（机械设计及理论专业论文）车灯热分析关键技术研究.pdf

a f t e ro b s e r v i n gt h el a m ps t r i p e 、b u r n t 、t h e r m a ld e f o r m a t i o n a c c r u i n gd u r i n g u s i n g ，r e s e a r c h i n gt h ec r i t i c a lt e c h n i q u eo ft h el a m pt e m p e r a t u r ef i e l db a s e do nf a s t m o d e lu s e d ，t h e nc o m p u t i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s s ，t h em e t h o dt o s o l v et h et h e r m a ld e f o r m a t i o ni s p u tf o r w a r di nt h ep a p e r , w h i c hi st h eo n eo ft w o p u z z l e s t h i sp a p e ri n c l u d ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h el a m pt h e r m a lt r a n s m i s s i o n a n a l y z e ds e v e r a ll a m pt h e r m a l d e f e c ti n d e t a i l ，e s p e c i a l l yr e s u l t e df r o mt h e r m a ls t r e s s ，t h et h e m a l t r a n s m i s s i o nm o d e li s s i m p l i f i e d b a s e do nf a s tm o d e lu s e d ，t h e ni t i s d i s c u s s e d ， 一 ( 2 ) r e s e a r c h i n gt h ec r i t i c a lt e c h n i q u eo fc o m p u t i n gt h et h e r m a lf i e l d i nr e s p o n s e o ft h es p e c i a lc o n s t r u c to ft h el a m pr e f l e c t o r p r o p e re l e m e n t sa r eb r o u g h t f o r w a r d ，a st h es a m et i m et h el a m pm a t e r i a lt h e r m a lc h a r a c t e ri sr e s e a r c h e d ( 3 ) a n a l y z i n gt h el a m pt e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt os t u d ya b o v e t h ep a p e rt a k e s t h et h e r m a lf i e l do ft h ef o gl a m pn a m e0 8 4a sae x a m p l et oc o m p u t eb yt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt h ea n s y s s o f t w a r e ，t h e nt h er e s u l ti sv e r i f i e db v t e s t ( 4 ) r e s e a r c h i n gt h el a m pt h e r m a ls t r e s s t h et h e r m a ls t r e s sw i l lb ec o n c l u d e d i i j 学位论文版权使用授权书 工 个 育 均 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。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 l 、保密阢在垄年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 牺 憨幻 日瓤：魄年f 黾三1 日 日期：o 艿年岁月视日 。 