Ansys Speos | 助力汽车按键开关设计与优化

概述

提到汽车内饰照明光学，人们或许会联想到门板上起装饰作用的的氛围灯、用于阅读书籍或读物的阅读灯、方便驾驶员观察数据的仪表灯。据不完全统计，仅汽车内部就存在至少20处营造氛围的辅助用灯。其中Lightguide与Lightpipe一直是照明灯具中最基本与重要的元件之一。有鉴于此，光学产品的设计与优化常常被视作复杂且困难的工作。现如今，Ansys Speos可以提供客户众多设计自由度，通过Ansys强大的Workbench平台，轻松实现光学产品的优化迭代。

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。

结束语

Ansys Speos可完成光学系统的性能评估，同时Optical Part Design模块提供多种方法进行光导设计。本案例模型简单，优化变量与目标相对较少，采用Workbench平台的Direct Optimization功能即可完成优化。假如针对复杂的模型结构且多变量与目标的工况时，建议用户采用optiSLang工具完成更为复杂与挑战的工程项目。设计前期如果没有模型需要光学验证，可以直接忽略流程一。