（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）車燈熱分析關(guān)鍵技術(shù)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 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 工 個(gè) 育 均 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借 閱。本人授權(quán)浙江工業(yè)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 l 、保密阢在壟年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密口。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“ ) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 犧 憨幻 日瓤：魄年f 黽三1 日 日期：o 艿年歲月視日 。 碩士學(xué)位論文 錄 3 1 2 車燈溫度場(chǎng)特殊單元研究2 3 3 1 3 車燈材料熱特性研究2 8 3 2 車燈熱應(yīng)力計(jì)算建模研究3 3 第四章車燈溫度場(chǎng)分析3 5 4 1 幾何模型簡(jiǎn)化3 5 4 2 結(jié)構(gòu)離散3 6 4 3 輻射角系數(shù)矩陣的生成3 7 4 3 1 定義輻射面3 7 4 3 2 生成輻射角系數(shù)矩陣3 8 4 3 3 在熱分析中使用輻射角系數(shù)矩陣4 0 4 4 邊界條件和載荷4 0 4 5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果4 0 4 6 車燈溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)4 l 4 6 1 實(shí)驗(yàn)方案4 l 4 6 2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比4 4 第五章車燈熱應(yīng)力分析4 7 5 1 車燈熱應(yīng)力計(jì)算4 7 5 1 1 車燈的物性參數(shù)4 7 5 1 2 車燈熱廊力分析的計(jì)算模型4 7 5 1 3 車燈熱應(yīng)力求解4 8 5 2 車燈熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)4 9 5 2 1 實(shí)驗(yàn)方案4 9 5 2 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析5 4 第六章總結(jié)與展望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 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 車燈被譽(yù)為“汽車的眼睛”，不僅起到照明指示作用而且還直接影響汽車外 表的美觀和個(gè)性化服務(wù)，其性能的好壞對(duì)安全行駛起著至關(guān)重要的作用，直接關(guān) 系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，駕駛員有關(guān)交通的信息在8 0 以上是通過 視覺獲得的，包括道路的表面形狀、方向、交通信號(hào)、交通標(biāo)志的內(nèi)容，本車所 處的交通環(huán)境以及對(duì)面方向上的車流等，以上信息在白天很容易通過視覺獲得。 但在沒有光線的夜間，特別是在惡劣環(huán)境下，如雨天、霧天或煙塵等干擾的情況 下，就相對(duì)困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：夜間發(fā)生交通事故大約是白天的3 倍，有資 料顯示，一般夜間行駛里程僅占總行駛里程的2 0 ，但致命的事故卻占5 0 ， 特別是在天氣狀況不好時(shí)更為嚴(yán)重，可見保證汽車照明系統(tǒng)正常工作對(duì)行車的重 要性【l 】o 1 1 車燈的發(fā)展 1 8 9 8 年，哥倫比亞號(hào)電動(dòng)汽車把電用于前燈和尾燈，這樣第一個(gè)車燈就產(chǎn) 生了，最初的前大燈不能調(diào)光，所以在會(huì)車時(shí)有些晃眼。從早期乙炔氣前照燈發(fā) 展到當(dāng)今的自由曲面反射鏡氣體放電前照燈，及最近越來越多的l e d 燈，經(jīng)歷 了七代發(fā)展： ( 1 ) 第一代乙炔氣前照燈 1 9 0 6 年，世界上第一次用一個(gè)蓄電池供電的電燈照明。在1 9 0 9 年，首次把 乙炔燈作為變光裝置，而前照燈具有高的輪廓亮度，乙炔氣火焰的亮度比當(dāng)時(shí)的 電光源所能達(dá)到的亮度高出一倍，因而，在1 9 2 5 年以前使用的汽車前照燈幾乎 全是乙炔前照燈。 ( 2 ) 第二代電光源前照燈 1 9 1 3 年帶螺旋燈絲的充氣自熾燈泡問世，因其具有較高亮度，給電光源前 照燈開辟了廣闊的前景。然而由于當(dāng)時(shí)汽車電氣設(shè)備系統(tǒng)的制約，直到1 9 2 5 年， 電氣照明才得到廣泛的應(yīng)用。 ( 3 ) 第三代雙光燈芯前照燈 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 為解決在會(huì)車時(shí)因前照燈的強(qiáng)光造成駕駛員炫目而導(dǎo)致發(fā)生交通事故和撞 車的嚴(yán)重問題，雙光燈芯前照燈的出現(xiàn)，其特點(diǎn)是遠(yuǎn)光燈絲功率較大，安裝時(shí)位 于反射鏡焦點(diǎn)上，近光燈絲功率較小，安裝時(shí)位于反射鏡焦點(diǎn)上方，但也沒有完 全解決汽車車燈的配光問題，汽車會(huì)車時(shí)的這種眩目問題，依然是汽車照明技術(shù) 中的最大難題。 ( 4 ) 第四代不對(duì)稱近光前照燈 雙光燈芯前照燈系統(tǒng)屬于對(duì)稱近光系統(tǒng)，這種車燈在由遠(yuǎn)光變?yōu)榻鈺r(shí)，駕 駛員能見度降低，車速也就隨之降低，為解決在會(huì)車過程中，前照燈既不產(chǎn)生炫 目，又能保證對(duì)道路具有良好的照明，1 9 3 2 年美國(guó)發(fā)明了不對(duì)稱前照燈，它是 以基準(zhǔn)軸為中心，將光束一分為二，靠近來車一側(cè)的落地距離短( 即光束壓低， 從而防眩) ，而另一側(cè)光束的落地距離長(zhǎng)( 即光束抬高，從而增加視線) 。 ( 5 ) 第五代鹵鎢前照燈 第一批裝有鹵鎢燈泡的汽車前照燈是由法國(guó)“斯貝”公司在1 9 6 4 年生產(chǎn)的， 在燈泡中充入惰性氣體，再摻進(jìn)鹵族元素，其燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡 高，光效增加約5 0 ，壽命也增加一倍。此后汽車的生產(chǎn)前大燈照明多采用了 鹵鎢燈泡的原理。 ( 6 ) 第六代充氙氣燈泡 氙氣燈，燈泡內(nèi)部填充優(yōu)質(zhì)的惰性氣體氙氣，并選擇高品質(zhì)的鎢絲和優(yōu)質(zhì)的 石英玻璃管，使燈泡的使用壽命和亮度發(fā)揮極至。亮度達(dá)到3 2 0 0 流明以上。此 類燈泡因沒有改變?cè)嚐襞莸耐庑纬叽?，所以不?huì)產(chǎn)生聚焦不準(zhǔn)的問題。這樣的 燈泡聚光效果非常好，而且數(shù)值在4 3 0 0 k 以上，色澤柔和、燈光白亮，最適合 汽車升級(jí)照明。 ( 7 ) 第七代氙氣燈泡 h i d 氙氣燈采用高電壓放電技術(shù)氙氣灌入石英內(nèi)館，在透過精密安定器通過 三次變壓將1 2 伏特電力瞬間提高至2 3 0 0 0 伏特以上，激發(fā)管內(nèi)的氙氣電子游離， 在兩電極間形成一束超強(qiáng)電弧光持續(xù)發(fā)光，使光色更亮【2 1 。 1 2 車燈存在問題 車燈發(fā)展到現(xiàn)在，相對(duì)于舊式車燈，其體積、形狀以及材料都有了很大的改 2 浙江工業(yè)大掌碩士學(xué)位論文 變。車燈已經(jīng)成為汽車、特別是轎車漂亮的外形和功能的重要構(gòu)成部分。其設(shè)計(jì) 涉及到材料、光學(xué)、結(jié)構(gòu)以及傳熱等多方面的因素。雖運(yùn)用大量先進(jìn)技術(shù)，使車 燈質(zhì)量日益完善，但在以往的車燈設(shè)計(jì)中，是以光學(xué)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)地位，而建立在 車燈內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的分析基礎(chǔ)上的熱設(shè)計(jì)基本上是空白，這有時(shí)導(dǎo)致車燈 設(shè)計(jì)不合理，車燈內(nèi)熱量難以排出，經(jīng)過一定時(shí)間的積累，會(huì)使面罩產(chǎn)生微裂紋， 甚至變形，另外熱設(shè)計(jì)不合理還會(huì)導(dǎo)致車燈結(jié)霧，車燈結(jié)霧是影響車燈質(zhì)量的另 一個(gè)主要問題。 ( 1 ) 車燈熱變形 燈泡點(diǎn)亮?xí)r車燈溫度急劇升高，由于車燈零部件都是高分子材料，熱變形溫 度較低，所以一旦溫度達(dá)到其材料的熱變形溫度時(shí)，零部件將發(fā)生軟化變形、燒 焦，車燈的變形不僅影響了外觀，也影響了車燈的裝配和正常使用。所以車燈設(shè) 計(jì)時(shí)，車燈內(nèi)部的溫度場(chǎng)的研究有助于車燈選材，了解新材料是否能承受車燈內(nèi) 部的使用溫度及判斷該材料的耐用性。因此如果提前預(yù)知車燈內(nèi)部溫度場(chǎng)的分 布，可以幫助企業(yè)節(jié)約重復(fù)嘗試新材料的財(cái)力和人力。 另一種熱變形是由熱應(yīng)力引起的，我們知道物體受熱膨脹或變冷收縮是一種 物理現(xiàn)象。固體的溫度場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，體內(nèi)任一點(diǎn)( 微小單位體) 的熱變形( 膨 脹或者是收縮) 受到周圍相鄰各單元體的限制而不能自由地變化。同時(shí)如果固體 的邊界受到其它物體的約束，也會(huì)使體內(nèi)任一點(diǎn)的熱變形不能自由地變化。固體 的這種內(nèi)部和外部的約束作用，對(duì)體內(nèi)任一點(diǎn)造成一定的應(yīng)力，使該點(diǎn)溫度變化 對(duì)應(yīng)的熱變形部分或全部都不能發(fā)展。由于溫度的改變?cè)趶椥泽w內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力 稱為溫度應(yīng)力或熱應(yīng)力【3 】。對(duì)于各向同性的彈性體，它在所有的方向上熱膨脹系 數(shù)都一樣的，對(duì)于沒有任何約束的完全自由的彈性體，當(dāng)溫度均勻地改變時(shí)可以 自由地在所有方向均勻膨脹，所以只有熱應(yīng)變而無熱應(yīng)力發(fā)生，然而，當(dāng)有約束 或雖無約束但溫度的改變不均勻，這時(shí)相鄰介質(zhì)之間將由于膨脹不均勻而彼此相 互約束，因而就必然引起彈性變形，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。車燈在使用過程中，由于 各部件相互約束且溫度的不均勻變化也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，若是設(shè)計(jì)不合理，嚴(yán)重時(shí) 會(huì)出現(xiàn)裂痕、銀紋等熱缺陷，如圖1 1 所示。 ( 2 ) 車燈結(jié)霧 空氣中的水蒸氣遇冷凝結(jié)在車燈透鏡罩內(nèi)表面，不僅影響車燈外觀，而且將 會(huì)影響車燈的配光，使車燈配光達(dá)不到規(guī)定的要求，從而使得車燈照明效果大打 折扣，影響行車安全。結(jié)霧形成的霧珠是車燈內(nèi)積水的主要來源之一，結(jié)霧嚴(yán)重 時(shí)會(huì)在車燈內(nèi)產(chǎn)生積水，車燈內(nèi)的積水很難排出，會(huì)形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重威脅車 燈燈泡的使用壽命和車燈電路的安全，此外水蒸氣在車燈反射體和面罩表面的長(zhǎng) 期凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致車燈材料腐蝕，材料加速老化變形，并因此帶來一系列的問題：霧 氣形成對(duì)車燈內(nèi)部的光線的影響，如水珠對(duì)光的散射吸收使得車燈的光學(xué)性能產(chǎn) 生偏差、失調(diào)以及影響汽車的整體美觀。