Моделирование автомобильной оптики средствами TracePro
Система TracePro может быть использована для моделирования практически всех типов автомобильных оптических систем. Ниже приведены примеры того, как TracePro за счет сокращения объемов прототипирования, характерного для традиционного подхода, позволяет сократить время проектирования на 30-50%, а также уменьшить стоимость самих изделий.
TracePro применялся для моделирования фар, габаритных фонарей, усовершенствованных стоп-сигналов, освещения салона, световодов, панелей приборов, индикаторов, размещаемых на ветровом стекле. Программа основана на твердотельном ядре ACIS, а следовательно, совместима с соответствующими программными продуктами, в частности с AutoCAD, CADKEY. С учетом того, что современные моделировщики, например SolidWorks и CATIA V5, имеют функции экспорта/импорта без потерь в формате ACIS, данные программы могут служить источником (и приемником) данных для TracePro. Программа реализована на C++, имеет полноценный графический интерфейс. Встроенный макроязык Scheme позволяет осуществлять итерационный проектировочный расчет.
Обычно работа с TracePro требует четырех шагов. Первый — синтез геометрической модели оптической системы собственными средствами программы или импорт файлов в форматах SAT, IGES или STEP. Второй шаг — определение источников света на сетке лучей или придание поверхностям свойств источников. Доступен также импорт «калиброванных» источников из программы Radiant Imaging. Третий — придание оптических свойств материалов телам и поверхностям. Можно выбирать материалы и свойства из ранее помещенных в базу данных или создавать новые. И наконец, последний, четвертый шаг — задание характеристик источников и сред, включая длины волн, пороговые значения, характеристики пропускания, который завершается запуском программы трассировки лучей.
Средства визуализации TracePro позволяют получить каркасный, силуэтный и закрашенный виды модели. Траектории лучей могут отображаться на фоне модели, чтобы сделать очевидными эффекты рассеяния, поглощения, отражения, преломления, поляризации. Эти результаты информируют пользователя о параметрах распространения потока энергии от поверхности к поверхности в зависимости от свойств объектов.
Моделирование источников в TracePro осуществляется весьма эффективно, в частности для моделей высокой сложности, например дуговых ламп или их групп, люминесцентных ламп, СИД, ламп накаливания, лазерных диодов (рис. 1 и 2). Источники могут задаваться общим потоком излучения, плотностью потока энергии или быть абсолютно черным телом. Параметры излучения и результаты можно определять как в фотометрических, так и в радиометрических единицах.
Возможности интерфейса TracePro, содержащего эффективный сортировщик лучей, позволяют существенно сократить продолжительность анализа. Изменение цвета луча в зависимости от величины уменьшения потока указывает на проблемные области. На рис. 2 лучи наибольшей «интенсивности» показаны красным цветом, наименьшей — синим. С помощью дополнительных команд можно просматривать поверхности в соответствии с порядком прохождения лучей или же согласно доле падающих на нее лучей.
Световоды
Из рис. 3 видно, что потеря энергии светового потока происходит на нескольких изгибах световода. Очевидно, что в обычной ситуации этот тип потерь достаточно трудно идентифицировать. Посредством TracePro причины потерь могут быть локализованы. Цветовая кодировка лучей позволяет отслеживать «утечку» потока из-за поглощения и рассеяния. В спидометре (рис. 4) потеря энергии происходит при прохождении светового потока через стрелку. Стрелка сзади покрыта диффузно отражающим материалом, то есть также является своего рода световодом.
При обычном итерационном подходе проектирование светотехники, включающей световоды, сопряжено с определенными проблемами, решение которых требует изготовления дорогостоящих прототипов (стоимость оснастки — 10-100 тыс. долл.), а также затрат времени. Таким образом, использование соответствующего программного обеспечения снижает издержки на разработку на 30-50%.