硕士学位论文 录 3 1 2 车灯温度场特殊单元研究2 3 3 1 3 车灯材料热特性研究2 8 3 2 车灯热应力计算建模研究3 3 第四章车灯温度场分析3 5 4 1 几何模型简化3 5 4 2 结构离散3 6 4 3 辐射角系数矩阵的生成3 7 4 3 1 定义辐射面3 7 4 3 2 生成辐射角系数矩阵3 8 4 3 3 在热分析中使用辐射角系数矩阵4 0 4 4 边界条件和载荷4 0 4 5 数值计算结果4 0 4 6 车灯温度场实验4 l 4 6 1 实验方案4 l 4 6 2 实验数据与数值分析计算结果对比4 4 第五章车灯热应力分析4 7 5 1 车灯热应力计算4 7 5 1 1 车灯的物性参数4 7 5 1 2 车灯热廊力分析的计算模型4 7 5 1 3 车灯热应力求解4 8 5 2 车灯热应力实验4 9 5 2 1 实验方案4 9 5 2 4 实验结果分析5 4 第六章总结与展望5 6 】 1 l 1 1 l l i i l l 2 4 6 8 8 8 9 0 0 3 8 8 9 v 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 车灯被誉为“汽车的眼睛”，不仅起到照明指示作用而且还直接影响汽车外 表的美观和个性化服务，其性能的好坏对安全行驶起着至关重要的作用，直接关 系到人们的生命财产安全。据统计，驾驶员有关交通的信息在8 0 以上是通过 视觉获得的，包括道路的表面形状、方向、交通信号、交通标志的内容，本车所 处的交通环境以及对面方向上的车流等，以上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。据统计数据表明：夜间发生交通事故大约是白天的3 倍，有资 料显示，一般夜间行驶里程仅占总行驶里程的2 0 ，但致命的事故却占5 0 ， 特别是在天气状况不好时更为严重，可见保证汽车照明系统正常工作对行车的重 要性【l 】o 1 1 车灯的发展 1 8 9 8 年，哥伦比亚号电动汽车把电用于前灯和尾灯，这样第一个车灯就产 生了，最初的前大灯不能调光，所以在会车时有些晃眼。从早期乙炔气前照灯发 展到当今的自由曲面反射镜气体放电前照灯，及最近越来越多的l e d 灯，经历 了七代发展： ( 1 ) 第一代乙炔气前照灯 1 9 0 6 年，世界上第一次用一个蓄电池供电的电灯照明。在1 9 0 9 年，首次把 乙炔灯作为变光装置，而前照灯具有高的轮廓亮度，乙炔气火焰的亮度比当时的 电光源所能达到的亮度高出一倍，因而，在1 9 2 5 年以前使用的汽车前照灯几乎 全是乙炔前照灯。 ( 2 ) 第二代电光源前照灯 1 9 1 3 年带螺旋灯丝的充气自炽灯泡问世，因其具有较高亮度，给电光源前 照灯开辟了广阔的前景。然而由于当时汽车电气设备系统的制约，直到1 9 2 5 年， 电气照明才得到广泛的应用。 ( 3 ) 第三代双光灯芯前照灯 浙江工业大掌硕士掌位论文 为解决在会车时因前照灯的强光造成驾驶员炫目而导致发生交通事故和撞 车的严重问题，双光灯芯前照灯的出现，其特点是远光灯丝功率较大，安装时位 于反射镜焦点上，近光灯丝功率较小，安装时位于反射镜焦点上方，但也没有完 全解决汽车车灯的配光问题，汽车会车时的这种眩目问题，依然是汽车照明技术 中的最大难题。 ( 4 ) 第四代不对称近光前照灯 双光灯芯前照灯系统属于对称近光系统，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，为解决在会车过程中，前照灯既不产生炫 目，又能保证对道路具有良好的照明，1 9 3 2 年美国发明了不对称前照灯，它是 以基准轴为中心，将光束一分为二，靠近来车一侧的落地距离短( 即光束压低， 从而防眩) ，而另一侧光束的落地距离长( 即光束抬高，从而增加视线) 。 ( 5 ) 第五代卤钨前照灯 第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯是由法国“斯贝”公司在1 9 6 4 年生产的， 在灯泡中充入惰性气体，再掺进卤族元素，其灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡 高，光效增加约5 0 ，寿命也增加一倍。此后汽车的生产前大灯照明多采用了 卤钨灯泡的原理。 ( 6 ) 第六代充氙气灯泡 氙气灯，灯泡内部填充优质的惰性气体氙气，并选择高品质的钨丝和优质的 石英玻璃管，使灯泡的使用寿命和亮度发挥极至。亮度达到3 2 0 0 流明以上。此 类灯泡因没有改变原车灯泡的外形尺寸，所以不会产生聚焦不准的问题。这样的 灯泡聚光效果非常好，而且数值在4 3 0 0 k 以上，色泽柔和、灯光白亮，最适合 汽车升级照明。 ( 7 ) 第七代氙气灯泡 h i d 氙气灯采用高电压放电技术氙气灌入石英内馆，在透过精密安定器通过 三次变压将1 2 伏特电力瞬间提高至2 3 0 0 0 伏特以上，激发管内的氙气电子游离， 在两电极间形成一束超强电弧光持续发光，使光色更亮【2 1 。 