汽车反光杯设计【字数：14317】
汽车的总体数量不断增加，所带来的社会问题当然也不容忽视，当我们看到表面上的繁华时，也应更多关注背后的不鲜艳。交通事故多发作为汽车数量增加所带来的最明显的社会问题是本课题开展的大背景，并且在所有交通事故中总结其原因，除了驾驶员主观因素之外，车灯作为夜间行驶必不可少的工具也承担着减少交通事故的重要责任，车灯光的优劣性、稳定性将直接影响驾驶员的安全。国内目前对于LED车灯的研究还停留在对主流车灯进行简单复制、仿造的阶段，在自主设计方面与西方汽车强国还存在较大差距，这也造成了国产车在与世界其他车企竞争时处于劣势地位的现象。本项目主要对车灯光学系统进行一定程度的研究，以期设计出一款具有良好反射效果的反光杯系统，并获得较好的光斑效果。本文首先介绍了课题展开的背景并且详细阐述了该课题所涉及到的光学基本原理，通过光学设计软件lighttools完成对反光杯结构的设计，并通过软件的光线追迹分析模拟光源发出的光，最后利用网格函数完成对照明系统的优化分析，在优化的基础上，根据实际经验调研后的杯型结构参数不断手动调节，最终获得良好的光斑效果。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及研究意义 1
1.2汽车灯发展历史 2
1.3反光镜及车灯结构 4
1.4 LED介绍 6
1.4.1 LED发光原理 6
1.4.2 LED灯结构组成 7
1.5研究内容 8
第二章 光学基本理论及设计软件介绍 9
2.1光学基本理论及概念 9
2.1.1光的直线传播定律 9
2.1.2光的反射和折射定律 9
2.1.3光通量 10
2.1.4光照度 10
2.1.5发光强度 10
2.1.6立体角 11
2.2光学设计软件lighttools介绍 11
2.3照明光学系统组成 12
2.3.1 光学元件 12
2.3.2光源 12
2.3.3接收面 13
第三章 汽车反光杯光学系统设计与优化 14
3.1照明光学设计流程 14
3.2系统初始化设置 15
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3.3光学系统建立 15
3.3.1光源 15
3.3.2光学元件 16
3.3.3接收面 18
3.4光学系统优化 19
3.4.1添加透镜 20
3.4.2添加优化变量 21
3.4.3添加评价函数 22
3.4.4系统优化 23
第四章 总结与展望 26
参考文献 27
致谢 28
第一章 绪论
1.1课题背景及研究意义
中国不断发展进步，人民生活水平不断提高，汽车成为小康家庭的标准配置。尤其是中国进入21世纪以来，我国经济增长速度处于全球领跑的队列，与此同时汽车产业也迎来高速增长、快速发展的时代。早在21世纪初的2005年，中国的汽车产量就达到了570万辆，中国汽车产业的世界地位不断提升，同时也为中国成长为世界汽车制造强国打下了坚实的基础。2017年，我国汽车产销总量再上新台阶，同比增长速率再创新高。这是自从2013年第一次产销量超过2000万辆以来，第五年稳居世界第一的位置，其市场份额从2000年至2017年提高了近三十个百分点。
伴随着汽车的数量不断提高，汽车行业的快速发展也带动了其他相关产业的发展。由于汽车产业对于各个产业链经济效益的拉动，汽车全产业链（汽车产业）的相关价值占国民生产总值的十分之一[1]。与此同时，在国家相关政策的鼓励与支持下，新能源汽车也迎来了高速发展的时机，各地新能源汽车产业以及智能互联汽车都取得跨越式的发展。2007年11月1日，新能源汽车全新的管理规定发布，也就标志着新能源汽车步入快速发展的起始年[2]。截止到2017年，我国新能源汽车产销量创造了超过70万辆的历史记录。由于新能源汽车对于续航里程的指标要求较为严格，也就导致了新能源汽车灯照明系统的设计对于节能环保的要求较传统燃油车更高，这在一定程度上也促进了LED作为汽车灯光源的普及。
汽车保有量屡创新高，也会间接导致汽车事故发生频率的上升，城市发展过程中，交通矛盾越来越突出，日常出行拥堵现象变得越来越常见，交通事故频发。虽然近些年随着国民素质的提高，以及相关基础设施的改善，交通事故发生频率下降明显，但伴随着每一次交通事故的发生，轻则财产损失，重则人身伤亡，所造成社会负面的影响难以想象[3]。
在发生的所有交通事故中，根据统计数据显示发生在夜间的事故占很大比例[4]，其原因除了来自驾驶员主观的因素之外，另一方面也和夜间行车时灯光、视野以及能见度有着密不可分的关系。夜间行车时灯光的重要性不言而喻，倘若没有灯光，在夜间行车后果难以想象。正是基于此，车灯对于整个汽车系统来说是至关重要的，它不仅能够给驾驶员提供准确的道路驾驶环境信息，而且还能够准确地将信号传递给周围的每一辆车。所以说，要想减少夜间交通事故的发生，对于汽车照明系统的研究显得尤为必要。
