1、汽车照明的多物理场分析

　　汽车照明系统执行多种关键功能，从点亮道路到发出信号，以提高对道路上其他驾驶员的视野。它们必须在各种环境条件下保持运作。气温可能超过45度，甚至低于零下20度。另外，照明系统必须在各种路况所施加的结构载荷下具有适应性。

　　2、照明系统面临的挑战

　　随着照明系统的发展和变得越来越复杂，设计人员和制造商面临着更大的挑战。甚至，他们被要求将系统安装到非常紧凑的空间中。因此，热管理对于防止内部温度超过安全阈值至关重要。例如，我们是否依靠自然对流来散热，还是需要增加风扇以改善空气流通并帮助散热？

　　虽然可以对热，流和结构等物理场进行模拟，但传统上该过程是分离的。现实情况是，所有物理学都是紧密耦合的。照明系统中的热负荷会在驱动自然对流的同时引起热应力，从而重新分配热能，从而改变固体中的温度分布。热应力分布也将会改变，热辐射在组件之间的热传递中也起着重要作用，太阳能加热会增加更多的热负荷。因此，材料选择变得至关重要。需要做出严格选择，以确保照明系统保持在设计要求所规定的温度，应力和变形极限以下。

　　湿度和冷凝代表了进一步的复杂性。半透性Goretex贴片通常用于帮助调节照明系统内部的湿度水平。最近，LED照明由于其更大的灵活性和能效而变得越来越流行，相关的PCB设计，布局和热管理也变得越来越重要。

　　考虑所有这些因素后，如何才能最好地处理和管理照明系统的设计，分析和制造？西门子Simcenter 3D多物理场仿真解决方案可以有效的应对提出的每个挑战。

　　3、西门子车灯多物理场仿真

　　解决方案

　　Simcenter 3D是一个多学科平台，它使设计师、工程师和制造商能够以无缝和直观的工作流程创建和分析产品。所有这些都在一个相同且易于识别的界面中完成。

　　（1）

　　多物理数字双胞胎的创建和维护

　　Simcenter 3D提供了高级的几何图形准备，网格划分和网格编辑工具，使您能够以强大有效的方式管理多物理场双胞胎。

　　Simcenter 3D: 方便快捷的几何清理

　　分析人员经常会收到不适合网格划分的几何图形。强大的NX几何引擎简化了清理过程。如下图所示，我们确定了模型中的有一些小面，最终会产生一些细小单元。通过快速几何清理，小面及其相邻面将被删除，并且可以轻松创建一个新曲面，然后将其缝合到其余的几何图形中。该过程可以根据需要重复进行，甚至可以自动化。

　　Simcenter 3D: 如CAD装配一样的装配有限元建模

　　CAD几何图形的装配结构精确地反映在装配有限元建模上。这充分利用了装配建模的所有优势，即部件定位、理想化和实例化。用户只需对必要的部分进行网格划分，它们就会出现在AFEM中的正确位置。节点和单元标签冲突会在Simcenter 3D中自动解决，而不需要手动深入组件级的装配结构和重新标记单元和网格。

　　Simcenter 3D: 表面包裹快速生成流体域

　　通过AFEM级别的表面包裹功能可轻松捕获流体域。这减少了在CAD级别上进一步建模和布尔运算的需求，这在不允许修改基础CAD的工作流中提供了显着的优势。腔体会被自动检测，并且用户可以一次性生成尽可能多的表面包裹物。自动精化功能可检测细小的特征，并局部调整表面包裹物以更精确地捕获它们。一旦创建了表面包裹，就可以轻松创建3D网格。

　　Simcenter 3D 新一代沉浸边界法直接生成流体网格

　　提取流体域后，下一个挑战就是对其进行适当的网格划分。解决网格错误经常需要返回到几何图形以检测和修复如条面和不一致的曲面之类的问题。

　　新一代的沉浸边界法，不需要明确地提取流体域，也不要求CAD具有水密性。而是检测零件内部的型腔并自动进行网格划分。流体网格和壁面不需一致，并且固体本身浸入流体网格中。换句话说，实体和流体网格之间存在明显的重叠。然后，求解器将解决壁面问题。边界条件仍然可以应用于几何图形，并且与设计几何图形具有完全的关联性。

