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此示例介紹了基于 TL 957 標(biāo)準(zhǔn)和43號法規(guī)（ECE R43）的擋風(fēng)玻璃光學(xué)畸變分析的工作流程，以及 GitHub Ansys 光學(xué)自動化中提供的分析自動化工具。

如果您從未使用過任何 GitHub 倉庫，可以根據(jù)光學(xué)自動化庫的介紹進(jìn)行操作，該文章在運(yùn)行以下的工作流程之前可以提供一些必備知識。

該工作流程使用了于 2023R1 發(fā)布的light expert function光源專家功能和light path find光路徑查找 API 功能。在使用 API 時(shí)要注意指定特定的 Python 版本。例如，在 Speos 2023R1 版本中，需要 python 3.9 或更高版本才能與 2023R1 的結(jié)果交互;在 Speos 2024R2 版本中，需要 python 3.10.12 或更高版本。使用前可以查看 Speos 版本用戶指南，以確認(rèn)工作流程中需要哪個(gè) Python 版本。

概述

了解仿真工作流程和關(guān)鍵結(jié)果

在汽車行業(yè)中，TL 957 標(biāo)準(zhǔn)和ECE R43法規(guī)（即43號法規(guī)）是最受青睞的光學(xué)畸變評估準(zhǔn)則。盡管測量這兩種標(biāo)準(zhǔn)下的光學(xué)畸變所采用的方法大體相似，但存在兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)上的差異，這些參數(shù)包括測量半徑和周邊光線的數(shù)量，稍后將對它們進(jìn)行更詳盡的闡釋。本示例將采用TL 957標(biāo)準(zhǔn)來展示具體的工作流程。至于ECE R43，它在“Taking the Model Further”部分有詳細(xì)說明，旨在為那些對ECE R43定義感興趣的用戶提供參考。

本文闡述了運(yùn)用 Speos 軟件進(jìn)行擋風(fēng)玻璃光學(xué)畸變分析的方法。文中提供的示例將展示如何利用 TL 957 標(biāo)準(zhǔn)，在 Speos 環(huán)境下創(chuàng)建擋風(fēng)玻璃項(xiàng)目。通過該示例，用戶將能夠生成基于特定擋風(fēng)玻璃幾何形狀的光學(xué)畸變圖和屈光度圖。

TL 957 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了硅酸鹽玻璃車輛玻璃板的要求和測試，其中第9.2節(jié)詳細(xì)說明了光學(xué)畸變測試。盡管測試名為“光學(xué)畸變”，但實(shí)際測量的是屈光率。屈光度的計(jì)算方式如圖所示：

圖中展示了擋風(fēng)玻璃的橫截面。兩條光線自左向右穿過玻璃。位于頂部的光線在點(diǎn)M與玻璃發(fā)生相互作用，而底部的光線則在點(diǎn)M’處發(fā)生相互作用。兩個(gè)偏轉(zhuǎn)角分別標(biāo)記為α1和α2，它們代表了從擋風(fēng)玻璃射出的光線（即透射光線）與入射光線之間的夾角。

在位置M處的屈光度DM可以通過在M點(diǎn)的光學(xué)畸變值ΔαM除以ΔX來計(jì)算。光學(xué)畸變值定義為在距離上的偏轉(zhuǎn)角度差?；谏蠄D，光學(xué)畸變值是通過計(jì)算位置M和M′處存在的擋風(fēng)玻璃上的兩條傳輸光線之間的角度來得到的。在標(biāo)準(zhǔn)TL 957中，使用在4個(gè)M′點(diǎn)測量的最大光學(xué)畸變值來計(jì)算折射力，如下圖所示。

本文闡述了如何運(yùn)用Speos軟件分析汽車擋風(fēng)玻璃的光學(xué)畸變。本示例將介紹一個(gè)Speos擋風(fēng)玻璃分析項(xiàng)目。基于特定擋風(fēng)玻璃幾何形狀，將生成一個(gè)光學(xué)畸變圖和一個(gè)屈光度圖。

