Ansys Speos在汽车按键开关设计中的应用

概述

提到汽车内饰照明光学，人们往往首先想到门板上的氛围灯、车顶的阅读灯以及仪表盘背光灯。但实际上，汽车内部的照明设计远比想象中复杂。据不完全统计，仅一辆普通乘用车内部就存在至少20处辅助照明光源，涵盖氛围灯、迎宾灯、脚窝灯、化妆镜灯、储物格照明等，它们共同构成了现代座舱的光影体验。

在这些照明系统中，Lightguide（导光板）与Lightpipe（光导管）是最核心的光学元件，负责将LED光源的光能高效引导至目标区域，并实现均匀出光。正因涉及多个光源、多条光路以及严格的配光要求，光学产品的设计与优化一直被视为高难度工作，传统方法往往需要反复打样、多次迭代，周期长且成本高。

如今，Ansys Speos为这一难题提供了高效解法。Speos可在数字环境中完成完整的光学仿真与配光验证，结合Ansys Workbench平台的参数化能力，设计师能快速调整光源位置、导光结构参数，轻松实现多轮优化迭代，大幅缩短开发周期。

工作流程

在本案例中，我们介绍一个基于汽车按键开关的照明设计与优化工作流。

#1 初始模型

#2 光导设计

#3 光导优化

#4 结果评估

1.初始模型

以往，在没有引入光学软件的情况下，用户会根据已有的工程经验完成初始模型结构。

此时只需将CAD数据导入Ansys Speos，设定光源、材料、探测器，合适模拟算法后，就可以准确的描述光与物体的相互作用，分析其光学性能。本案例中字符是由4个区域组成，采用RMS Contrast评估均匀性时，需要利用测量工具定义4个轮廓，可知RMS Contrast (P9-P11)的数值并不理想。Ansys Speos的LXP分析功能可观察系统的光路，了解光线折损细节，同时也可对材料进行更替后，得到最终的初始条件。更换材料模拟后，P9-P11数值相对平稳，但核心轮廓P12暗区较多。

2.光导设计

Ansys Speos Optical Part Design是一个专业的光学设计模块，该模块能实现非成像照明领域中几乎所有的光学结构设计。

1) 光导设计——Lightguide设计模块将初始导光结构进行再设计。Lightguide包含光导齿的Step、Length、Offset、Start/End angle,以及起始与末端的距离等参数；

2) 输入参数变量——利用Publish Parameters功能将Lightguide的参数变量发布出来，用于Workbench的输入变量；

3) xml文件——通过对.xmp文件进行后处理设置，对评估目标进行定义设定，然后导出生成.xml文件。评估目标为模型的输出参数变量，如均匀性(RMS Contrast)，平均值，最大值，最小值等。本案例的评估参数为 各轮廓的RMS Contrast数值；

在初始设计阶段，配合Live Preview的高效预览功能，可在短时间内得到一个相对不错的结果。整体RMS Contrast低于0.5，此时P9会成为后续优化的主要目标。

3.光导优化

Ansys Workbench 是一个强大的协同仿真平台，它可以实现Ansys Speos优化变量与目标的发布，具体优化迭代可以交给软件进行自动化的流程。Ansys Workbench操作界面中，设置好输入/输出参数，并对输入参数变量进行优化区间设置，对输出参数进行目标约束。

案例选取了光导的8个设置参数 (P1-P8) 作为输入参数变量，字符4个轮廓的RMS Contrast (P9-P12) 作为输出参数。直接优化算法会根据输入/输出参数设计函数关系来确认优化的迭代次数，并筛选出最佳设计点，同时可保留每个设计点的结果文件及优化结构模型。

4.结果评估

经过327次的软件迭代后，我们找到第264次仿真为最优结果。该结果与初始状态相比有了极大的改善，字符轮廓P9-P12的RMS contrast相对数值很低，满足产品设计要求。

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