1 2 车灯存在问题 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 2 浙江工业大掌硕士学位论文 变。车灯已经成为汽车、特别是轿车漂亮的外形和功能的重要构成部分。其设计 涉及到材料、光学、结构以及传热等多方面的因素。虽运用大量先进技术，使车 灯质量日益完善，但在以往的车灯设计中，是以光学设计为主导地位，而建立在 车灯内部流场、温度场等的分析基础上的热设计基本上是空白，这有时导致车灯 设计不合理，车灯内热量难以排出，经过一定时间的积累，会使面罩产生微裂纹， 甚至变形，另外热设计不合理还会导致车灯结雾，车灯结雾是影响车灯质量的另 一个主要问题。 ( 1 ) 车灯热变形 灯泡点亮时车灯温度急剧升高，由于车灯零部件都是高分子材料，热变形温 度较低，所以一旦温度达到其材料的热变形温度时，零部件将发生软化变形、烧 焦，车灯的变形不仅影响了外观，也影响了车灯的装配和正常使用。所以车灯设 计时，车灯内部的温度场的研究有助于车灯选材，了解新材料是否能承受车灯内 部的使用温度及判断该材料的耐用性。因此如果提前预知车灯内部温度场的分 布，可以帮助企业节约重复尝试新材料的财力和人力。 另一种热变形是由热应力引起的，我们知道物体受热膨胀或变冷收缩是一种 物理现象。固体的温度场发生变化时，体内任一点( 微小单位体) 的热变形( 膨 胀或者是收缩) 受到周围相邻各单元体的限制而不能自由地变化。同时如果固体 的边界受到其它物体的约束，也会使体内任一点的热变形不能自由地变化。固体 的这种内部和外部的约束作用，对体内任一点造成一定的应力，使该点温度变化 对应的热变形部分或全部都不能发展。由于温度的改变在弹性体内部产生的应力 称为温度应力或热应力【3 】。对于各向同性的弹性体，它在所有的方向上热膨胀系 数都一样的，对于没有任何约束的完全自由的弹性体，当温度均匀地改变时可以 自由地在所有方向均匀膨胀，所以只有热应变而无热应力发生，然而，当有约束 或虽无约束但温度的改变不均匀，这时相邻介质之间将由于膨胀不均匀而彼此相 互约束，因而就必然引起弹性变形，从而产生热应力。车灯在使用过程中，由于 各部件相互约束且温度的不均匀变化也会产生热应力，若是设计不合理，严重时 会出现裂痕、银纹等热缺陷，如图1 1 所示。 ( 2 ) 车灯结雾 空气中的水蒸气遇冷凝结在车灯透镜罩内表面，不仅影响车灯外观，而且将 会影响车灯的配光，使车灯配光达不到规定的要求，从而使得车灯照明效果大打 折扣，影响行车安全。结雾形成的雾珠是车灯内积水的主要来源之一，结雾严重 时会在车灯内产生积水，车灯内的积水很难排出，会形成恶性循环，严重威胁车 灯灯泡的使用寿命和车灯电路的安全，此外水蒸气在车灯反射体和面罩表面的长 期凝结会导致车灯材料腐蚀，材料加速老化变形，并因此带来一系列的问题：雾 气形成对车灯内部的光线的影响，如水珠对光的散射吸收使得车灯的光学性能产 生偏差、失调以及影响汽车的整体美观。目前，车灯的结雾问题，已经成为影响 车灯使用寿命和照明质量的一个重要因素。 1 3 国内外研究现状 车灯热应力问题属于热弹性力学问题，热弹性力学研究弹性体内温度的变化 与此有关的热应力和热应变，以及相关的理论、分析方法、计算、实验和应用。 它涉及传熟学、弹性力学和计算流体动力学。在五、六十年代，结合具体构件热 应力的计算研究较多。七十年代，热应力研究在理论方面更进一步，不少学者从 新江工业大掌硕士学位论文 连续体力学理论出发，即从质量守衡、能量守衡、熵不等式、自由能和构造理论 基本定律和理论出发，建立热传导方程、热弹性材料本构方程、热弹性运动方程 和其它基本方程，进行分析研究。近年来，理论研究的一些重要课题，如热弹性 耦合理论，热冲击等的研究正在继续深入。同时由于计算机的迅速发展和广泛使 用，热应力的数值计算方法得到了迅速发展，从而使复杂形状和非均质的构件的 热应力、温度场、热变形等的计算成为可能。 现代车灯由于汽车外观造型的需要，车灯型腔复杂开口变小，且材料基本采 用热传导性很差、热变形温度很低的塑料，因此除了通常的光学设计外，更迫切 需要热分析设计的引入。由于热设计方法属于前沿领域，对车灯温度场的分析国 外鲜有文献，而国内研究也很少。 ( 1 ) 国外研究现状 目前，国外著名汽车厂家在产品开发设计阶段都对温度场、流场进行模拟计 算，如研究汽车车室内温度场分布的合理性和车室内的气流组织情况，并根据模 拟计算的结果改进汽车空调系统设计，使汽车车室内的温度场、速度场的分布更 加合理，更好的满足司机和乘客的热舒适性要求。例如美国通用汽车公司、同本 铃木公司等在较早的时候就开始采用数值计算和实验相结合的方法进行温度场 和速度场的研究，并在这方面取得了一定的成果。