目前，車燈的結(jié)霧問題，已經(jīng)成為影響 車燈使用壽命和照明質(zhì)量的一個(gè)重要因素。 1 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 車燈熱應(yīng)力問題屬于熱彈性力學(xué)問題，熱彈性力學(xué)研究彈性體內(nèi)溫度的變化 與此有關(guān)的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，以及相關(guān)的理論、分析方法、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。 它涉及傳熟學(xué)、彈性力學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)。在五、六十年代，結(jié)合具體構(gòu)件熱 應(yīng)力的計(jì)算研究較多。七十年代，熱應(yīng)力研究在理論方面更進(jìn)一步，不少學(xué)者從 新江工業(yè)大掌碩士學(xué)位論文 連續(xù)體力學(xué)理論出發(fā)，即從質(zhì)量守衡、能量守衡、熵不等式、自由能和構(gòu)造理論 基本定律和理論出發(fā)，建立熱傳導(dǎo)方程、熱彈性材料本構(gòu)方程、熱彈性運(yùn)動(dòng)方程 和其它基本方程，進(jìn)行分析研究。近年來，理論研究的一些重要課題，如熱彈性 耦合理論，熱沖擊等的研究正在繼續(xù)深入。同時(shí)由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛使 用，熱應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算方法得到了迅速發(fā)展，從而使復(fù)雜形狀和非均質(zhì)的構(gòu)件的 熱應(yīng)力、溫度場(chǎng)、熱變形等的計(jì)算成為可能。 現(xiàn)代車燈由于汽車外觀造型的需要，車燈型腔復(fù)雜開口變小，且材料基本采 用熱傳導(dǎo)性很差、熱變形溫度很低的塑料，因此除了通常的光學(xué)設(shè)計(jì)外，更迫切 需要熱分析設(shè)計(jì)的引入。由于熱設(shè)計(jì)方法屬于前沿領(lǐng)域，對(duì)車燈溫度場(chǎng)的分析國(guó) 外鮮有文獻(xiàn)，而國(guó)內(nèi)研究也很少。 ( 1 ) 國(guó)外研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)外著名汽車廠家在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段都對(duì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì) 算，如研究汽車車室內(nèi)溫度場(chǎng)分布的合理性和車室內(nèi)的氣流組織情況，并根據(jù)模 擬計(jì)算的結(jié)果改進(jìn)汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使汽車車室內(nèi)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布更 加合理，更好的滿足司機(jī)和乘客的熱舒適性要求。例如美國(guó)通用汽車公司、同本 鈴木公司等在較早的時(shí)候就開始采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行溫度場(chǎng) 和速度場(chǎng)的研究，并在這方面取得了一定的成果。在車燈內(nèi)部溫度場(chǎng)、流場(chǎng)研究 方面，w 訂l j a mi m o o r e 等人研發(fā)了一個(gè)將鏡面輻射和流體流動(dòng)耦合的計(jì)算軟 件，名為a d i n a - f 。a d i n a fc f d 軟件可以用鏡面和漫反射表面建立面對(duì)面反射、 吸收、透射的輻射模型，如圖1 2 所示。這個(gè)模型和流動(dòng)傳熱模型相結(jié)合就可以 i r r a n m 拓； a 赫州 蛔 r v 饑， p d 畦帕l l _ 瞎 【z n k ：a q _ 口血 t # ，乍i 血1 4 _ 時(shí) i 的n 0 鼬h 叫 圖1 2 車燈輻射模型 準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜車燈模型的溫度場(chǎng)。a d i n a f 采用粘性不可壓流動(dòng)模型來處理空氣 自然對(duì)流。溫度預(yù)測(cè)用穩(wěn)態(tài)迭代來進(jìn)行?；谝陨夏Ｐ?，m o o r e 等人對(duì)燈絲、燈 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 泡、燈室、反射鏡等固體的溫度進(jìn)行了計(jì)算【4 j 。 ( 2 ) 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)汽車界和學(xué)術(shù)界，對(duì)車燈內(nèi)部溫度場(chǎng)的研究還處于剛剛起步階段，國(guó) 內(nèi)清華大學(xué)和上海小糸車燈公司對(duì)結(jié)霧機(jī)理做過一些探索性研究，指出了影響車 燈結(jié)霧的幾大因素。另外江蘇大學(xué)針對(duì)羚羊車前照燈的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了研 究，從車燈材料等方面提出了車燈設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。 1 4 本文研究的主要內(nèi)容 研究目的：根據(jù)車燈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作狀況，針對(duì)車燈熱缺陷常見問題，研究 車燈溫度場(chǎng)計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，如快速車燈計(jì)算模型、車燈復(fù)合層板殼體有限元建 模、車燈結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力計(jì)算。 