射换热时，常常要求解一个重要的参量一角 系数，也就是形状因子。如车灯灯泡壁f i 与车灯配光镜f j 之间，角系数f i i 表示 了配光镜表面j 吸收的由灯泡壁表面i 所发出的辐射能与灯泡壁表面所发出的总 辐射能的比值。用公式可表示为： 口一配光镜表面煅收的由灯泡壁表面，发出的辐射能 r i j 一万莎甄猫两菝面丽磊孺丽一 角系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数。下面我们就计算一下 灯泡壁和配光镜之间的角系数。 。 图2 2 角系数的计算 如图2 2 ，a i 、a j ：灯泡壁面积与配光镜的面积： r ：面单元d a i 与面单元d a 之间的距离； 谚：面单元d a i 的法线n i 与两面单元连线的夹角； 够：面单元d a j 的法线n j 与两面单元连线的夹角； n i ：面单元d a i 的法线； m ：面单元d a j 的法线： 则角系数用下式表示： = j 1ll 挚以( 2 1 2 ) 江苏大学工程硕士学位论文 灯泡壁和配光镜之间的辐射能可用方程表述为： q ，= 甜；乃4 ( z 2 + 巧) 仍+ r j x ：r , 一r j ) ( 2 1 3 ) 其中，q i ：灯泡壁表面的传热率 仃：s t e f a n b o l z m a n 常数 t ：有效热辐射率 a i ：灯泡壁的表面积 t i , t j ：灯泡壁表面和配光镜表面处的绝对温度值。 对于有n 个平面的系统，形状因子矩阵由n 2 个元素组成： p 】= e 。e ： 疋。 e 。c ： e 。 r 。 ： 民 ( 2 1 4 ) 从任何平面发射的能量必须守恒： e l + f f 2 + 瓦= 1( 2 1 5 ) 4 r , j = a f j i ( 2 1 6 ) 也就是说各个面之间的辐射角系数之和应该为1 ，并且，每两个面之间的辐射能量 应该是相等的。 角系数的求解有两种不同的方法：非隐藏法和隐藏法。 非隐藏法在计算过程中，无论单元是否被阻挡，都将计算该单元与其他表面 上单元的角系数。具体方程如下： 乃= 去茎喜降p 妒彳问 c 2 7 ， 上式中，m ：面单元i 即灯泡壁上的积分点数； n ：面单元j 即配光镜上的积分点数； 定义两表面间的无量纲距离为： d ：箕( 2 1 8 ) 彳嘣 其中，d m i n ：灯泡壁表面和配光镜的最短距离； d n 似：m a x ( a i ，a 2 ) ，由于配光镜的面积大于灯泡壁，故取a m 舣为配光镜 江苏大学工程硕士学位论文 的面积。 计算时，面积分的阶数将由一阶向高阶自适应性逐渐增加，而d 值则逐渐 降低。由于当d 0 ，上述方程有唯一解。有限单元法的计算最终归结为 求解一个大型线性代数方程组，在a n s y s 计算中，采用的是逐次超松弛迭代法 求解器。 逐次超松弛迭代法( s u c c e s s i v eo v e rr e l a x a t i o nm e t h o r d ，简称s o r 法) 是适 用于大型稀疏矩阵线性方程组的有效解法之一。对于上述线性方程组。当系数矩 阵k 】的主元吒= 1 ( ，= 1 , 2 ，以) 时将式中系数矩阵分解为 k 】- ，一医】 ( 3 3 3 ) 则可得 扩 = 医弦) + f p ) ( 3 3 4 ) 其迭代公式为 留r 1 = 【_ 弦y + p ) ：0 ，1 ，2 ，) ( 3 3 5 ) 以上为普通的高斯迭代法，进行了k 次迭代得到的p 一般与真解扩 间仍存在 差异。