在车灯内部温度场、流场研究 方面，w 订l j a mi m o o r e 等人研发了一个将镜面辐射和流体流动耦合的计算软 件，名为a d i n a - f 。a d i n a fc f d 软件可以用镜面和漫反射表面建立面对面反射、 吸收、透射的辐射模型，如图1 2 所示。这个模型和流动传热模型相结合就可以 i r r a n m 拓； a 赫州 蛔 r v 饥， p d 畦帕l l _ 瞎 【z n k ：a q _ 口血 t # ，乍i 血1 4 _ 时 i 的n 0 鼬h 叫 图1 2 车灯辐射模型 准确计算复杂车灯模型的温度场。a d i n a f 采用粘性不可压流动模型来处理空气 自然对流。温度预测用稳态迭代来进行。基于以上模型，m o o r e 等人对灯丝、灯 浙江工业大掌硕士掌位论文 泡、灯室、反射镜等固体的温度进行了计算【4 j 。 ( 2 ) 国内研究现状 在国内汽车界和学术界，对车灯内部温度场的研究还处于刚刚起步阶段，国 内清华大学和上海小糸车灯公司对结雾机理做过一些探索性研究，指出了影响车 灯结雾的几大因素。另外江苏大学针对羚羊车前照灯的温度场和流场进行了研 究，从车灯材料等方面提出了车灯设计的优化方案。 1 4 本文研究的主要内容 研究目的：根据车灯结构特点及工作状况，针对车灯热缺陷常见问题，研究 车灯温度场计算的关键技术，如快速车灯计算模型、车灯复合层板壳体有限元建 模、车灯结构热应力计算。 本文的具体研究内容如下： ( i ) 车灯传热机理分析，对车灯点亮后车灯各部件之间及车灯内部与外部 的热传递机理进行分析，并在现有的快速模型【5 】【6 1 基础上依此简化车灯传热形式 和车灯热源模型。 ( 2 ) 车灯温度场计算模型的关键技术研究。车灯温度场的分析由于涉及到 车灯的反射体、装饰框、面罩、遮光罩以及灯泡。其中主要零件反射体和装饰框 为大厚度比复合层板壳体，其有限元分析模型的准确程度决定了计算的正确性与 实用性，是本文研究的重点。 ( 3 ) 车灯温度分析。采用a n s y s 软件计算0 8 4 前雾灯的温度场，并设计实 验方案，完成车灯温度场实验，分析实验数据并与理论温度场计算结果比较，验 证分析模型的正确性。 ( 4 ) 车灯结构热应力计算。在正确分析车灯温度场的前提下，研究车灯结 构热应力的计算，并采用实验方法验证计算方法，最后探索热应力作用下车灯失 效的形式。 1 5 本章小结 本章阐述了车灯的发展及存在的问题，介绍了课题研究的背景和意义，分析 6 7 础 汽车车灯有很多种类，可分为照明类灯具( 前照灯、前雾灯和倒车灯等) 合信号类灯具( 位置灯、示廓灯、制动灯和转向信号灯等) ，所有的车灯系统一 般由以下几个部分组成： ( 1 ) 产生光的部分，即光源。 ( 2 ) 收集、聚焦并散发光的部分。 ( 3 ) 调整光线的部分。 ( 4 ) 保护外围环境而不对其他道路使用者造成不良影响部分。 以前照灯为例，其主要有由六个部件组成：灯泡、遮光罩、反射体、面罩、 灯体和装饰框，如图2 1 【7 】所示。 灯体 2 2 传热学理论 图2 1 前照灯零部件图 点亮车灯时，灯泡发出的光线经过反射体的反射，透过面罩照射出来，形成 一束向前发射的平行光。在装配好的车灯上，反射体与灯体和面罩之间均有间隙， 使得空气可以在整个腔体内流通。灯体的尾部一般有通气孔，用以排出或吸入气 体，使得点亮或熄灭灯泡时都可以保持灯内压力的稳定，以防止车灯部件受压变 浙江工业大掌硕士掌位论文 形。这么一个复杂的过程包含了热量传递的三个基本过程：热传导( h e a t c o n d u c t i o n ) 、热对流( h e a tc 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 ) 8 - 1 0 】。 车灯内部及其与外界传热如图2 2 t 1 1 】所示 外界环墉 2 2 1 热传导 图2 2 车灯内外部热交换 热传导是在直接接触的两物体之间或在同一物体各部分之间存在温度梯度 情况下所发生的能量传递过程。完成这一过程的途径有两种：一种是在有温度梯 度存在的固体、液体或气体中，由于分子的相互作用而使相对能量水平较高( 温 度较高) 的分子将能量传给邻近能量低的分子；另一种是依靠自由电子的运动而 传递能量。但在引力场下，单纯的热传导一般只发生在密实的固体中，因为，在 有温差时，液体和气体中可能出现热对流而难以出现单纯的热传导。 傅立叶( f o u r i e rj ) 在实验研究热传导过程的基础上，把热流矢量和温度梯 度联系起来，得到 9 浙江工业大掌硕士掌位论文 g ：一a o t ：一2 9 r a d t w m 2 ( 2 1 ) o n 上式就是1 8 8 2 年由傅立叶提出的热传导基本定律的数学表达式，亦称傅立叶定 律，式中的比例系数旯称为热传导系数。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，如反光镜与面罩之间、反光镜与灯罩之间等。 