本文的具體研究?jī)?nèi)容如下： ( i ) 車燈傳熱機(jī)理分析，對(duì)車燈點(diǎn)亮后車燈各部件之間及車燈內(nèi)部與外部 的熱傳遞機(jī)理進(jìn)行分析，并在現(xiàn)有的快速模型【5 】【6 1 基礎(chǔ)上依此簡(jiǎn)化車燈傳熱形式 和車燈熱源模型。 ( 2 ) 車燈溫度場(chǎng)計(jì)算模型的關(guān)鍵技術(shù)研究。車燈溫度場(chǎng)的分析由于涉及到 車燈的反射體、裝飾框、面罩、遮光罩以及燈泡。其中主要零件反射體和裝飾框 為大厚度比復(fù)合層板殼體，其有限元分析模型的準(zhǔn)確程度決定了計(jì)算的正確性與 實(shí)用性，是本文研究的重點(diǎn)。 ( 3 ) 車燈溫度分析。采用a n s y s 軟件計(jì)算0 8 4 前霧燈的溫度場(chǎng)，并設(shè)計(jì)實(shí) 驗(yàn)方案，完成車燈溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并與理論溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn) 證分析模型的正確性。 ( 4 ) 車燈結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力計(jì)算。在正確分析車燈溫度場(chǎng)的前提下，研究車燈結(jié) 構(gòu)熱應(yīng)力的計(jì)算，并采用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證計(jì)算方法，最后探索熱應(yīng)力作用下車燈失 效的形式。 1 5 本章小結(jié) 本章闡述了車燈的發(fā)展及存在的問題，介紹了課題研究的背景和意義，分析 6 7 礎(chǔ) 汽車車燈有很多種類，可分為照明類燈具( 前照燈、前霧燈和倒車燈等) 合信號(hào)類燈具( 位置燈、示廓燈、制動(dòng)燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)燈等) ，所有的車燈系統(tǒng)一 般由以下幾個(gè)部分組成： ( 1 ) 產(chǎn)生光的部分，即光源。 ( 2 ) 收集、聚焦并散發(fā)光的部分。 ( 3 ) 調(diào)整光線的部分。 ( 4 ) 保護(hù)外圍環(huán)境而不對(duì)其他道路使用者造成不良影響部分。 以前照燈為例，其主要有由六個(gè)部件組成：燈泡、遮光罩、反射體、面罩、 燈體和裝飾框，如圖2 1 【7 】所示。 燈體 2 2 傳熱學(xué)理論 圖2 1 前照燈零部件圖 點(diǎn)亮車燈時(shí)，燈泡發(fā)出的光線經(jīng)過反射體的反射，透過面罩照射出來，形成 一束向前發(fā)射的平行光。在裝配好的車燈上，反射體與燈體和面罩之間均有間隙， 使得空氣可以在整個(gè)腔體內(nèi)流通。燈體的尾部一般有通氣孔，用以排出或吸入氣 體，使得點(diǎn)亮或熄滅燈泡時(shí)都可以保持燈內(nèi)壓力的穩(wěn)定，以防止車燈部件受壓變 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 形。這么一個(gè)復(fù)雜的過程包含了熱量傳遞的三個(gè)基本過程：熱傳導(dǎo)( h e a t c o n d u c t i o n ) 、熱對(duì)流( h e a tc o n v e c t i o n ) 和熱輻射( t h e r m a lr a d i a t i o n ) 8 - 1 0 】。 車燈內(nèi)部及其與外界傳熱如圖2 2 t 1 1 】所示 外界環(huán)墉 2 2 1 熱傳導(dǎo) 圖2 2 車燈內(nèi)外部熱交換 熱傳導(dǎo)是在直接接觸的兩物體之間或在同一物體各部分之間存在溫度梯度 情況下所發(fā)生的能量傳遞過程。完成這一過程的途徑有兩種：一種是在有溫度梯 度存在的固體、液體或氣體中，由于分子的相互作用而使相對(duì)能量水平較高( 溫 度較高) 的分子將能量傳給鄰近能量低的分子；另一種是依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)而 傳遞能量。但在引力場(chǎng)下，單純的熱傳導(dǎo)一般只發(fā)生在密實(shí)的固體中，因?yàn)?，?有溫差時(shí)，液體和氣體中可能出現(xiàn)熱對(duì)流而難以出現(xiàn)單純的熱傳導(dǎo)。 傅立葉( f o u r i e rj ) 在實(shí)驗(yàn)研究熱傳導(dǎo)過程的基礎(chǔ)上，把熱流矢量和溫度梯 度聯(lián)系起來，得到 9 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 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 年由傅立葉提出的熱傳導(dǎo)基本定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，亦稱傅立葉定 律，式中的比例系數(shù)旯稱為熱傳導(dǎo)系數(shù)。在車燈工作的過程中，由于車燈的結(jié)構(gòu) 關(guān)系，各部件之間存在著熱傳導(dǎo)，如反光鏡與面罩之間、反光鏡與燈罩之間等。 在計(jì)算過程中，主要是將各個(gè)零部件的熱導(dǎo)率作為材料參數(shù)加以定義并參與計(jì)算 的。 2 2 2 熱對(duì)流 對(duì)流是固體表面與其上流過的流體能量傳遞過程。這種過程的完成一方面依 靠流體分子間導(dǎo)熱的作用，另一方面還由于流體流動(dòng)產(chǎn)生位移的作用。所以對(duì)流 換熱除了要受導(dǎo)熱規(guī)律的控制外，還要受流體流動(dòng)規(guī)律的支配，因此影響傳熱過 程的因素有流體的流動(dòng)情況、流速、密度、比熱、粘度和導(dǎo)熱系數(shù)等。計(jì)算對(duì)流 換熱的基本公式是牛頓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 。