Ansys Speos｜使用 Speos 3D Texture 进行尾灯设计

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简介

汽车照明行业在过去几年中取得了长足的发展，对复杂光学结构的需求需要先进的设计能力。Speos 3D Texture 是一项独特的功能，它允许以图案形式在给定物体表面上设计和仿真微观纹理。其优势在于使用图案的光学仿真模型（网格）而非实际的 CAD 几何体。因此，计算时间和文件大小得以减少。

本示例解释了如何使用 Speos 3D Texture 在尾灯透镜上设计、验证和制造光提取图案。

软件前提条件

要使用本示例，您的计算机上需要安装以下产品和解决方案：

· Ansys Speos 2023 R1 或更高版本

概述

了解仿真工作流程和关键结果

预测汽车照明设备的光性能和外观需要使用先进软件工具，如 Speos 3D Texture。此类照明设备的设计和验证均可在 Speos 中以虚拟方式进行，然后再制造实体零件。仿真结果的高保真度提供了足够的信心，以确保减少开发迭代次数，从而降低项目成本和时间。

步骤 1：3D Texture 设计

第一步是使用 Speos 专用于高级图案的独特建模功能：3D Texture。完成参数化定义以生成待验证的仿真文件。

步骤 2：3D Texture 验证

在 Speos 中对 3D Texture 进行可视化和仿真。可以针对不同类型的测量评估定性和定量目标。

步骤 3：3D Texture 制造

在 Speos 中生成 3D Texture 会输出一个包含制造实体零件相关信息的数据文件。

本示例仅步骤 1 和步骤 2 需要 Ansys Speos。

运行与结果

运行模型的说明及关键结果的讨论

步骤 1：3D Texture 设计

1. 解压3DTexture_RearLamps.zip文件

2. 从“3DTexture_Automotive_START” 文件夹中打开 “3DTexture_RearLighting.scdocx”文件

3. 根据给定参数定义左侧和右侧的 3D Texture

4. 计算 3D Texture

3D Texture 的设计参数将取决于所采用的制造技术、所需的审美外观以及现有的光学设计经验。使用 Speos，可以尝试不同的输入以实现满足所有条件的设计。

在这个特定的使用案例中，采用了一种透明聚合物透镜作为光介质，意图通过从中去除的 3D Texture 图案来提取光线（见下图）。该"灯"随后被用作车辆中的尾灯装置。

为了实现适当的亮度和发光表面均匀性，Speos 3D Texture 需要定义多个参数，包括轴系统、支撑体、操作、图案和映射（见下方定义面板）。

轴系统

首先，必须定义轴系统。3D Texture 在投影到任何平面或非平面实体支撑体之前依赖于一个平面参考，因此需要一个原点和两条正交线。对于此场景，所选的轴系统与水平面成 45 度角（下方第三个选项）。

基材

基材是将应用图案的目标几何体。由于要进行布尔操作，基材必须是实体的，并且已应用 Speos 材料。对于此照明应用，在支撑体上应用了光学透明材料，因为光将在其中传播。

操作

在实体支撑体和图案之间可以执行不同的布尔操作。然而，Speos 始终以蓝色显示网格化图案。图案的实际行为由所选操作决定，如下所述。

操作	图案的实际行为
移除
作为不同材料添加
作为相同材料添加
添加至内部
插入

本例中使用了 “移除”选项来构建棱镜，在灯的可见侧提取光线。图案之间的间距及其与支撑体的相交也至关重要。更多信息可在此处找到。

图案

要进行图案化的几何体应单独保存（作为 .scdocx 文件）。可以全局缩放或相对于其 X、Y 和 Z 轴缩放。缩放因子为 "1" 表示原始图案尺寸的 100%。如果使用这些缩放选项更改了图案的尺寸，则应将参数提供给模具制造商，因为只有 Speos "知道"何时应用了图案缩放更改。

此外，可以指定图案的方向。有两个选项可供选择：'Constant'（恒定）和 'Normal to support'（垂直于支撑体）。由于光提取预期沿一个方向（车辆的后方）传播，因此选择了 'Constant'（恒定）方向。