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 2 2 热对流 对流是固体表面与其上流过的流体能量传递过程。这种过程的完成一方面依 靠流体分子间导热的作用，另一方面还由于流体流动产生位移的作用。所以对流 换热除了要受导热规律的控制外，还要受流体流动规律的支配，因此影响传热过 程的因素有流体的流动情况、流速、密度、比热、粘度和导热系数等。计算对流 换热的基本公式是牛顿1 7 0 1 年提出的，即 g = h ( t 。一，) w m z( 2 - 2 ) 或q = h ( t 。- - t ，) 么w m 2 ( 2 3 ) f 。一固体壁表面温度， f ，流体温度， h 一对流换热表面系数，w ( m 2 k ) 车灯工作时存在强迫对流和自然对流两类对流，其中灯罩直接与外界接触，在汽 车行驶中处于强迫对流状态，在汽车静止时又会处于自然对流状态。而对车灯内 部灯泡点亮会对周围的空气加热，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，也就是说车灯内部空气的流动形态为自然对流。 2 2 3 热辐射 与热传导、热对流不同，辐射换热并不借助于介质，它依靠物体表面对外发 射可见和不可见的射线( 电磁波，或者说光子) 传递热量。热辐射的电磁波是物 l o 浙江工业大掌硕士学位论文 体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。只要物体的温度高于“绝对零 度”，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。同时，物体亦不断 地吸收周围物体投射到它表面上的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。 物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一 样。在探索热辐射规律的过程中，科学家们提出了一种称为黑体的理想化模型。 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： = a o 6 t 4 w m 2 ( 2 4 ) 一斯蒂芬一玻尔茨曼常数，亦称黑体辐射常数，吼= 5 6 7 1 0 w ( m 2 k 4 ) ； 丁一热力学温度( k ) 。 实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体。实际物体辐射热流量的计算可 以采用s t e f a n - - b o l t z m a n n 定律的经验修正形式： = e a c r 6 t 4 w m 2( 2 - 5 ) 占一实际物体表面的发射率，也称黑度，其值处于o 1 2 _ 间。 工程中在计算表面间的辐射换热是，表面间的辐射换热与表面几何形状、大 小和各表面的相对位置等几何因素有关，这些因素常常用角系数来考虑。角系数 的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，于2 0 世纪2 0 年代提出的，是 一个无量纲量。它有很多名称，如：形状因子，可视因子，交换系数等等。在不 同领域中有不同的叫法，但角系数是比较常用的。 在讨论角系数时，假定：( 1 ) 所研究的表面是漫射的；( 2 ) 在所研究表面的 不同地点向外发射的辐射热流密度是均匀的。在这两个假定下，物体的表面温度 及发射率的改变只影响该物体向外发射的辐射能的多少而不影响在空间的相对 分布，因而不影响辐射能落到其它表面上的百分数。于是，角系数就纯是一个几 何因子，与两个表面的温度及发射率没有关系，从而给其计算带来很大的方便。 实际工程问题虽然不一定满足这些假定，但由此造成的偏差一般均在工程计算允 许的范围之内，因此这种处理方法在工程中广为采用。 有两个表面1 及2 ，都符合上述假定，如两表面间为透明介质，则表面1 对表 面2 的角系数( a l ，是：表面1 直接投射到表面2 上的能量，占表面1 辐射能量的百分 比。表面1 的辐射能量是表面1 的有效辐射，表面1 直接投射到表面2 上的能量是表 浙江工业大掌硕士掌位论文 面1 对表面2 的投射辐射。所以角系数的定义式可以写为 缈1 2 2表面1 对表面2 的投射辐射一q 1 z 表面1 的有效辐射 q 1 ( 2 6 ) ( 1 ) 微元面对微元面的角系数 有两个彼此看的见的微元面以。和么：，其中心的联线长为厂，联线与两微元 面法线间的夹角分别为研和岛，d a 。中心对么：的立体角为拉。则 d 仇埘：= 百q d l , d 2 = 面q d l , d 2 ( 2 7 ) 式中：幺，表示幽。的有效辐射；。表示幽的有效辐射力，= x 。