Ansys Speos | 助力汽車按鍵開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

概述
提到汽車內(nèi)飾照明光學(xué)，人們或許會(huì)聯(lián)想到門板上起裝飾作用的的氛圍燈、用于閱讀書(shū)籍或讀物的閱讀燈、方便駕駛員觀察數(shù)據(jù)的儀表燈。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅汽車內(nèi)部就存在至少20處營(yíng)造氛圍的輔助用燈。其中Lightguide與Lightpipe一直是照明燈具中最基本與重要的元件之一。有鑒于此，光學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與優(yōu)化常常被視作復(fù)雜且困難的工作?，F(xiàn)如今，Ansys Speos可以提供客戶眾多設(shè)計(jì)自由度，通過(guò)Ansys強(qiáng)大的Workbench平臺(tái)，輕松實(shí)現(xiàn)光學(xué)產(chǎn)品的優(yōu)化迭代。

工作流程
在本案例中，我們介紹一個(gè)基于汽車按鍵開(kāi)關(guān)的照明設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作流。

#1 初始模型

#2 光導(dǎo)設(shè)計(jì)

#3 光導(dǎo)優(yōu)化

#4 結(jié)果評(píng)估

1.初始模型

以往，在沒(méi)有引入光學(xué)軟件的情況下，用戶會(huì)根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)完成初始模型結(jié)構(gòu)。

此時(shí)只需將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys Speos，設(shè)定光源、材料、探測(cè)器，合適模擬算法后，就可以準(zhǔn)確的描述光與物體的相互作用，分析其光學(xué)性能。本案例中字符是由4個(gè)區(qū)域組成，采用RMS Contrast評(píng)估均勻性時(shí)，需要利用測(cè)量工具定義4個(gè)輪廓，可知RMS Contrast (P9-P11)的數(shù)值并不理想。Ansys Speos的LXP分析功能可觀察系統(tǒng)的光路，了解光線折損細(xì)節(jié)，同時(shí)也可對(duì)材料進(jìn)行更替后，得到最終的初始條件。更換材料模擬后，P9-P11數(shù)值相對(duì)平穩(wěn)，但核心輪廓P12暗區(qū)較多。

2.光導(dǎo)設(shè)計(jì)

Ansys Speos Optical Part Design是一個(gè)專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)模塊，該模塊能實(shí)現(xiàn)非成像照明領(lǐng)域中幾乎所有的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1) 光導(dǎo)設(shè)計(jì)——Lightguide設(shè)計(jì)模塊將初始導(dǎo)光結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。Lightguide包含光導(dǎo)齒的Step、Length、Offset、Start/End angle,以及起始與末端的距離等參數(shù)；

2) 輸入?yún)?shù)變量——利用Publish Parameters功能將Lightguide的參數(shù)變量發(fā)布出來(lái)，用于Workbench的輸入變量；

3) xml文件——通過(guò)對(duì).xmp文件進(jìn)行后處理設(shè)置，對(duì)評(píng)估目標(biāo)進(jìn)行定義設(shè)定，然后導(dǎo)出生成.xml文件。評(píng)估目標(biāo)為模型的輸出參數(shù)變量，如均勻性(RMS Contrast)，平均值，最大值，最小值等。本案例的評(píng)估參數(shù)為 各輪廓的RMS Contrast數(shù)值；

在初始設(shè)計(jì)階段，配合Live Preview的高效預(yù)覽功能，可在短時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)相對(duì)不錯(cuò)的結(jié)果。整體RMS Contrast低于0.5，此時(shí)P9會(huì)成為后續(xù)優(yōu)化的主要目標(biāo)。

3.光導(dǎo)優(yōu)化

Ansys Workbench 是一個(gè)強(qiáng)大的協(xié)同仿真平臺(tái)，它可以實(shí)現(xiàn)Ansys Speos優(yōu)化變量與目標(biāo)的發(fā)布，具體優(yōu)化迭代可以交給軟件進(jìn)行自動(dòng)化的流程。Ansys Workbench操作界面中，設(shè)置好輸入/輸出參數(shù)，并對(duì)輸入?yún)?shù)變量進(jìn)行優(yōu)化區(qū)間設(shè)置，對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行目標(biāo)約束。

案例選取了光導(dǎo)的8個(gè)設(shè)置參數(shù) (P1-P8) 作為輸入?yún)?shù)變量，字符4個(gè)輪廓的RMS Contrast (P9-P12) 作為輸出參數(shù)。直接優(yōu)化算法會(huì)根據(jù)輸入/輸出參數(shù)設(shè)計(jì)函數(shù)關(guān)系來(lái)確認(rèn)優(yōu)化的迭代次數(shù)，并篩選出最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，同時(shí)可保留每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的結(jié)果文件及優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型。

4.結(jié)果評(píng)估

經(jīng)過(guò)327次的軟件迭代后，我們找到第264次仿真為最優(yōu)結(jié)果。該結(jié)果與初始狀態(tài)相比有了極大的改善，字符輪廓P9-P12的RMS contrast相對(duì)數(shù)值很低，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)

Ansys Speos可完成光學(xué)系統(tǒng)的性能評(píng)估，同時(shí)Optical Part Design模塊提供多種方法進(jìn)行光導(dǎo)設(shè)計(jì)。本案例模型簡(jiǎn)單，優(yōu)化變量與目標(biāo)相對(duì)較少，采用Workbench平臺(tái)的Direct Optimization功能即可完成優(yōu)化。假如針對(duì)復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)且多變量與目標(biāo)的工況時(shí)，建議用戶采用optiSLang工具完成更為復(fù)雜與挑戰(zhàn)的工程項(xiàng)目。設(shè)計(jì)前期如果沒(méi)有模型需要光學(xué)驗(yàn)證，可以直接忽略流程一。