科普时刻｜Speos 如何准确模拟金属化与不透明表面的VDI纹理？

在汽车内饰、消费电子和工业产品设计中，VDI纹理被广泛用于提升表面质感、防眩光和改善触觉体验。然而，当设计人员希望通过光学仿真提前评估这些纹理对外观效果的影响时，往往会面临建模方法复杂、材料属性设置困难等问题。

本文将结合Ansys Speos，介绍如何在不透明材料和金属化表面上实现VDI结构的光学仿真，并通过黑色PC、白色PMMA以及银色金属实例，展示VDI纹理对外观效果的影响及具体建模流程。

*VDI 3400是德国工程师协会的一项标准，它用粗糙度参数值定义了工具和成型零件的表面纹理。该刻度范围通常从VDI 0到VDI 45。每个VDI值分配给粗糙度Ra的特定算术平均值（以µm为单位）。VDI值越高，表面纹理越深越粗糙，防滑性越强，VDI值越低，则表面越光滑。

概述

最初，这些VDI纹理主要是通过电火花加工（EDM）创建的。在电火花加工中，放电会在表面产生凹坑。它们的大小和密度决定了粗糙度。火花侵蚀表面具有不同于其他加工工艺表面的特征——坑形结构。VDI值是专门为这些EDM典型纹理量身定制的。另一种制造工艺是化学蚀刻，通过受控的化学反应选择性地去除材料。

在Ansys library 中提供了不同VDI值的*.unpolished文件，用于模拟电火花加工和化学蚀刻VDI结构材料表面粗糙度属性文件。

一个*.unpolished文件用于模拟未抛光表面的光传输或反射行为，光线的透射或者反射取决于底层材料的折射率。这些VDI结构文件通常用作透明材料的表面光学性质（SOP）。然而，对于不透明和金属化的材料，也有可使用这些VDI光学属性的文件。

VDI structure on opaque material 不透明材料表面的VDI结构

要在不透明材料上建模VDI结构，不透明部分必须有一个*.material 文件作为体积光学性质（VOP）的材料属性输入，这个*.material文件必须根据材料本身的指数和吸收变化特性来编辑。

1. *.material文件应用于不透明材料的VOP

2. VDI.unpolished 文件应用于SOP

*.material材质可以用材质编辑器创建，以下提供了两个示例，可以根据具体需求进行使用和调整。

第一个例子是黑色不透明PC。左边是折射率和阿贝数，右边是高吸收系数因为材料是黑色的。

与散射相关的选项可以按照下面的建议填充：

第二个例子是白色不透明的PMMA，其折射率和阿贝数如图所示。

注意：如果有更多关于吸收光谱的数据，可以用它们进行更精确的属性编辑。

如果有另一种颜色的材料作为不透明材料（红色，绿色等），则应使用其正确的吸收光谱。

定义后的不透明材料，VDI.unpolished文件的可添加SOP表面属性，如下图所示。

以下是黑色不透明PC上使用VDI 35 EDM制造结构的模拟结果。

VDI structure on metallized surface  金属化表面的VDI结构

VDI.unpolished结构还可用于金属表面的未抛光结构。

1. 定义VOP材料属性为金属化材料，选择optical polished作为SOP。

2. 使用VDI.unpolished结构作为FOP

在第一步中，首先为金属化表面创建金属材料。因此，启动material editor材质编辑器，选择“metallic”作为材质类型。

对于金属材料，属性数值必须直接在表中设置。这里的折射率由实部和虚部两部分组成。折射率对应于n-i*k， n为实部，k为虚部。

实部和虚部的值可以在refactiveindex .info中得到，n和k的数据可以在那里下载为CSV，然后通过记事本插入到材料文件中。

有了n和k的值后，使用文本编辑器打开创建的金属材料文件，并按如下所述插入值。

在第五行输入csv文件中的行数。

第一列应该包含波长的值，第二列包含n的值（实部），第三列包含k的值（虚部）

插入所有值后，保存文件并在material editor材质编辑器中再次打开，检查光谱的实部和虚部。

接下来用这种金属创建VOP材料属性，并将SOP设置为optical polished光学抛光，如下图所示。

使用VDI.unpolished属性文件于FOP，作为表面光学特性（FOP）应用于表面。

下面是银材料的结果示例，左边是optical polished光学抛光特性，右边是VDI 12化学蚀刻。