一固體壁表面溫度， f ，流體溫度， h 一對(duì)流換熱表面系數(shù)，w ( m 2 k ) 車燈工作時(shí)存在強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流兩類對(duì)流，其中燈罩直接與外界接觸，在汽 車行駛中處于強(qiáng)迫對(duì)流狀態(tài)，在汽車靜止時(shí)又會(huì)處于自然對(duì)流狀態(tài)。而對(duì)車燈內(nèi) 部燈泡點(diǎn)亮?xí)?duì)周圍的空氣加熱，關(guān)閉時(shí)熱空氣會(huì)冷卻，空氣在受熱后會(huì)膨脹， 從而擠壓燈內(nèi)空氣向外排出，冷卻時(shí)空氣收縮并吸進(jìn)外界空氣。因此燈絲與燈泡 壁、燈泡壁和透鏡罩、燈泡壁和燈外殼以及燈泡壁和反射鏡之間都存在著自然對(duì) 流，也就是說車燈內(nèi)部空氣的流動(dòng)形態(tài)為自然對(duì)流。 2 2 3 熱輻射 與熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流不同，輻射換熱并不借助于介質(zhì)，它依靠物體表面對(duì)外發(fā) 射可見和不可見的射線( 電磁波，或者說光子) 傳遞熱量。熱輻射的電磁波是物 l o 浙江工業(yè)大掌碩士學(xué)位論文 體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)激發(fā)出來的。只要物體的溫度高于“絕對(duì)零 度”，物體總是不斷地把熱能變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出熱輻射。同時(shí)，物體亦不斷 地吸收周圍物體投射到它表面上的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變成熱能。 物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也大不一 樣。在探索熱輻射規(guī)律的過程中，科學(xué)家們提出了一種稱為黑體的理想化模型。 黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射熱量由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 ) 一斯蒂芬一玻爾茨曼常數(shù)，亦稱黑體輻射常數(shù)，吼= 5 6 7 1 0 w ( m 2 k 4 ) ； 丁一熱力學(xué)溫度( k ) 。 實(shí)際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體。實(shí)際物體輻射熱流量的計(jì)算可 以采用s t e f a n - - b o l t z m a n n 定律的經(jīng)驗(yàn)修正形式： = e a c r 6 t 4 w m 2( 2 - 5 ) 占一實(shí)際物體表面的發(fā)射率，也稱黑度，其值處于o 1 2 _ 間。 工程中在計(jì)算表面間的輻射換熱是，表面間的輻射換熱與表面幾何形狀、大 小和各表面的相對(duì)位置等幾何因素有關(guān)，這些因素常常用角系數(shù)來考慮。角系數(shù) 的概念是隨著固體表面輻射換熱計(jì)算的出現(xiàn)與發(fā)展，于2 0 世紀(jì)2 0 年代提出的，是 一個(gè)無量綱量。它有很多名稱，如：形狀因子，可視因子，交換系數(shù)等等。在不 同領(lǐng)域中有不同的叫法，但角系數(shù)是比較常用的。 在討論角系數(shù)時(shí)，假定：( 1 ) 所研究的表面是漫射的；( 2 ) 在所研究表面的 不同地點(diǎn)向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的。在這兩個(gè)假定下，物體的表面溫度 及發(fā)射率的改變只影響該物體向外發(fā)射的輻射能的多少而不影響在空間的相對(duì) 分布，因而不影響輻射能落到其它表面上的百分?jǐn)?shù)。于是，角系數(shù)就純是一個(gè)幾 何因子，與兩個(gè)表面的溫度及發(fā)射率沒有關(guān)系，從而給其計(jì)算帶來很大的方便。 實(shí)際工程問題雖然不一定滿足這些假定，但由此造成的偏差一般均在工程計(jì)算允 許的范圍之內(nèi)，因此這種處理方法在工程中廣為采用。 有兩個(gè)表面1 及2 ，都符合上述假定，如兩表面間為透明介質(zhì)，則表面1 對(duì)表 面2 的角系數(shù)( a l ，是：表面1 直接投射到表面2 上的能量，占表面1 輻射能量的百分 比。表面1 的輻射能量是表面1 的有效輻射，表面1 直接投射到表面2 上的能量是表 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 面1 對(duì)表面2 的投射輻射。所以角系數(shù)的定義式可以寫為 緲1 2 2表面1 對(duì)表面2 的投射輻射一q 1 z 表面1 的有效輻射 q 1 ( 2 6 ) ( 1 ) 微元面對(duì)微元面的角系數(shù) 有兩個(gè)彼此看的見的微元面以。和么：，其中心的聯(lián)線長(zhǎng)為廠，聯(lián)線與兩微元 面法線間的夾角分別為研和島，d a 。中心對(duì)么：的立體角為拉。則 d 仇塒：= 百q d l , d 2 = 面q d l , d 2 ( 2 7 ) 式中：幺，表示幽。的有效輻射；。表示幽的有效輻射力，= x 。，。表示有 效輻射強(qiáng)度；仍“2 表示姒l 對(duì)幽2 的投射輻射，它等于q 叫2 = ，。lc o s 0 , d a l 施， 根據(jù)立體角定義艘。= c o 了s o 廠翹一2 ，將以上諸式代入式( 1 ) ，得 慨：= 地皆= 半地 同理，d a 2 對(duì)姒。的角系數(shù)為 卻d 2 , d l = 學(xué) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 ) 微元面對(duì)面的角系數(shù) 微元面幽。對(duì)面a ：的角系數(shù)為 一學(xué)：業(yè)半= 爿m ： 協(xié) 式中，么：。為被幽l 看得見的a 2 的面積。n l 里d a ：對(duì)面a 。的角系數(shù)為 紈：，。= f d ( p d ：，d 。 a t 5 ( 3 ) 面對(duì)微元面的角系數(shù) 面彳，對(duì)微元面么：的角系數(shù)為 嘲塒2 魯= 。