綠色點(diǎn)代表位于M位置的光線。在中心光線M′的上方、下方、左側(cè)和右側(cè)的其他四條光線被用來獲得最大的光學(xué)畸變值。在標(biāo)準(zhǔn)的TL 957中，距離值?X被設(shè)定為12毫米。

還有其他標(biāo)準(zhǔn)以類似但略有不同的方式定義了光學(xué)畸變分析。例如：聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會的第43號法規(guī)（ECE R43）。在第43號法規(guī)中，距離值?X設(shè)定為4毫米，并且要求使用16條光線來獲得最大光學(xué)畸變值。

在這個(gè)例子中，為了演示目的，使用了材料為PMMA的簡單單層擋風(fēng)玻璃。光學(xué)畸變是根據(jù)TL 957標(biāo)準(zhǔn)的定義計(jì)算的。您需要安裝以下工具：

1.Ansys Speos 2023R2或更高版本。

2.在鏈接中說明的Python版本。

3.PyCharm 或其他 Python IDE

第 1 步：創(chuàng)建 rayfile 文件

在這一步中，使用附件項(xiàng)目中的腳本生成 5 個(gè)不同的光線文件。

在示例中，z軸是車輛的朝上方向，負(fù)X軸是車輛前進(jìn)方向。如果您的項(xiàng)目有不同的方向設(shè)置，可以自行調(diào)整。

每個(gè)光線文件都包含許多光線，這些光線的傳播信息稍后將用于計(jì)算擋風(fēng)玻璃畸變。示例項(xiàng)目中還提供了5個(gè)預(yù)生成的光線文件：第一個(gè)光線文件包含中心光線，其他4個(gè)光線文件包含圍繞中心光線的光線，半徑為12mm。這些射線文件的屬性可以針對不同的目的進(jìn)行定制。在本擋風(fēng)玻璃分析示例中，創(chuàng)建的射線具有以下屬性：

1.起始位置：

1.1 X 位置為3500mm

1.2 Y 位置是根據(jù)用戶選擇的擋風(fēng)玻璃表面的形狀計(jì)算的，其中2條相鄰光線之間的距離為30毫米。

1.3 Z 位置是根據(jù)用戶選擇的擋風(fēng)玻璃表面的形狀計(jì)算的，2條相鄰光線之間的距離為 30 毫米。

2.方向：-x 方向

3.波長：555nm

4.能量：1

第 2 步：Speos 模擬

在此步驟中，將5個(gè)光線文件導(dǎo)入到 speos 項(xiàng)目中，該項(xiàng)目將光線發(fā)送到擋風(fēng)玻璃，如下所示：

2d 和 3d 傳感器都可以用于仿真生成所需的 *.lpf 文件。在本示例中，使用了3D傳感器，記錄所有從擋風(fēng)玻璃射出的折射光線。

保持使用“l(fā)ight expert”功能，以生成 *lpf 文件。lpf 文件記錄光線通過擋風(fēng)玻璃的傳播信息：光線文件中的每條光線向前傳播，與擋風(fēng)玻璃相互作用，折射兩次，并存在于擋風(fēng)玻璃中。起始位置、交互位置、出射方向等信息都記錄在 LPF 文件中。

第 3 步：通過處理 LPF 文件進(jìn)行失真分析

這里使用 GitHub 光學(xué)自動化中的 python 腳本。該腳本從中心、頂部、底部、左側(cè)和右側(cè)模擬中逐個(gè)選擇 *.lpf/*.lp3 模擬文件。然后，計(jì)算畸變和折射功率并繪制圖像。