如何改进扩) 得到下一次迭代的结果p r l ，可以引入扩r 的剩余向量p p ) = c p 一医弦 g = o ，1 ，2 ，) ( 3 3 6 ) 此时，迭代公式可表述为 扩r 1 = 仁) + p r = 0 , i ，2 ，) ( 3 3 7 ) 由此可见应用迭代法得到逐次改进的解扩) “1 ，实质上是用k 次迭代后的剩余向 量 ，r 来改进解的第k 次近似p r 。因此可以引进一个加速迭代的模式来改进迭 代法。 令 t ) “1 = 留 + 彩 ，r = o ，l ，2 ，) ( 3 3 8 ) 其中称为松弛因子。我们可以选择适当的松弛因子缈加速迭代过程的收敛。加 速迭代收敛一般选取国 l ，称为超松弛迭代法。可以证明如果线性方程的系数 矩阵医】为对称正定矩阵，c o 的选择满足o c o 2 时，则解方程组的s o r 方、法- - 定收敛。由于有限单元法的求解方程其系数矩阵具有对称、诈定的特点，因此 江苏大学工程硕士学位论文 s o r 迭代求解法是有限元求解最常用的方法。 以上是利用有限单元法求解温度场的相关理论的简要的介绍，为了便于对有 限元分析原理的理解，我们在利用有限元软件a n s y s 进行分析时，这些有限元 理论和求解的具体过程对用户来说是不可见的。我们只需要关心求解的建模、划 分单元、加载、求解和后处理这些具体的有限元分析步骤，而对软件内部的具体 计算程序不必深究。故不再作进一步的论述和证明。 2 4 第4 章建模与计算 山前面对温度场的理论分析可以看出，单纯地用数学方法柬分析推导关于温 度场的问题相当复杂。因此，我们必须使用有限元法，利用计算机软件来处理大 最的计算工作。术章将对车灯温度场进行有限元分析。 4 1 车灯模型的建立 为了分析车灯温度场的分布，必须首先建立其分析模型。在j 方的帮助r ， 我们获得了车灯的c a d 原始模型。为了便于划分单元，减少计算量，我们对模 型进行了部分的简化。主要体现在：埘配光镜内表面周边的波纹面的抹平以及外 部凸边的去除；刘灯罩的形状进行简化，以一个半球面代替原来的灯罩，为了减 小对分析结果的影响，我们在半球面上边缘卜依照原来灯罩的形状进行修改，使 其尽量吻合：灯泡则采用一个相同尺寸的圆柱体来代替。1 2 7 1 1 a 8 1 由于是对车灯的 热分析，这些形状上的小的简化列结果影响甚微。导入a n s y s 后结果如图4i ： 崮4 其r p l 为配光镜，2 为反射镜，3 为灯罩，4 为灯泡 江苏大学工程硕士学位论文 4 2 单元的划分 4 2 1 实体模型的划分 由于车灯是实体模型，故对温度场的计算有两种单元可以选择，即s o l i d 7 0 和s o l i d 9 0 。其中s o l i d 7 0 是三维八节点单元，有单个自由度温度，s o l i d 9 0 是三维二十节点单元，同样是单个自由度温度。在车灯模型中有不少不规则的曲 面，而后者有更加兼容的尺寸形状，比较适合模型的曲线边界，故我们拟采用 s o l i d 9 0 来进行单元的划分，从而提高划分精度。 此外，我们在进行热分析时，主要考虑的是辐射问题。a n s y s 在处理辐射 问题时，共分为三种情况： ( 1 ) 点一点之间的辐射使用热辐射线单元l i n k 3 1 。 ( 2 ) 点一面之间的辐射，通常采用表面效应单元s u r f l 9 、s u r f l 5 1 、 s u r f 2 2 和s u r f l 5 2 。其中前两种单元主要用于2 d 分析；后两种单元用于3 d 分析。 ( 3 ) 面一面之间的热辐射问题。对于这类问题，角系数往往比较复杂。为 此，a n s y s 采用了a u x l 2 矩阵生成器，用于生成各辐射面之间的角系数矩阵， 并将其作为超单元进行热分析。 利用a u x l 2 矩阵生成器对车灯进行热辐射分析需按如下三个步骤：定义辐 射面、生成角系数矩阵、将角系数矩阵用于热分析。