　　新的3D沉浸边界网格工具首先选择围绕流体腔体的所有实体。然后，我们选择一个位于腔体内的点作为种子点。该算法然后继续分析几何形状并识别定义流体腔范围的表面，创建一个六面体网格来表示流体域。整个过程实时显示，网格划分复杂的几何体花费的时间不超过40秒。

　　（2）一体化的热、流、结构多物理场耦合模型建立和求解

　　Simcenter 3D提供了针对热、流和结构求解器的丰富的模拟对象，载荷和约束，可大大简化多物理场模型的创建。

　　Simcenter 3D: 热、流、结构边界条件设定

　　完整的模型将包括许多边界条件和约束。这些已分为三类：结构，热和流。在结构分析方面，我们必须考虑照明系统固定的位置，面到面的粘合以及重力载荷。在热分析方面，我们将定义热负荷以及重合表面之间的热耦合，与周围的对流将建模为热约束，将在适当的地方定义辐射防护罩，太阳能加热的效果也将包括在内。在流分析方面，我们将定义一个流动表面，该流动表面会将流动压力传递给结构求解器。湿度，冷凝和蒸发也将需要建模。最后，将需要定义重力矢量以正确模拟自然对流。

　　在Simcenter 3D中，所有流程功能已添加到Multiphysics环境中。现在，可以在一个解决方案中，在相同的模型和网格上执行耦合的热、流、结构模拟。所有解决方案设置均可通过主对话框使用。

　　Simcenter 3D: 自动找到一致的面对

　　使用Simcenter 3D中的自动面检测功能可以大大简化在复杂装配体中检测重合面的过程，同时创建结构化的面到面粘合和热接触，这进一步简化了工作流程。创建边界条件后，可以将它们组织到一个文件夹中，以便轻松包含在解决方案中。

　　Simcenter 3D : 辐射围场定义

　　在求解热辐射模型时，最困难的部分是视角因子计算。减少计算时间的一种方法是明确定义辐射围场。在下图中，我们知道钨丝的热能辐射到玻璃灯泡。每个灯泡定义一个辐射围场。根据外壳的表面特性（例如镜面反射率和透射率）选择辐射计算方法。在这种情况下，我们选择确定性方法。作为进一步的检查，我们还验证了单元法线指向正确的方向。

　　Simcenter 3D 双向耦合热-流体-结构

　　过去用于执行结构分析和流模拟的工作流是一个分离的过程。您将不得不创建两个不同的模型，一个用于流动的CFD模型，一个用于结构分析的有限元模型。然后，您必须将流体模拟中的压力映射到结构模型上，该过程部分是手动的，并且容易出错，尤其是对于具有许多子工况的瞬态模拟。

　　在Simcenter3D 2019版本中，所有Simcenter 3D 流体功能都在Multiphysics环境中可用。利用已经可用的热结构耦合功能，您可以在同一模型上执行热、流、结构模拟，在同一解决方案中已定义了流动，热，结构边界条件和约束，三个求解器无缝地一起工作，并以耦合方式交换信息。来自流体求解器的压力会自动用于结构分析中。Simcenter 3D 2020 Multiphysics现在提供了双向热-流体-结构相互作用。流体网格基于NASTRAN求解器返回的位移进行变形。完整的仿真是在Simcenter 3D中的同一模型上设置的。热，流和结构求解器可以无缝运行，而无需用户干预。然后，可以将所有结果一起进行后期处理。

　　（3）功能强大的后处理，多种不同可视化结果的方法

　　Simcenter 3D提供了一套功能强大的后处理工具，可帮助您以信息和指导性的方式可视化结果。

　　Simcenter 3D: 灵活的可视化工具

　　通过预定义布局状态（如下图），这将使分析师能够快速细读不同解决方案的结果。每个布局状态都被定义为可视化一组特定的结果。您可以根据需要定义任意数量，以快速发布过程结果。