運(yùn)行和結(jié)果

運(yùn)行模型的說明和關(guān)鍵結(jié)果的討論

第 1 步：創(chuàng)建 rayfile 文件

1. 從此應(yīng)用程序庫下載示例 zip?？梢栽?zip 文件夾中找到“distortion step 1 enhanced.py”python 腳本。

2. 將腳本python文件“Distortion step 1 enhanced.py”拖放到Ansys Speos中。

3. 在第 100 行，用戶需要定義腳本使用windshield_surfaces的位置來生成光線。

4. 選擇腳本內(nèi)容，如下面的截圖所示。

5. 選擇內(nèi)擋風(fēng)玻璃表面或外擋風(fēng)玻璃表面。

6. 單擊腳本編輯器中的“Insert selection”工具按鈕。

7. （第 96 行和第 97 行）默認(rèn)情況下，horizontal_step和vertical_step設(shè)置為 30mm。這意味著 2 條中心光線之間的水平和垂直距離為 30 毫米。

8. （第 98 行和第 99 行）默認(rèn)情況下，樣本和半徑設(shè)置為 5 和 12mm。這代表 TL 957 的要求：每次局部計(jì)算總共需要 5 條射線，中心射線與圓上其他 4 條射線之間的距離為 12 毫米。

9. （第 106 行）默認(rèn)情況下，光線的起始位置的 X 坐標(biāo)設(shè)置為3500mm。如果用戶的擋風(fēng)玻璃的x坐標(biāo)位置大于3500mm，則用戶需要調(diào)整此值。

10. （第 120 行）默認(rèn)情況下，所有 ray 文件都將在 C：\temp 文件夾下生成。如果用戶不存在此文件夾或希望保存在不同的位置，用戶可以自定義目標(biāo)生成文件夾。

在 c：\temp 文件夾中，創(chuàng)建了 5 個(gè)不同的 rayfile 文件：ray_file_0.ray 包含中心光線。打開每個(gè)光線文件并檢查，光線數(shù)量應(yīng)該相同，即每個(gè)文件里面有 463 條光線。

此步驟還可以選擇直接使用示例項(xiàng)目中提供的 rayfile 文件。

第 2 步：Speos 模擬

1. 在 Speos 2023R2 中，打開 speos 項(xiàng)目 “windshield_distotion_study.scdocx” 并創(chuàng)建 5 個(gè) rayfile 源。

2. 選擇從步驟 1 中生成的 5 個(gè)光線文件定義光線文件源。

3. 編輯每個(gè)direct simulation并選擇 1 個(gè)光線文件源。檢查direct simulation使用的光線數(shù)量和 LPF 最大路徑的設(shè)置是否與光線文件中的光線數(shù)量匹配。

4. 更新每個(gè)方向的模擬。每個(gè)模擬將生成一個(gè) *.lp3 文件。

請注意，如果此項(xiàng)目中使用的擋風(fēng)玻璃形狀由分離的曲面定義，即此幾何圖形中沒有擋風(fēng)玻璃體積。為了描述被表面包圍的體積的光學(xué)特性，應(yīng)該使用擋風(fēng)玻璃表面的Name-Selection/Group來定義擋風(fēng)玻璃體積。

第 3 步：通過處理 LPF 文件進(jìn)行失真分析

1. 使用鏈接下載或復(fù)制 Ansys 光學(xué)自動化存儲庫。

2. 如圖所示安裝所有必要的 python 庫。

3. 從光學(xué)自動化存儲庫內(nèi)的應(yīng)用程序文件夾中獲取 example_windshield_distortion_lpf_reader.py 腳本。

4. 運(yùn)行腳本。

5. 在執(zhí)行過程中，系統(tǒng)會要求用戶選擇 5 個(gè) *.lp3 結(jié)果文件。用戶需要首先選擇中心光線文件，然后使用其他 4 個(gè)光線文件來選擇剩下的 4 個(gè) *.lp3 文件。