，。表示有 效辐射强度；仍“2 表示姒l 对幽2 的投射辐射，它等于q 叫2 = ，。lc o s 0 , d a l 施， 根据立体角定义艘。= c o 了s o 厂翘一2 ，将以上诸式代入式( 1 ) ，得 慨：= 地皆= 半地 同理，d a 2 对姒。的角系数为 却d 2 , d l = 学 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 ) 微元面对面的角系数 微元面幽。对面a ：的角系数为 一学：业半= 爿m ： 协 式中，么：。为被幽l 看得见的a 2 的面积。n l 里d a ：对面a 。的角系数为 纨：，。= f d ( p d ：，d 。 a t 5 ( 3 ) 面对微元面的角系数 面彳，对微元面么：的角系数为 嘲埘2 鲁= 。产紫 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 1 2 p 钆 堕4 = 浙江工业大掌硕士掌位论文 同理，面彳：对微元面烈。的角系数为 帆，2 等胁d z ( 4 ) 面对面的角系数 面么，对面4 ：的角系数为 2 击 堕鼍等喇：2 扣 同理，面4 ：对面么。的角系数为 住- 。击4 旦孚幽幽z2 ，z 加 2 3 有限元法基本理论 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 有限元方法是一种以电子计算机为计算工具的结构分析数值方法，是以剖分 插值和能量原理为基础的一种结构计算方法，源于弹性力学的计算；对古典近似 计算方法进行归纳和总结，吸取了有限差分法中离散处理的内核，又继承了变分 计算中选择试探函数并对区域积分的合理方法，结合电子计算机的强大计算能 力，并随着电子计算机的普及应用，得到了长足的发展【1 2 - 1 4 1 。 有限元方法的基本思路是结构剖分和单元集合。即：用点、线或面把结构剖 分为一系列离散单元。进行单元分析，使每个单元都满足平衡条件和变形连续条 件，再把所有被离散的单元集合起来。进行系统分析，保证系统在单元与单元间 连接点处的平衡条件及变形协调条件得到满足。 有限元方法在固体力学中的应用最为多见。其中涉及的材料可以承受温度变 化，也可以是各向异性，此外，将有限元方法应用于变温度场的弹塑性动力学问 题，用子结构法解决杆板块单元的机构动力分析问题，以及构件在弹塑 性区的变形问题等，都取得了比较令人满意的结果。 虽然有限元法起源于结构工程【1 5 】，但发展却超出了这一领域，而成为科学 计算中一种标准计算工具，在热力学领域，通常用最小势能原理来推导有限元方 程，以节点自由度作为未知数来建立方程，首先用节点自由度来表示势能( 万。) ， 限元方程。 ( 2 1 6 ) 的势能泛函 ( 2 1 7 ) 其中万竽为由下式给出的单元e 的势能： 万箩) - 丢胙r 【d k 一2 9 0 ) d v 一胪7 勰。一胪7 和y ( 2 - 1 8 ) 。)掰” v ” 其中矿( e 是单元的体积；s f “，万分别为面力或阻力所在的单元部分面积和面力， 向量是单位体积中的体积向量；歹通过对方程( 2 - 1 6 ) 进行适当微分后，方程( 2 - 1 8 ) 中否的应变向量可以用位移向量耍8 表示为 占2 其中 o u | o x o v 加 o wlo z o u 加+ o v 苏 o v a z + o w a v 孤| o x + o u | a z 8 o x o 0 a 卸 o a a z o a 加 0 a | o x a | a z o 0 o a | a z o a 却 a | 瓠 舭沙秒， 1 4 、l_il_-ll_【，ii-l_-l_， 搿 2 秒 弦 嚣 占占占 占 占 占 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 节点上有 的节点位 移向量豆的方向相同) ，则结构或物体的总势能可用下式表示： = 万罗一耍丘 ( 2 2 2 ) e = l 4 其中 q = 引 ( 2 2 3 ) 为整个结构或物体的节点位移矩阵，m 为节点位移或自由度的总数，必须指出 的是，向量豆( p = 1 , 2 ，3 ，e ) 的每个分量都出现在结构或物体的整体坐标位移向 量豆中( 如陋 ，i n ，歹，歹) 。因此，如果对式中的其余单元矩阵或向量补上必需 数量的零元素来加以扩大，并对元素进行必要的重新排列，则每个单元的亘似就 可以用来代替耍。也就是说，方程( 2 2 2 ) 的总和号意味着把重叠的项相加， 把单元矩阵扩大为“结构或物体大小的矩阵。因此，由方程( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 得 浙江工业大学硕士掌位论文 砟= 吾亘r l 壹删陋f 【d p 】d yi 耍 ( 2 2 4 ) 一孽喜l 驴7 d k _ 肛妒7 西谢一驴7 孔y 卜辱 方程( 2 2 4 ) 是以节点自由度亘表示的结构或物体的总势能。