本文正是基于燃油汽车以及新能源汽车数量不断增加的大背景下，对汽车照明系统进行一定程度的研究，以期设计出良好照明效果的车灯系统，为减少夜间交通事故的发生提供支持。目前国内对于汽车灯设计还存在诸多弊端：诸如车灯自主设计能力不足，某些厂商对于车灯的设计还存在抄袭国外设计的现象；自主创新能力不足，难以设计出良好照明效果的车灯结构。西方国家的汽车工业经过几百年发展，各方面都基本形成了独自的产业链，对于车灯在设计制造方面，拥有较多自主知识产权，自主创新能力较强。对于LED车灯来说，西方国家早在数年前就将LED技术应用于汽车灯光照明系统上，诸如奥迪、宝马、奔驰等，而我国对于LED车灯的研究在最近几年才成为一个热点。
1.2汽车灯发展历史
随着新能源技术的创新发展以及科技的进步，车灯的发展也经历了漫长的历史，有着几次历史性的转折发展，从早期汽车诞生年代的煤油灯到后来电气时代的白炽灯再到如今的LED发光二极管，汽车的灯光系统随着技术的发展不断更新换代，车灯系统也向着更加智能、安全节能、高效率方向发展，各历史时期的灯光优缺点对比如表1.1所示。
第一代车灯是采用乙炔气体来实现的照明。主要安装于早期汽车上，目的比较单一，只是为了满足最低限度的照明使用，在电气时代尚未获得规模化应用时，乙炔气体燃烧的火焰亮度要比当时电光源所发出的亮度高出一倍。因而，在1925年之前，乙炔灯成为各个汽车生产厂商装配汽车灯的主流选择。乙炔灯工作的原理：将碳化钙储存在车灯内部，碳化钙遇水产生乙炔气体，燃烧的乙炔气体发出明亮的光，从而实现照明[5]。但这在一定程度上存在工作不稳定的问题，安全性也达不到要求，直到白炽灯进入人类的视野。
第二代车灯是以白炽灯为光源来实现的，第二次工业革命带来了技术上革新，人类进入电气时代，其中最具代表的便是爱迪生发明的电灯。直到1925年，白炽灯才广泛应用到汽车前照灯上[6],相较于乙炔灯来说，白炽灯的发明以及应用极大的改善了汽车照明的效果，安全性也大大提高。白炽灯在使用时，通过对螺旋状灯丝施加电压，由于灯丝存在一定的阻抗，并且电流存在热效应，就会导致灯丝发热。当温度达到2000摄氏度以上，热激发导致钨原子在能级之间跃迁，从而发出亮光。随着白炽灯的不断使用，钨丝就会被逐渐的消耗掉，随着时间的推移，钨丝最终会被“烧断”导致白炽灯无法工作。除此之外，白炽灯在工作时，高温下的钨丝会升华，最终会在白炽灯内壁上附着一层黑色固体，造成照明效果下降。从白炽灯的工作原理中可以看出，电能大部分转化为了热能形式，只有少部分的能量转化为光能为我们所用，所以目前白炽灯基本上已经不在作为汽车光源来使用。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及研究意义 1
1.2汽车灯发展历史 2
1.3反光镜及车灯结构 4
1.4 LED介绍 6
1.4.1 LED发光原理 6
1.4.2 LED灯结构组成 7
1.5研究内容 8
第二章 光学基本理论及设计软件介绍 9
2.1光学基本理论及概念 9
2.1.1光的直线传播定律 9
2.1.2光的反射和折射定律 9
2.1.3光通量 10
2.1.4光照度 10
2.1.5发光强度 10
2.1.6立体角 11
2.2光学设计软件lighttools介绍 11
2.3照明光学系统组成 12
2.3.1 光学元件 12
2.3.2光源 12
2.3.3接收面 13
第三章 汽车反光杯光学系统设计与优化 14
3.1照明光学设计流程 14
3.2系统初始化设置 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.3光学系统建立 15
3.3.1光源 15
3.3.2光学元件 16
3.3.3接收面 18
3.4光学系统优化 19
3.4.1添加透镜 20
3.4.2添加优化变量 21
3.4.3添加评价函数 22
3.4.4系统优化 23
第四章 总结与展望 26
参考文献 27
致谢 28
第一章 绪论
1.1课题背景及研究意义
中国不断发展进步，人民生活水平不断提高，汽车成为小康家庭的标准配置。尤其是中国进入21世纪以来，我国经济增长速度处于全球领跑的队列，与此同时汽车产业也迎来高速增长、快速发展的时代。早在21世纪初的2005年，中国的汽车产量就达到了570万辆，中国汽车产业的世界地位不断提升，同时也为中国成长为世界汽车制造强国打下了坚实的基础。2017年，我国汽车产销总量再上新台阶，同比增长速率再创新高。这是自从2013年第一次产销量超过2000万辆以来，第五年稳居世界第一的位置，其市场份额从2000年至2017年提高了近三十个百分点。