運(yùn)行完成后，該腳本會繪制 2 個(gè)圖形：畸變圖和屈光度圖：

畸變圖描述了最大偏轉(zhuǎn)角的分布，屈光度圖描述了折射率值。

重要的模型設(shè)置

對此模型中使用的重要對象和設(shè)置的說明

CAD 幾何圖形方向

在此示例中，向前方向沿x軸。最終結(jié)果產(chǎn)生了在 y-z 平面上的圖像結(jié)果。因此，需要確保擋風(fēng)玻璃的幾何形狀使用 x 軸作為前方向和 z 軸作為向上方向。

對擋風(fēng)玻璃使用精細(xì)網(wǎng)格劃分

Speos 使用網(wǎng)格來描述幾何形狀和光線傳播的計(jì)算。因此，網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響擋風(fēng)玻璃分析計(jì)算的精度。為擋風(fēng)玻璃幾何形狀設(shè)置精細(xì)網(wǎng)格非常重要。在此示例中，因?yàn)閾躏L(fēng)玻璃是曲面結(jié)構(gòu)，需要對其進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格劃分以準(zhǔn)確模擬其性能，因此將sag mode設(shè)為固定模式，其值為 0.001mm。

在擋風(fēng)玻璃上使用全透明表面光學(xué)特性

在畸變研究中，通過比較入射光線和折射出射光線來計(jì)算光學(xué)畸變。因此，需要在擋風(fēng)玻璃表面涂覆全透明涂層避免反射。

使用相同數(shù)量的光線進(jìn)行模擬和light expert function

光線文件明確定義了要在模擬中使用的光線。在使用 rayfile 源進(jìn)行模擬時(shí)，Speos 引擎將根據(jù) rayfile 文件內(nèi)定義的光線信息列表逐個(gè)創(chuàng)建光線，因此，在仿真過程中不要產(chǎn)生更少或更多的光線，這一點(diǎn)很重要。因此，用于direct simulation的光線數(shù)量，LPF 最大光線數(shù)與光線文件中的光線數(shù)量相匹配。

根據(jù)參數(shù)更新模型

根據(jù)設(shè)備參數(shù)更新模型

使用較小的步長值生成更詳細(xì)的結(jié)果映射

在此示例中，結(jié)果圖的步長值/分辨率設(shè)置為 30 毫米。為了生成更詳細(xì)的結(jié)果圖，用戶可以通過在步驟 1 中創(chuàng)建更高密度的光線文件來提高分辨率，即減小腳本內(nèi)“step_size”的值。

請注意，由于光線文件中的光線數(shù)量會發(fā)生變化，因此需要調(diào)整模擬光線數(shù)，即LPF LPF最大光線數(shù)，與光線數(shù)量相匹配。

使用lightbox可避免每次模擬都重新劃分網(wǎng)格

在擋風(fēng)玻璃分析中，對擋風(fēng)玻璃的幾何形狀進(jìn)行了極其精細(xì)的網(wǎng)格劃分。因此，對幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分需要大量的仿真時(shí)間。為避免重復(fù)網(wǎng)格劃分，用戶可以使用擋風(fēng)玻璃幾何體創(chuàng)建lightbox導(dǎo)出。由于lightbox是應(yīng)用了光學(xué)屬性的pre-meshed幾何體，因此在仿真運(yùn)行期間可以節(jié)省對擋風(fēng)玻璃進(jìn)行網(wǎng)格劃分的成本。

進(jìn)一步推廣模型

為想要進(jìn)一步自定義模型的用戶提供信息和提示

更改參數(shù)以實(shí)施 ECE No. 43 法規(guī)

第 43 號法規(guī)將擋風(fēng)玻璃分析定義為一種非常相似的方法。區(qū)別在于距離為4mm ，中心光線周圍的光線數(shù)量為12 （?X?= 4 mm，surrounding rays?= 12）。用戶可以在創(chuàng)建 rayfile 文件的第一步中實(shí)施更改：

1.?將半徑值更改為 4

2.?將樣本值更改為 13（即 1 條中心射線和 12 條周圍射線）

然后，用戶將獲得 13 個(gè)不同的 rayfile 文件進(jìn)行模擬。