Как правило, при проектировании изделий со световодами используются уже существующие аналоги. А поскольку такие проекты не всегда оптимальны, разработчик, имеющий значительный опыт, зачастую воспроизводит накопленные ошибки. Без адекватных расчетных методик иногда невозможно даже диагностировать наличие проблем. Их источниками могут быть, например, наличие резких изгибов, неудовлетворительная проработка мест присоединения световодов, отражение от острых углов, рассеяние потока на выходе из световода и т.д. Вот характерный пример. Вроде бы незначительная на единичном устройстве экономия при замене узла с тремя светодиодами и неудачной геометрией световода на узел с двумя источниками при тщательной проработке передающего элемента для больших партий становится довольно ощутимой. Того же эффекта можно добиться, изменяя параметры используемого СИД. На рис. 5 приведена неудачная конструкция, порождающая неравномерное распределение светового потока на выходе.
Все большее количество предприятий начинают использовать программное обеспечение для моделирования световодов и оптических процессов. Такое программное обеспечение может создавать геометрическую модель или же импортировать геометрию из традиционных CAD-пакетов. Далее следует несложная процедура — придание свойств источникам света, поверхностям и материалам. Использование программного обеспечения для проектирования световодов позволяет увеличить коэффициент пропускания с 20-30 до 50-60%. Это дает возможность уменьшить число источников, снизить термические нагрузки и соответственно потребление энергии.
Типичная проблема для конструкций со световодами — рассеяние света источниками и потери в зонах изгибов и поверхностей на выходе. Большинство источников, используемых в световодах, — дисперсионные излучатели. Понятно, что проект в целом получается неоптимальным, так как световой поток на выходе составляет только незначительную долю от общего потока (см. рис. 5). Люминесцентные источники, лампы накаливания, снабженные соответствующими отражателями, позволяют создать направленный поток на входе в световод. Современные СИД оснащаются фокусирующими элементами для получения коллимированного света. Хорошо подобранный СИД позволяет решить многие проблемы, связанные с потерей интенсивности. Отметим, что неудачный проект приводит к использованию чрезмерно мощных источников или же требует увеличения числа источников — для компенсации низкой световой эффективности. Повышенная температура источника вызывает расплавление или деструкцию световода и других элементов изделия. Очевидно, что оптимизация проекта снижает тепловые нагрузки.
В целях сокращения потерь необходимо придерживаться следующих правил. Не использовать изгибы с малым радиусом кривизны — происходит полное внутреннее отражение с возвратом части потока назад к источнику. Если невозможно использовать изгиб с малой кривизной, целесообразно применить отражатель под углом 45°. Однако это не решает всех проблем, связанных с присутствием источников рассеянного света. В любом случае отражатель должен иметь достаточные размеры, чтобы полностью покрывать световой пучок. На рис. 6 приведена неудачная конфигурация, при которой эффективность передачи энергии составляет только 25%. На рис. 7 показана схема с источником коллимированного света; здесь кпд световодного устройства — 85%.
TracePro позволяет моделировать неканоническую геометрию, что необходимо для анализа сложных оптических конструкций: призматических, многогранных отражателей, рассеивателей, эффектов объемного поглощения. Существенным преимуществом продукта является легкость изучения. Используя пошаговые инструкции, обычный пользователь может овладеть основами работы с программой в течение недели. Другая важная особенность — полностью 3-мерная визуализация изделий, источников света, траекторий лучей с отображением «интенсивности» их потока. Помимо этого результаты расчета распространения энергии в системе могут быть представлены в виде таблицы.
Стандартные результаты анализа TracePro включают традиционные 2- и 3-мерные картины плотности потока излучения/освещенности, а также линии изокандел. Последующая обработка данных возможна в том числе и с использованием стандартных команд Windows clipboard. Так, данные могут быть извлечены из таблиц TracePro и вставлены в таблицы Excel или подобных программ. Программа обеспечивает доступ к более детальной информации. В частности, таблицы содержат данные о лучах, падающих, отраженных и поглощенных каждой поверхностью или телом, а также об объектах, с которыми взаимодействует каждый луч. Такого рода сведения весьма полезны для идентификации причин потерь энергии и их устранения.