伴随着汽车的数量不断提高，汽车行业的快速发展也带动了其他相关产业的发展。由于汽车产业对于各个产业链经济效益的拉动，汽车全产业链（汽车产业）的相关价值占国民生产总值的十分之一[1]。与此同时，在国家相关政策的鼓励与支持下，新能源汽车也迎来了高速发展的时机，各地新能源汽车产业以及智能互联汽车都取得跨越式的发展。2007年11月1日，新能源汽车全新的管理规定发布，也就标志着新能源汽车步入快速发展的起始年[2]。截止到2017年，我国新能源汽车产销量创造了超过70万辆的历史记录。由于新能源汽车对于续航里程的指标要求较为严格，也就导致了新能源汽车灯照明系统的设计对于节能环保的要求较传统燃油车更高，这在一定程度上也促进了LED作为汽车灯光源的普及。
汽车保有量屡创新高，也会间接导致汽车事故发生频率的上升，城市发展过程中，交通矛盾越来越突出，日常出行拥堵现象变得越来越常见，交通事故频发。虽然近些年随着国民素质的提高，以及相关基础设施的改善，交通事故发生频率下降明显，但伴随着每一次交通事故的发生，轻则财产损失，重则人身伤亡，所造成社会负面的影响难以想象[3]。
在发生的所有交通事故中，根据统计数据显示发生在夜间的事故占很大比例[4]，其原因除了来自驾驶员主观的因素之外，另一方面也和夜间行车时灯光、视野以及能见度有着密不可分的关系。夜间行车时灯光的重要性不言而喻，倘若没有灯光，在夜间行车后果难以想象。正是基于此，车灯对于整个汽车系统来说是至关重要的，它不仅能够给驾驶员提供准确的道路驾驶环境信息，而且还能够准确地将信号传递给周围的每一辆车。所以说，要想减少夜间交通事故的发生，对于汽车照明系统的研究显得尤为必要。
本文正是基于燃油汽车以及新能源汽车数量不断增加的大背景下，对汽车照明系统进行一定程度的研究，以期设计出良好照明效果的车灯系统，为减少夜间交通事故的发生提供支持。目前国内对于汽车灯设计还存在诸多弊端：诸如车灯自主设计能力不足，某些厂商对于车灯的设计还存在抄袭国外设计的现象；自主创新能力不足，难以设计出良好照明效果的车灯结构。西方国家的汽车工业经过几百年发展，各方面都基本形成了独自的产业链，对于车灯在设计制造方面，拥有较多自主知识产权，自主创新能力较强。对于LED车灯来说，西方国家早在数年前就将LED技术应用于汽车灯光照明系统上，诸如奥迪、宝马、奔驰等，而我国对于LED车灯的研究在最近几年才成为一个热点。
1.2汽车灯发展历史
随着新能源技术的创新发展以及科技的进步，车灯的发展也经历了漫长的历史，有着几次历史性的转折发展，从早期汽车诞生年代的煤油灯到后来电气时代的白炽灯再到如今的LED发光二极管，汽车的灯光系统随着技术的发展不断更新换代，车灯系统也向着更加智能、安全节能、高效率方向发展，各历史时期的灯光优缺点对比如表1.1所示。
第一代车灯是采用乙炔气体来实现的照明。主要安装于早期汽车上，目的比较单一，只是为了满足最低限度的照明使用，在电气时代尚未获得规模化应用时，乙炔气体燃烧的火焰亮度要比当时电光源所发出的亮度高出一倍。因而，在1925年之前，乙炔灯成为各个汽车生产厂商装配汽车灯的主流选择。乙炔灯工作的原理：将碳化钙储存在车灯内部，碳化钙遇水产生乙炔气体，燃烧的乙炔气体发出明亮的光，从而实现照明[5]。但这在一定程度上存在工作不稳定的问题，安全性也达不到要求，直到白炽灯进入人类的视野。
第二代车灯是以白炽灯为光源来实现的，第二次工业革命带来了技术上革新，人类进入电气时代，其中最具代表的便是爱迪生发明的电灯。直到1925年，白炽灯才广泛应用到汽车前照灯上[6],相较于乙炔灯来说，白炽灯的发明以及应用极大的改善了汽车照明的效果，安全性也大大提高。白炽灯在使用时，通过对螺旋状灯丝施加电压，由于灯丝存在一定的阻抗，并且电流存在热效应，就会导致灯丝发热。当温度达到2000摄氏度以上，热激发导致钨原子在能级之间跃迁，从而发出亮光。随着白炽灯的不断使用，钨丝就会被逐渐的消耗掉，随着时间的推移，钨丝最终会被“烧断”导致白炽灯无法工作。除此之外，白炽灯在工作时，高温下的钨丝会升华，最终会在白炽灯内壁上附着一层黑色固体，造成照明效果下降。从白炽灯的工作原理中可以看出，电能大部分转化为了热能形式，只有少部分的能量转化为光能为我们所用，所以目前白炽灯基本上已经不在作为汽车光源来使用。
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