用下述势能最小的 条件可求出结构的静力平衡方程为 要：要：耍( 2 - 2 5 ) 一= = = = i i a 9a q ：a 锄 。 即 善：石( 2 - 2 6 ) a d 7 根据方程( 2 2 4 ) ，可把方程( 2 2 6 ) 表示为 童kc e ，恒：尼+ e 陋c e ，+ 最e ，+ 最e ，) ：户 其中： 结构或物体的整体刚度矩阵 k 】：壹k 】：壹胪】7 【d p 】d y ； 单元刚度矩阵 k 】= 时 o l b d v ； 结点位移的整体向量亘 结点力总向量 零= 辱+ 芝j 胪r o e 0 d v 一肛d s m 阿d vl p 。1 k 矿i f s f 矿r j 集中荷载向量丘 单元结点力向量 户扣) = 艺l j p r p k d y 一肛f 西d s 一小 7 面d v 口il 矿 辨矿( f 由初应变引起的单元结点力向量 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 31 ) ( 2 3 2 ) 1 6 为集合整体刚度矩阵 及 e ee 零= 曩+ 善霉扣+ 善屈。+ 善犀。 为集合( 整体) 节点荷载向量 ( 5 ) 解出方程( 2 3 6 ) 后，可得到节点位移解和所需的单元应力。 2 4 本章小结 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 本章介绍了车灯的结构和传热学理论，分析了车灯内存在的热量传递过程， 阐述了车灯热分析的有限元基本理论，为车灯热分析奠定了理论基础。 1 7 浙江工业大掌硕士掌位论文 第三章车灯热分析建模技术研究 有限元法作为科学技术中的一种标准计算工具，在许多领域中得到了广泛使 用，主要有流体力学、空气动力学、地质力学、生物力学都已取得丰硕的成果， 在交叉学科以及耦合应用方面i 有限元已成功用于诸多系统耦合作用中，同时还 可以考虑耦合的静态与动态问题。除了以上几个方面得到广泛的应用以外，近年 来有限元方法在温度场和温度应力问题上也得到了应用。目前较流行的有限元软 件几乎都具有求解温度场的功能模块，适用于各种结构工程中温度场、热应力问 题，涉及汽车，钢筋混泥土，复合材料，晶体结构，压力容器，机械，电子仪器 等多领域。而要正确进行车灯热分析，合理建立分析模型是关键。 3 1 车灯温度场计算建模研究 图3 1 温度场求解过程 浙 王工业大掌硕士掌位论文 对车灯温度场问题进行数值求解的基本思想可以概括为：把原来在时间、空 间坐标系中连续的温度场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一 定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求温度值。这些离 散点上被求温度值的集合称为温度场的数值解。这一基本思想可用图3 1 所示的 求解过程的框图来表示。正确计算车灯温度场要考虑几个问题，其中关键是计算 模型的建立，包括车灯温度场特殊单元的构建、准确处理边界条件、初始条件、 载荷条件和车灯材料热特性。 、 3 1 1 车灯温度场边界条件研究 1 边界条件 为了得到每一个节点的平衡微分方程有唯一解，需要一定的边界条件和初始 条件( 统称为定解条件) 与微分方程联立求解，热问题边界条件主要有三类，其 关系如图3 2 所示： 图3 2 温度场的边界条件 ( 1 ) 第一类边界条件 由图3 2 可知，第一类边界条件是指物体边界上的温度函数为己知，用公式 表示为： t r = 或 t r = i ( x ，y ，) ( 3 - 1 ) 1 9 浙江工业大掌硕士学位论文 其中，r 为物体边界，r 的方向是逆时针方向；t w 为已知壁面温度( 常数) ，z ( x ，y ，f ) 为已知壁面温度函数( 随时间、位置而变) 。 本文研究的车灯温度场就属于这类边界条件，在开始时，物体边界温度为室 温。 ( 2 ) 第二类边界条件 第二类边界条件是指物体边界上的热流密度q 为已知。用公式表示为： 一尼争锄。 “ 或， 一七娶卜g ，) ( 3 - 2 ) 锄 。、“ 式中，q 为已知热流密度( 常数) ，q 的方向是边界面外法线n 的方向，亦即热流量 为从物体向外流出；g ( x ，y ，f ) 为已知热流密度函数。 ( 3 ) 第三类边界条件 第三类边界条件是指与物体向接触流体介质的温度t 和换热系数口已知，用 公式表示为： 一尼望i ，：a p 一0 】r (33on 、j 月 口和l 可以是常数，也可以是随时间和位置而变化的函数，如果不是常数，则 在数值计算中取平均值作为常数1 9 1 。 