映射

映射定义了图案在支撑体上分布的详细信息。在 Speos 中，有矩形、圆形、六边形和可变间距的自动映射，但也可以生成自定义类型。

例如，本案例中使用的矩形映射需要指定 图案之间沿 X 和 Y 方向的距离、映射长度（尺寸）和角度偏移（倾斜）。

最后，必须为 3D Texture 选择 限制曲面以确定其所在位置。由于每个 3D Texture 只能从支撑体上选择一个曲面，因此左侧和右侧必须分别计算。下图显示了在支撑体上选定的左侧限制曲面。

步骤 2：3D Texture 验证

1. 将 3D Texture 作为几何体添加到提供的仿真中

2. 计算仿真

在 3D Texture 设计完成后，必须在 Speos 中进行虚拟验证。发光外观被定义为设计最重要的指标（即光均匀性、颜色、亮度等），但光度性能也可以进行评估。

必须为几何体应用所需的光学属性，并且需要创建指定的光源。然后，将 辐射传感器（Radiance Sensor）放置在包含 3D Texture 的几何体的正面和侧面，以量化输出的亮度，单位为 cd/m²。

经判断，对于外观评估（亮度图），逆向仿真（Inverse Simulation）在计算时间和结果质量方面更为高效。将点亮和未点亮的渲染结果组合后，获得的结果如下所示。

得益于 Speos 虚拟人眼视觉（Speos Virtual Human Vision）结果，可以快速评估尾灯的光均匀性，并将人眼因素考虑在内。如果使用包含线性光分布的伪彩色图，这将不容易做到。

此外，可以根据特定的照明标准（如 SAE 和 ECE，这是该行业最常见的标准）来评估结果的光度性能。为此使用了一个强度传感器，如下方的光度测试设置所示。

测量结果以 坎德拉（cd）为单位，如下所示：

SAE J585 对于尾灯的规则如下所列：

3D Texture 设计和验证的步骤 1 和步骤 2 可以重复多次，直到达到预期的指标。

步骤 3：3D Texture生成

1. 从 'SPEOS input files' 文件夹中，使用记事本打开生成的 OPT3DMapping 文件

Speos 3D Texture 以两种形式实现：一个可以在 Speos 中可视化和仿真的 3D 网格，以及一个映射文件，该文件定义了 3D Texture 中每个元素在支撑体上的位置、方向和缩放。映射文件是扩展名为 *.OPT3DMapping 的文本文件格式。

*.OPT3DMapping 文件按以下结构构建：

第一行：要在纹理中构建的图案数量。上例中为 4,690 个图案。

后续行：x y z ix iy iz jx jy jz kx ky kz

· x y z：根据所选轴系统的图案原点坐标（见下方的 '0, 0, 0'）

· ix iy iz：轴系统 X 方向的图案方向。

· jx jy jz：轴系统 Y 方向的图案方向。

· kx ky kz：x、y 和 z 方向的图案缩放值。值为 "1" 表示原始图案尺寸的 100%。

最终，OPT3DMapping 文件中包含的信息应作为创建实体零件的配方。图案的位置、方向和缩放的文本信息可以重新格式化，以与读取 3D Texture 数据的其他程序兼容。负责制造图案实体版本的一方还应收到基材（透镜）的 CAD 模型以及要图案化的元素（在本例中为 'A' 形状体），以及用于 3D Texture 的位置和方向的轴系统（上方的点 '0, 0, 0'）。

在下图中，展示了在 Speos 中设计的 3D Texture 几何体的一个实体小截面。

重要模型设置

对本模型中重要对象和设置的描述

材料

建议对 3D Texture 的支撑体和图案采用相同的光学属性。

传感器

对于辐射传感器（外观），确保将传感器的原点尽可能靠近灯具放置，以便于定义像素尺寸（分辨率）。例如，如果 3D Texture 图案尺寸为 0.1mm，则必须使用 0.1mm 或更小的传感器分辨率才能在结果中捕获此细节。

3D Texture 可视化（边界框）

在仿真面板中右键单击 3D Texture，然后选择 'Options'。XYZ 坐标和尺寸允许在 3D 视图中调整图案的可视化。这些值不会影响 3D Texture 的内容，仅用于可视化目的。下图显示了放置在可视化边界框外部和内部的物体。

网格划分

下方显示的网格划分值用于本示例，但并非通用的。从默认值开始，根据需要更改这些数值。