　　如下图所示，我们看到了流体压力对结构模型的影响。流体压力（如上图所示）被传递到结构模型，从而导致外部和内部组件的变形（如下图所示）。

　　最后，我们查看包含所有物理场的完整模型的结果。创建了布局状态，该状态在左侧绘制了热/流结果，在右侧绘制了结构变形。叠加图用于创建照明系统的视图，同时仍保留一部分镜头和边框。使用“在图形中编辑”功能可以轻松地修改绘图元素的位置。在这里，我们重新定位图例和颜色栏。还可以对结构位移图进行动画处理，以清楚地显示由于热应力和流体压力而导致的壳体和其他组件的变形。

　　（4）轻松的添加更复杂的物理现象（例如太阳加热，冷凝和蒸发）

　　Simcenter 3D: 太阳热

　　Simcenter 3D 包括对入射太阳辐射的精密处理。太阳热通量是根据天空中太阳的位置，模型的方向以及阴影元素来计算的。在Simcenter3D中，大气衰减和散射与地面反射一起建模的精度更高。因此，可以通过简单地更改“太阳能加热”对话框中的参数来模拟在不同天气和气候条件下太阳能加热对照明系统的影响。

　　Simcenter 3D Multiphysics: 湿度和冷凝

　　照明系统中湿度水平的变化可以通过简单地用指定的湿度初始化空气内部流体来建模。流体求解器考虑了模拟过程中的湿度传输和演变。在高湿度下，空气中的水可能会凝结在较冷的表面上。通过在解决方案设置中轻松切换即可激活冷凝分析。然后，Simcenter 3D热和流求解器将解决照明系统内部表面上水的凝结和蒸发。

　　（5）无缝地将模型整合到更复杂的工作流程中

　　Simcenter 3D产品组合包括许多功能强大的自动化工具，可显着提高生产率。所有这些都在相同的Simcenter 3D环境中进行。

　　Simcenter 3D: PCB数据交互

　　随着照明系统变得越来越小，响应速度越来越快，随之而来的电子系统也变得越来越复杂。Simcenter 3D中的PCB Exchange软件包是一个通信工具集，供Simcenter用户与ECAD用户协作。它消除了繁琐的手工工作和相关的建模错误，并缩短了迭代设计的周转时间。通过执行这个功能，用户工作所需的时间减少了10到30倍。PCB Exchange还具有独特的“比较和更新”协作功能，可帮助MCAD和ECAD用户更有效地进行交流。Simcenter 3D Electronics Systems冷却套件可自动构建PCB及其组件的热模型，从而创建必要的热耦合和边界条件。然后可以将仿真对象导入包含PCB的Multiphysics仿真中。

　　Simcenter 3D: 设计空间探索

　　随着产品经历不同的迭代，设计师和工程师经常面临着一个问题，即在所有可能性中哪种设计最佳。Simcenter 3D设计空间探索是一个功能强大的工具，他们可以用来回答该问题。由HEEDS MDA引擎提供支持，探索参数空间，以针对由多个设计目标和约束驱动的给定问题找到单个或一组最佳解决方案。如下示例中，我们看到了参数化计算机风扇从初始设计到最大程度地增大轴向空气流量的演变。相同的原理可以应用于照明系统的多物理场仿真。分析人员需要做的就是提供环境条件的范围，对几何形状进行的更改以及材料的选择。然后，Simcenter 3D Design Space Exploration将自动搜索并找到最佳解决方案集。

　　4、总结

　　在整个过程中，我们研究了汽车照明系统开发人员面临的各种挑战。我们向您展示了Simcenter 3D是一个全面的平台，可以有效的应对提出的每个挑战。从Digital Twin的创建和维护到工作流程的自动化，Simcenter 3D提供了重要的功能，并且在改善工作流程和生产力方面具有巨大的潜力。