在定义辐射面时，必须在原 有限元模型表面覆盖一层新的单元进行热辐射分析。若模型为2 d ，则应该覆盖 l i n k 3 2 单元：若模型为3 d ，则覆盖s h e l l 5 7 单元。其覆盖原理如图4 2 ： i s j liif jy - 一 lli t 一一 一旷 ， 图4 2在实体模型上覆盖新的单元 上图是为了显示出覆盖后的效果而可以夸大了覆盖单元与原来的模型之间 2 6 江苏大学工程硕士学位论文 的距离，在实际计算中，s h e l l 5 7 单元直接覆盖在模型表面的节点上，阻车灯 配光镜为例，覆盖了新的单元前后的效果如图4 3 和图4 4 所示： 图43 覆盖前配光镜的节点分和 图4 4 节点上覆盖辐射单元 下面简单介绍一下s o l i d 9 0 和s h e l l 5 7 这两个单元的单元特性。 s o l i d 9 0 适用于三维的稳态或者瞬态热分析。其材料特性包括x 、y 、z 三 个方向上的传导率、密度、比热容和焓。载荷主要包括面载荷和体载荷，其中面 载荷包括对流( 或者对流密度) 和辐射，对流和对流密度这两个面载荷可以同时 施加在一个面上，但是a n s y s 只读取最后施加的载荷进行计算，体载荷为生热。 通常，s o l i d 9 0 被用来对三维实体模型进行单元划分。 s h e l l 5 7 单元作为一个三维的热分析单元，同样，其材料特性包括x 、y 、z 三个方向上的传导率、密度、比热容和焓。载荷主要包括面载荷和体载荷，其中 面载荷包括对流( 或者对流密度) 和辐射，相对于s o l i d 9 0 而言只是多了一 江苏大学工程硕士学位论文 个实常数即壳体厚度。s h e l l 5 7 主要是用于三维壳体模型的划分。 在对模型进行划分之前得先定义模型中各部分的材料属性，车灯模型由四个 部分组成，我们分别给出各部分的材料特性。 导热系数 比热容密度 材料辐射率 ( w m 。c ) ( 堙。c )( 堙m 3 ) 配光镜 o 28 8 00 8 9 1 1 8 1 0 3 灯泡 o 88 4 00 8 0 2 4 1 0 3 灯罩 4 6 44 5 00 2 5 7 8 1 0 3 反射镜 2 0 39 0 00 0 4 2 7 1 0 3 在划分过程中，为了避免单元和节点过多，我们要对划分过程进行控制，在 重要面上划分得细一点，而在次重要面上则划分得粗一点。模型划分后的单元数 为1 8 6 1 3 ，节点数为3 8 0 3 6 。 4 2 2 辐射矩阵的生成 由于在计算过程中，涉及到面与面之间的相互辐射，因此，在对模型划分单 元后，要进行辐射面的定义。如上所述，本例属于第三神情况，必须在有辐射的 面上覆盖s h e l l 5 7 单元。值得注意的是所覆盖的单元的节点一定要与相应实体 单元的对应节点编号重合。 此外，a u x l 2 规定辐射方向是s h e l l 5 7 的正z 向，面与面之间的辐射方 向应该是相对的。因此，在覆盖了s h e l l 5 7 单元后要对单元的辐射方向进行检 查。为了便于观察，在此，只显示车灯中部分辐射面( 灯泡和配光镜之间的辐射) 覆盖后的效果。如图4 5 所示， = 图45灯泡和配光镜之间的辐射 在所有的辐射面上的单元覆盖完成后，要分别选择组成辐射面的节点和单 元，在定义了模型的维度( 3 d ) 、设置了各个辐射面的辐射率以及 s t e a f a n - b o l z m a n n 辐射常数后将辐射矩阵文件写到扩展名为s u b 的文件。 在生成辐射矩阵并将其写入到相应文件后，进入a n s y s 前处理嚣以超单元 的形式读取该矩阵，以便让辐射矩阵参与计算。