对于车灯温度场计算其特殊结构的边界条件，根据以前研究的成果，车灯在 点亮3 0 分钟左右，基于以下原因考虑可以忽略腔内流体的换热作用，仅仅考虑以 辐射和导热为主的换热形式，从而把流固耦合简化为只有辐射和导热的固体温度 场条件。 1 ) 灯泡发出的光线以光速传递热，在热辐射的影响下，车灯各部件温度急 剧升高。 2 ) 灯体换气孔上套着橡皮管，橡皮管又被海绵塞住，腔内空气与外界空气 难以换热，所以腔内气体的流速很慢，需要很长的时间才能在腔内形成 稳定的气流。 3 ) 车灯一般是由两个空腔组成，一个是面罩与反射体形成的腔体；个是 灯体与反射体形成的腔体。因为装饰框的作用，使这两个腔体几乎是各 浙江工业大掌硕士掌位论文 自密封的，外界气体要通过灯体上的换气孔与面罩和反射体形成的腔体 换热是很困难的，外界气体只能通过一些细小的缝隙流通到前面腔体， 因此在点亮车灯后的一段时间里这个腔体的温度分布基本上是靠热辐 射决定。 4 ) 对腔体里的高温、流动的气体，流动可以带走一部分热量，而高温的气 体通过热传导又可以补充一部分热量，因此完全不考虑气体流动换热 和传导换热，对整个车灯温度系统来说影响不大。 2 初始条件 初始条件是指传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值，用 公式表示为： 丁k = 瓦 或 丁k = 9 似，y ) ( 3 4 ) 式中，瓦为已知常数，表示物体初温是均匀的；妒g ，y ) 为已知函数，表示物体初 温是非均匀的。在车灯温度场计算时，一般认为车灯的初始温度是均匀的，且温 度跟室温接近。 3 载荷条件 车灯点亮后热量是由灯泡发出来的，在计算时热源模型的建立至关重要，直 接影响着结果的正确。实际灯泡的辐射模型如图3 3 ，但在车灯温度计算中灯泡 与再辐射 图3 3 灯泡辐射模型 的辐射模型即热源模型可以描述成几种方式，其一以灯丝作为热源，其二以灯泡 整个系统作为热源。 2 l 浙江工业大学硕士掌位论文 ( 1 ) 以灯丝作为热源 1 ) 线形模型 将整个灯丝分为m 个小单元，假设灯丝长为l ，那么每个发光小单元的长 ， 度为兰，而宽度2 r 保持不变。每个小单元抽象为一个点光源，取每个小单元中 ，拧 心为发光点。最后再把计算结果合成就得到近似的发光分布结果。当灯丝被等分 后，由s t e f a n b o l t a m a n 定律可得，灯丝中间部分的热辐射就比边缘部分强，如 图3 4 ，把这个结果考虑进去就可以得到更接近真实情况的计算结果。 温度 二ff 一h 分一 图3 4 灯丝温度分布示意图 2 ) 柱形模型 将整个灯丝在轴向分割成三段，并在分割处周向取点。每个点抽象为一个 点光源。同样道理，也应考虑到中间的点光源有更强的热辐射。采用柱形分割比 线形分割能更好的模拟灯丝的空间分布。 3 ) 螺旋形模型 为了得到更真实的灯丝模型，用圆柱螺旋方程来模拟灯丝的形状。先建立灯 丝的螺旋方程。当圆柱螺旋线的轴线与坐标系的z 轴重合时，圆柱螺旋线上动 点m ( x ，y z ) 的参数方程如下： j ，；三：兰：三 【z = f l a ( 2 x ) ，一圆柱面的半径： 口一螺旋线升角； ，一导程( 母线旋转一周，动点m 沿着轴向方向上升的距离) ，右旋取正 号，左旋取负号。 为了更好的模拟灯丝的发光情况，直接在灯丝的螺旋体上取点光源，那么每 浙江工a k , 大掌硕士掌位论文 个点的坐标可以由圆柱螺旋线上的动点m ( x ，y ，z ) 的参数方程直接算出。般汽 车的前照灯，灯丝长度5 一- 7 m m ，而反射面的焦距为2 0 - - 一4 0 m m ，这时必须考虑 灯丝的形状和长度尺寸。实际的灯丝是螺旋线装缠绕而成的圆柱体，直径l m m 左右，远小于与反射面之间的距离2 0 - 2 2 。如果灯丝采用柱形模拟，灯丝长度取 5 m m ，螺旋直径lm m ，灯丝发光功率5 5 w ，发光效率1 5 。依据s t e f a n b o l t a m a n 定律e 。= o t 4 ，计算出灯丝温度大约2 6 9 1 k ，与厂家提供的2 7 7 3 k 十分接近。 ( 2 ) 以灯泡整体作为热源 将灯泡壁及灯丝等组成的整个灯泡看成一个系统，并以灯泡壁为热源给予均 匀的热流密度，这个系统的发热功率为灯丝的发热功率。本文采用这种模型来模 拟车灯的热源模型，因为以灯丝为热源时，灯丝被玻璃的灯泡壁包在里面，灯丝 辐射出的热量不是所有都透过灯泡壁，此时需考虑灯丝与灯泡壁之间的热传递， 这样就增加了模型的复杂性。 3 1 2 车灯温度场特殊单元研究 常规车灯经加工成型后，为提高其表面反射率，多以镀铝作为反射膜。考虑 到膜层的附着力和耐酸碱能力，在国内其工艺包括车灯基底清洗、上底漆、烘干、 真空镀铝、上保护漆等5 个环节。反射体和装饰框由这种工艺形成的结构可以近 似看成是由一层b m c 和一层铝合成的层合板壳结构，查阅相关标准，镀铝厚度 一般是5 0 0 2 0 0 0