產(chǎn)紫 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 1 2 p 釓 墮4 = 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 同理，面彳：對(duì)微元面烈。的角系數(shù)為 帆，2 等脅d z ( 4 ) 面對(duì)面的角系數(shù) 面么，對(duì)面4 ：的角系數(shù)為 2 擊 墮鼉等喇：2 扣 同理，面4 ：對(duì)面么。的角系數(shù)為 住- 。擊4 旦孚幽幽z2 ，z 加 2 3 有限元法基本理論 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 有限元方法是一種以電子計(jì)算機(jī)為計(jì)算工具的結(jié)構(gòu)分析數(shù)值方法，是以剖分 插值和能量原理為基礎(chǔ)的一種結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，源于彈性力學(xué)的計(jì)算；對(duì)古典近似 計(jì)算方法進(jìn)行歸納和總結(jié)，吸取了有限差分法中離散處理的內(nèi)核，又繼承了變分 計(jì)算中選擇試探函數(shù)并對(duì)區(qū)域積分的合理方法，結(jié)合電子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能 力，并隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展【1 2 - 1 4 1 。 有限元方法的基本思路是結(jié)構(gòu)剖分和單元集合。即：用點(diǎn)、線或面把結(jié)構(gòu)剖 分為一系列離散單元。進(jìn)行單元分析，使每個(gè)單元都滿足平衡條件和變形連續(xù)條 件，再把所有被離散的單元集合起來。進(jìn)行系統(tǒng)分析，保證系統(tǒng)在單元與單元間 連接點(diǎn)處的平衡條件及變形協(xié)調(diào)條件得到滿足。 有限元方法在固體力學(xué)中的應(yīng)用最為多見。其中涉及的材料可以承受溫度變 化，也可以是各向異性，此外，將有限元方法應(yīng)用于變溫度場(chǎng)的彈塑性動(dòng)力學(xué)問 題，用子結(jié)構(gòu)法解決桿板塊單元的機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析問題，以及構(gòu)件在彈塑 性區(qū)的變形問題等，都取得了比較令人滿意的結(jié)果。 雖然有限元法起源于結(jié)構(gòu)工程【1 5 】，但發(fā)展卻超出了這一領(lǐng)域，而成為科學(xué) 計(jì)算中一種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算工具，在熱力學(xué)領(lǐng)域，通常用最小勢(shì)能原理來推導(dǎo)有限元方 程，以節(jié)點(diǎn)自由度作為未知數(shù)來建立方程，首先用節(jié)點(diǎn)自由度來表示勢(shì)能( 萬。) ， 限元方程。 ( 2 1 6 ) 的勢(shì)能泛函 ( 2 1 7 ) 其中萬竽為由下式給出的單元e 的勢(shì)能： 萬籮) - 丟胙r 【d k 一2 9 0 ) d v 一臚7 勰。一臚7 和y ( 2 - 1 8 ) 。)掰” v ” 其中礦( e 是單元的體積；s f “，萬分別為面力或阻力所在的單元部分面積和面力， 向量是單位體積中的體積向量；歹通過對(duì)方程( 2 - 1 6 ) 進(jìn)行適當(dāng)微分后，方程( 2 - 1 8 ) 中否的應(yīng)變向量可以用位移向量耍8 表示為 占2 其中 o u | o x o v 加 o wlo z o u 加+ o v 蘇 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 卻 a | 瓠 舭沙秒， 1 4 、l_il_-ll_【，ii-l_-l_， 搿 2 秒 弦 囂 占占占 占 占 占 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 節(jié)點(diǎn)上有 的節(jié)點(diǎn)位 移向量豆的方向相同) ，則結(jié)構(gòu)或物體的總勢(shì)能可用下式表示： = 萬羅一耍丘 ( 2 2 2 ) e = l 4 其中 q = 引 ( 2 2 3 ) 為整個(gè)結(jié)構(gòu)或物體的節(jié)點(diǎn)位移矩陣，m 為節(jié)點(diǎn)位移或自由度的總數(shù)，必須指出 的是，向量豆( p = 1 , 2 ，3 ，e ) 的每個(gè)分量都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)或物體的整體坐標(biāo)位移向 量豆中( 如陋 ，i n ，歹，歹) 。因此，如果對(duì)式中的其余單元矩陣或向量補(bǔ)上必需 數(shù)量的零元素來加以擴(kuò)大，并對(duì)元素進(jìn)行必要的重新排列，則每個(gè)單元的亙似就 可以用來代替耍。也就是說，方程( 2 2 2 ) 的總和號(hào)意味著把重疊的項(xiàng)相加， 把單元矩陣擴(kuò)大為“結(jié)構(gòu)或物體大小的矩陣。因此，由方程( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 得 浙江工業(yè)大學(xué)碩士掌位論文 砟= 吾亙r(jià) l 壹刪陋f 【d p 】d yi 耍 ( 2 2 4 ) 一孽喜l 驢7 d k _ 肛妒7 西謝一驢7 孔y 卜辱 方程( 2 2 4 ) 是以節(jié)點(diǎn)自由度亙表示的結(jié)構(gòu)或物體的總勢(shì)能。用下述勢(shì)能最小的 條件可求出結(jié)構(gòu)的靜力平衡方程為 要：要：耍( 2 - 2 5 ) 一= = = = i i a 9a q ：a 鋤 。 即 善：石( 2 - 2 6 ) a d 7 根據(jù)方程( 2 2 4 ) ，可把方程( 2 2 6 ) 表示為 童kc e ，恒：尼+ e 陋c e ，+ 最e ，+ 最e ，) ：戶 其中： 結(jié)構(gòu)或物體的整體剛度矩陣 k 】：壹k 】：壹臚】7 【d p 】d y ； 單元?jiǎng)偠染仃?k 】= 時(shí) o l b d v ； 結(jié)點(diǎn)位移的整體向量亙 結(jié)點(diǎn)力總向量 零= 辱+ 芝j 臚r o e 0 d v 一肛d s m 阿d vl p 。