由于s h e l l 5 7 单元覆盖在单元 表面仅仅是为了生成角系数矩阵，并不真正参与热分析的计算，因此，在读入辐 射矩阵后得将覆盖的s h e l l 5 7 单元删除。 4 3 温度场分析的载荷及边界条件 在进行分析之前必须确定载荷以及边界条件。在车灯的热分析中，我们只 关心配光镜上的温度场分布对车灯中空气的温度场并不关心。所以，在计算中 我们进行简化，只计算了车灯的温度场。 在a n s y s 前处理中，建立模型后就是施加载荷和边界条件。在车灯的热分 析中，边界条件采用的是第类边界条件，即在物体边界上施加温度函数。这里 是旌加一个常数，也就是车灯所接触的空气的温度，由实验直接测得。对流系数 作为面载荷施加在车灯的内表面，根据车灯的工况，查取对流系数值。车灯点亮 一个小时后，温度分布趋于稳定，灯泡表面的温度作为体载荷施加在灯泡的模型 上。为了提高精度，对灯泡的几个不同点测温，取其平均值。【丑 以上我们遥一讨论了车灯分析过程中的单元划分，写辐射矩阵以及载荷和边 界条件的处理。下面，我们可以开始进行a n s y s 热分析了。 江苏大学工程硕士学位论文 44 计算结果及其分析 由上述分析前的准备可知在分析中需要的参数中，部分材料特性参数由厂 方提供了数据，部分参数通过查表获得。与车灯相接触的空气温度测得为 2 65 c ，灯泡表面温度的测量使用量程为一4 0 斗7 5 0 c d m 6 9 0 2 a 测温仪。在车 灯点亮一个小时后对灯泡表面的五个点进行测量，测得温度分别为3 8 0 c 4 0 2 c ，3 8 7 。c ，4 2 04 c ，4 0 8 + c 。取其平均值为4 0 06 c 。根据车灯的工作状况， 查表取对流系数为2 , 6 。计算出车灯配光镜的温度场分布如图4 6 ， 图4 6配光镜的温度场分布 沿着配光镜表面取图47 所示的点并以曲线的形式显示这一路径上的温度 分布，如图4 8 所示。 江苏大学工程硕士学位论文 图4 8 沿着这一路径上的温度曲线 由图可知，配光镜内表面温度的分布具有如卜特点： ( 1 ) 配光镜内表面上部的温度普遍要高于下部的温度。 ( 2 ) 左上角的红色区域温度虽高，右下角的蓝色区域温度最低。 ( 3 ) 配光镜内表面横向距离较长，温度跨度较大。 ( 4 ) 从配光镜左上角到右下角温度逐渐降低，但在小范围内会有波动。 出现上述结果主要是由于灯泡点亮后由于灯罩的作用部分由于气体受灯泡 加热后密度减轻而上浮，热空气首先对灯体壁面即反射镜进行加热，沿着反射镜 向前到远配光镜并对配光镜的卜部加热。此后，空气逐渐冷却在重力场中冷 江苏大学工程硕士学位论文 表面遇到热流体，会形成自然对流边界层。这时流体受到下沉力，冷却的空气沿 着配光镜表面向下移动，虽后到达右下角。空气的温度到达最低值。“ 从车灯的结构上来看，左上角区域靠近灯泡及灯罩，能够直接接受灯泡和高 温的灯罩的辐射。相反。右下角区域相对而言远离灯泡的辐射，并且空间狭窄， 不利于空气的流动，因此温度较低。口” 此外，由于配光镜的热导率比较低，属于热的不良导体，并且温度分布不是 绝对均匀。因此，使得路径上温度分布曲线不光滑，产生局部波动。 最后，我们可以发现，由于车灯在设计过程中仅仅从外观和工艺上进行了考 虑，没有进行热设计，导致了配光镜表面温度场的分布不合理。 配光镜上温度分布的等温线如图4 9 所示i 45 试验验证 图4 9 配光镜表面的等温线分布图 为了检验数值计算结果的正确性与可靠性，我们在上海小未做了相关试验进 行验证。 451 试验测量 在个模型建立后，只有得到检验与实际情况相符合才能证明该模型的合理 江苏大学工程硕士学位论文 性与正确性，对模型的进一步分析才显得有意义。 为了对建立的a n s y s 温度场模型进行检验，