Световодные конструкции со сложной геометрией могут быть созданы в CAD-пакетах. Однако вопрос о том, как происходит полное внутреннее отражение при наличии поверхностей со значительной кривизной, — отдельная проблема. Зачастую незначительная модификация геометрии элементов, взаимодействующих со световым потоком, приводит к существенным изменениям в картине освещенности. Сегодня требования к уменьшению световых потерь все более ужесточаются. Очевидно, что из-за неэргономичности панели, вызванной потерями световой энергии, неравномерностью освещенности и «незапланированными» световыми эффектами, работа с ней может приводить к напряжению глаз и затруднять оперативное получение информации, что усугубляется наличием прямого светового потока от встречных автомобилей (рис. 8, 9, 10, 11).
На рис. 12 показан дополнительный стоп-сигнал, созданный во внешнем CAD-пакете и импортированный в TracePro. Устройство имеет более 2,5 тыс. поверхностей. Они образуют набор оптических элементов, каждый из которых является линзой Френеля. На трассировку лучей в конструкции, аппроксимированной «подлинной» геометрической моделью, уходит около часа. Однако в TracePro задействован новый алгоритм, называемый RepTileTM («повторяющийся мозаичный элемент»). Он предназначен для трассировки лучей в объектах, поверхность которых образована совокупностью повторяющихся элементов. Например, используя возможности, предоставляемые методом RepTile, в течение нескольких минут производится расчет объекта, включающего 30 линз Френеля. Анализ для «полной» геометрии занял бы часы. Таким образом, результаты обоих подходов — одинаковы.
 |
|
Стоп-сигналы
Аналогичным способом можно выполнять расчет стоп-сигналов. В настоящее время основная часть таких изделий разрабатывается при помощи CAD-систем с последующим экспортом в TracePro. Однако более целесообразно создавать геометрическую модель непосредственно в TracePro. В инженерных CAD такая геометрия, как правило, базируется на представлении поверхностей неоднородными рациональными B-сплайнами. Каждая такая поверхность задается набором точек, связанных с некоторыми кривыми, причем «степень влияния» точек на форму кривой определяется набором весовых коэффициентов. В TracePro поверхности могут быть заданы уравнениями или как совокупность твердотельных примитивов. В этом случае трассировка лучей происходит значительно быстрее. Учитывая то, что в оптических системах современных автомобилей присутствуют массивы линзовых элементов, и принимая во внимание соответствующие возможности TracePro, можно допустить, что геометрическое представление может быть не менее точным, чем в CAD. На рис. 13 приведена модель типового тормозного сигнала, построенная в TracePro.
|
|
Фары
Несмотря на внешнюю простоту, автомобильные фары имеют весьма нетривиальную конструкцию. Экстравагантный дизайн сочетается с необходимостью соблюдения строгих современных стандартов, определяющих освещенность дороги. Отличия от ранних моделей, устанавливавшихся в «коробочные» автомобили и описываемых совокупностью простейших объектов, вполне очевидны. В гладких «зализанных» изделиях могут наблюдаться эффекты полного внутреннего отражения при распространении света в массивах разнообразно ориентированных преломляющих элементов. На рис. 14 показана стандартная фасетная фара. Поверхность отражателя представляет собой множество граней, отражающих световой поток на соответствующие участки дороги перед автомобилем. Необходимость анализа функционирования светоотражающих дорожных знаков добавляет проблем при расчете фар. Возможность итерационного расчета на базе удобного CAD-интерфейса — существенное преимущество при «подгонке» проекта под требования стандартов SAE.
|
|
Дисплейные системы
В настоящее время TracePro существует в четырех конфигурациях: RC, LC, Standard and Expert. Фундаментальной характеристикой конфигурации TracePro Expert является наличие упомянутого модуля RepTile. Он, в частности, позволяет анализировать системы, содержащие тысячи и миллионы рассеивающих и преломляющих элементов, характерные для стоп-сигналов на основе СИД, а также устройств с жидкокристаллическими панелями. Примеры расчета подобных конструкций приведены на рис. 15, 16. Помимо линз Френеля элементарными структурами могут быть пирамиды, полусферы, конусы, углы кубов, усеченные призмы, «крышеподобные» многогранники.
«САПР и графика» 8'2001