1 k 礦i f s f 礦r j 集中荷載向量丘 單元結(jié)點(diǎn)力向量 戶扣) = 藝l j p r p k d y 一肛f 西d s 一小 7 面d v 口il 礦 辨礦( f 由初應(yīng)變引起的單元結(jié)點(diǎn)力向量 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 31 ) ( 2 3 2 ) 1 6 為集合整體剛度矩陣 及 e ee 零= 曩+ 善霉扣+ 善屈。+ 善犀。 為集合( 整體) 節(jié)點(diǎn)荷載向量 ( 5 ) 解出方程( 2 3 6 ) 后，可得到節(jié)點(diǎn)位移解和所需的單元應(yīng)力。 2 4 本章小結(jié) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 本章介紹了車燈的結(jié)構(gòu)和傳熱學(xué)理論，分析了車燈內(nèi)存在的熱量傳遞過程， 闡述了車燈熱分析的有限元基本理論，為車燈熱分析奠定了理論基礎(chǔ)。 1 7 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 第三章車燈熱分析建模技術(shù)研究 有限元法作為科學(xué)技術(shù)中的一種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算工具，在許多領(lǐng)域中得到了廣泛使 用，主要有流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、生物力學(xué)都已取得豐碩的成果， 在交叉學(xué)科以及耦合應(yīng)用方面i 有限元已成功用于諸多系統(tǒng)耦合作用中，同時(shí)還 可以考慮耦合的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)問題。除了以上幾個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用以外，近年 來有限元方法在溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力問題上也得到了應(yīng)用。目前較流行的有限元軟 件幾乎都具有求解溫度場(chǎng)的功能模塊，適用于各種結(jié)構(gòu)工程中溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力問 題，涉及汽車，鋼筋混泥土，復(fù)合材料，晶體結(jié)構(gòu)，壓力容器，機(jī)械，電子儀器 等多領(lǐng)域。而要正確進(jìn)行車燈熱分析，合理建立分析模型是關(guān)鍵。 3 1 車燈溫度場(chǎng)計(jì)算建模研究 圖3 1 溫度場(chǎng)求解過程 浙 王工業(yè)大掌碩士掌位論文 對(duì)車燈溫度場(chǎng)問題進(jìn)行數(shù)值求解的基本思想可以概括為：把原來在時(shí)間、空 間坐標(biāo)系中連續(xù)的溫度場(chǎng)，用有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來代替，通過求解按一 定方法建立起來的關(guān)于這些值的代數(shù)方程，來獲得離散點(diǎn)上被求溫度值。這些離 散點(diǎn)上被求溫度值的集合稱為溫度場(chǎng)的數(shù)值解。這一基本思想可用圖3 1 所示的 求解過程的框圖來表示。正確計(jì)算車燈溫度場(chǎng)要考慮幾個(gè)問題，其中關(guān)鍵是計(jì)算 模型的建立，包括車燈溫度場(chǎng)特殊單元的構(gòu)建、準(zhǔn)確處理邊界條件、初始條件、 載荷條件和車燈材料熱特性。 、 3 1 1 車燈溫度場(chǎng)邊界條件研究 1 邊界條件 為了得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的平衡微分方程有唯一解，需要一定的邊界條件和初始 條件( 統(tǒng)稱為定解條件) 與微分方程聯(lián)立求解，熱問題邊界條件主要有三類，其 關(guān)系如圖3 2 所示： 圖3 2 溫度場(chǎng)的邊界條件 ( 1 ) 第一類邊界條件 由圖3 2 可知，第一類邊界條件是指物體邊界上的溫度函數(shù)為己知，用公式 表示為： t r = 或 t r = i ( x ，y ，) ( 3 - 1 ) 1 9 浙江工業(yè)大掌碩士學(xué)位論文 其中，r 為物體邊界，r 的方向是逆時(shí)針方向；t w 為已知壁面溫度( 常數(shù)) ，z ( x ，y ，f ) 為已知壁面溫度函數(shù)( 隨時(shí)間、位置而變) 。 本文研究的車燈溫度場(chǎng)就屬于這類邊界條件，在開始時(shí)，物體邊界溫度為室 溫。 ( 2 ) 第二類邊界條件 第二類邊界條件是指物體邊界上的熱流密度q 為已知。用公式表示為： 一尼爭(zhēng)鋤。 “ 或， 一七娶卜g ，) ( 3 - 2 ) 鋤 。、“ 式中，q 為已知熱流密度( 常數(shù)) ，q 的方向是邊界面外法線n 的方向，亦即熱流量 為從物體向外流出；g ( x ，y ，f ) 為已知熱流密度函數(shù)。 ( 3 ) 第三類邊界條件 第三類邊界條件是指與物體向接觸流體介質(zhì)的溫度t 和換熱系數(shù)口已知，用 公式表示為： 一尼望i ，：a p 一0 】r (33on 、j 月 口和l 可以是常數(shù)，也可以是隨時(shí)間和位置而變化的函數(shù)，如果不是常數(shù)，則 在數(shù)值計(jì)算中取平均值作為常數(shù)1 9 1 。 對(duì)于車燈溫度場(chǎng)計(jì)算其特殊結(jié)構(gòu)的邊界條件，根據(jù)以前研究的成果，車燈在 點(diǎn)亮3 0 分鐘左右，基于以下原因考慮可以忽略腔內(nèi)流體的換熱作用，僅僅考慮以 輻射和導(dǎo)熱為主的換熱形式，從而把流固耦合簡(jiǎn)化為只有輻射和導(dǎo)熱的固體溫度 場(chǎng)條件。 1 ) 燈泡發(fā)出的光線以光速傳遞熱，在熱輻射的影響下，車燈各部件溫度急 劇升高。 2 ) 燈體換氣孔上套著橡皮管，橡皮管又被海綿塞住，腔內(nèi)空氣與外界空氣 難以換熱，所以腔內(nèi)氣體的流速很慢，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能在腔內(nèi)形成 穩(wěn)定的氣流。 3 ) 車燈一般是由兩個(gè)空腔組成，一個(gè)是面罩與反射體形成的腔體；個(gè)是 燈體與反射體形成的腔體。因?yàn)檠b飾框的作用，使這兩個(gè)腔體幾乎是各 浙江工業(yè)大掌碩士掌位論文 自密封的，外界氣體要通過燈體上的換氣孔與面罩和反射體形成的腔體 換熱是很困難的，外界氣體只能通過一些細(xì)小的縫隙流通到前面腔體， 因此在點(diǎn)亮車燈后的一段時(shí)間里這個(gè)腔體的溫度分布基本上是靠熱輻 射決定。 4 ) 對(duì)腔體里的高溫、流動(dòng)的氣體，流動(dòng)可以帶走一部分熱量，而高溫的氣 體通過熱傳導(dǎo)又可以補(bǔ)充一部分熱量，因此完全不考慮氣體流動(dòng)換熱 和傳導(dǎo)換熱，對(duì)整個(gè)車燈溫度系統(tǒng)來說影響不大。 2 初始條件 初始條件是指?jìng)鳠徇^程開始時(shí)物體在整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值，用 公式表示為： 丁k = 瓦 或 丁k = 9 似，y ) ( 3 4 ) 式中，瓦為已知常數(shù)，表示物體初溫是均勻的；妒g ，y ) 為已知函數(shù)，表示物體初 溫是非均勻的。在車燈溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，一般認(rèn)為車燈的初始溫度是均勻的，且溫 度跟室溫接近。 3 載荷條件 車燈點(diǎn)亮后熱量是由燈泡發(fā)出來的，在計(jì)算時(shí)熱源模型的建立至關(guān)重要，直 接影響著結(jié)果的正確。實(shí)際燈泡的輻射模型如圖3 3 ，但在車燈溫度計(jì)算中燈泡 與再輻射 圖3 3 燈泡輻射模型 的輻射模型即熱源模型可以描述成幾種方式，其一以燈絲作為熱源，其二以燈泡 整個(gè)系統(tǒng)作為熱源。 2 l 浙江工業(yè)大學(xué)碩士掌位論文 ( 1 ) 以燈絲作為熱源 1 ) 線形模型 將整個(gè)燈絲分為m 個(gè)小單元，假設(shè)燈絲長(zhǎng)為l ，那么每個(gè)發(fā)光小單元的長(zhǎng) ， 度為蘭，而寬度2 r 保持不變。每個(gè)小單元抽象為一個(gè)點(diǎn)光源，取每個(gè)小單元中 ，擰 心為發(fā)光點(diǎn)。最后再把計(jì)算結(jié)果合成就得到近似的發(fā)光分布結(jié)果。當(dāng)燈絲被等分 后，由s t e f a n b o l t a m a n 定律可得，燈絲中間部分的熱輻射就比邊緣部分強(qiáng)，如 圖3 4 ，把這個(gè)結(jié)果考慮進(jìn)去就可以得到更接近真實(shí)情況的計(jì)算結(jié)果。 溫度 二ff 一h 分一 圖3 4 燈絲溫度分布示意圖 2 ) 柱形模型 將整個(gè)燈絲在軸向分割成三段，并在分割處周向取點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)抽象為一個(gè) 點(diǎn)光源。同樣道理，也應(yīng)考慮到中間的點(diǎn)光源有更強(qiáng)的熱輻射。采用柱形分割比 線形分割能更好的模擬燈絲的空間分布。 3 ) 螺旋形模型 為了得到更真實(shí)的燈絲模型，用圓柱螺旋方程來模擬燈絲的形狀。先建立燈 絲的螺旋方程。當(dāng)圓柱螺旋線的軸線與坐標(biāo)系的z 軸重合時(shí)，圓柱螺旋線上動(dòng) 點(diǎn)m ( x ，y z ) 的參數(shù)方程如下： j ，；三：蘭：三 【z = f l a ( 2 x ) ，一圓柱面的半徑： 口一螺旋線升角； ，一導(dǎo)程( 母線旋轉(zhuǎn)一周，動(dòng)點(diǎn)m 沿著軸向方向上升的距離) ，右旋取正 號(hào)，左旋取負(fù)號(hào)。 為了更好的模擬燈絲的發(fā)光情況，直接在燈絲的螺旋體上取點(diǎn)光源，那么每 浙江工a k , 大掌碩士掌位論文 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可以由圓柱螺旋線上的動(dòng)點(diǎn)m ( x ，y ，z ) 的參數(shù)方程直接算出。般汽 車的前照燈，燈絲長(zhǎng)度5 一- 7 m m ，而反射面的焦距為2 0 - - 一4 0 m m ，這時(shí)必須考慮 燈絲的形狀和長(zhǎng)度尺寸。實(shí)際的燈絲是螺旋線裝纏繞而成的圓柱體，直徑l m m 左右，遠(yuǎn)小于與反射面之間的距離2 0 - 2 2 。如果燈絲采用柱形模擬，燈絲長(zhǎng)度取 5 m m ，螺旋直徑lm m ，燈絲發(fā)光功率5 5 w ，發(fā)光效率1 5 。依據(jù)s t e f a n b o l t a m a n 定律e 。= o t 4 ，計(jì)算出燈絲溫度大約2 6 9 1 k ，與廠家提供的2 7 7 3 k 十分接近。 ( 2 ) 以燈泡整體作為熱源 將燈泡壁及燈絲等組成的整個(gè)燈泡看成一個(gè)系統(tǒng)，并以燈泡壁為熱源給予均 勻的熱流密度，這個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱功率為燈絲的發(fā)熱功率。本文采用這種模型來模 擬車燈的熱源模型，因?yàn)橐詿艚z為熱源時(shí)，燈絲被玻璃的燈泡壁包在里面，燈絲 輻射出的熱量不是所有都透過燈泡壁，此時(shí)需考慮燈絲與燈泡壁之間的熱傳遞， 這樣就增加了模型的復(fù)雜性。 3 1 2 車燈溫度場(chǎng)特殊單元研究 常規(guī)車燈經(jīng)加工成型后，為提高其表面反射率，多以鍍鋁作為反射膜?？紤] 到膜層的附著力和耐酸堿能力，在國(guó)內(nèi)其工藝包括車燈基底清洗、上底漆、烘干、 真空鍍鋁、上保護(hù)漆等5 個(gè)環(huán)節(jié)。反射體和裝飾框由這種工藝形成的結(jié)構(gòu)可以近 似看成是由一層b m c 和一層鋁合成的層合板殼結(jié)構(gòu)，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，鍍鋁厚度 一般是5 0 0 2 0 0 0