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车灯线光源的优化设计全国一等奖.docx


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车灯线光源的优化设计全国一等奖.docx车灯线光源的优化设计摘要本文在满足给定设计规范的条件下,以线光源功率最小为优化冃标,运用微元法对车灯线光源长度的设计问题进行了讨论。首先将线光源分为若干段(微元),视每一段为一个点光源。引进两个物理量:照度和发光效率,分别用来度量光强和建立光源功率与辐射光能的联系。搜索每个点光源发出的光线有多少条经反射后能照到给定的B、C两点,进而建立起光源功率与B、C点照度之间的联系。再以设计规范中要求的B、C点的照度与额定值之间的关系为约束条件,以线光源功率最小为目标建立优化模型。代入距光源25米处照度的额定值和线光源的功率线密度等参数,得出相应线光源的最优长度。以高压毛细***灯(发光效率50流明/瓦、功率线密度30瓦/毫米)为例,,并绘出测试屏上反射光的亮区图。从实际、安全、经济等多角度出发,讨论了该设计规范的合理性。最后考虑到实际的光源辐射有衰减、灯具反射面的污染等因素,建议引进照度补偿系一、 问题的提出汽车头部的车灯形状为一旋转抛物面,其对称轴水平地指向正前方,并己知其开口半径为36毫米,。经过车灯的焦点F,在与对称轴相垂直的水平方向上,对称地放置一定长度的均匀分布的线光源。要求在某一设计规范标准下确定线光源的长度。该设计规范可简单描述如下:在焦点F正前方25米处的A点放置一测试屏,屏与FA垂直,用以测试车灯的反射光。在屏上过A点引出一条与地面相平行的直线,在该直线A点的同侧収B点和C点,使AC=2AB=。要求C点的光强度不小于某一额定值(可取为1个单位),B点的光强度不小于该额定值的两倍(只须考虑一次反射)。我们需要解决的是:(1) 满足该设计规范的条件下,计算线光源长度,使线光源的功率最小。(2) 得到的线光源长度,在有标尺的坐标系中画出测试屏上反射光的亮区。(3) 讨论该设计规范的合理性。二、 。光通量一一光源在单位时间内辐射出的光能,用国际规定的眼(对光适应的眼)的灵敏度来估定。发光效率一一光源每消耗1瓦特功率可辐射出的光通量,又叫光效。照度一一单位面积所接受的光通量,单位为勒克斯。:由于问题讨论的主要对象是线光源,而线光源处理起来不太容易,因此想到用微元法将线光源划分为若干小段(微元A/),每一段可视为一个点光源。这样就将线光源的问题转化为了点光源的叠加问题。由于该线光源照射到测试屏上,有两种途径:直射和反射。因此我们在考虑某点的光强时,必须同时考虑两种情况。现在我们还需解决的几个关键问题是如何度量光强,光强的额定值为多少,如何建立起功率与光强的关系。通过查资料,我们引入了描述光强的物理量一一照度。同时查到距车灯25米处的照度额定值为1勒克斯,即光强额定值为1勒克斯(见参考文献[1])。另外,还引入发光效率这个量来建立起光源功率与光强的关系(见参考文献[2])0在上述讨论的基础上,作进一步分析,我们认为可以建立一个以给定设计规范为约束条件,以线光源的功率最小为目标的规划模型。可以通过步长搜索,来求得线光源长度的最优解。三、 模型的假设1、 光在反射时及整个传播过程中,能量均无损耗。2、 只计此线光源的长度,其体积忽略不计。3、 此线光源均匀分布,各点同性。且任意一点向整个空间各个方向均匀辐射能量。4、 光强额定值为1勒克斯。5、 不考虑光的干涉、衍射等现象。6、 光强在某点叠加时,可直接取其代数和。7、 只考虑一次反射。四、 符号说明符号含义单位C焦准距mP线光源的功率W0光通量lm7发光效率lm/WE照度lx(lm/m2)照度额定值lx(lm/m2)k发光功率线密度W/mL线光源长度mlm——流明 W——功率 m——米lx 勒克斯(llxJlm/n?)五、:图一车灯测试装置三维坐标图其次,明确下面的定理:定理1从焦点发出的光经反射后均为平行于对称轴的光。定理2点光源发出的光以球面波的形式向空间传播。定理3光源从一点A经反射到达另一点B所走过的光程等于点A的镜像川到点B的直线距离。此定理可由图二直观表示:即AC+BC=A'B再根据儿何推导,可得出一个重要的结论:结论在旋转抛物面上,每个反射点的法线都与对称轴相交。下面我们对此结论进行证明:从图一,我们可以看出此旋转抛物面是由曲线x2=2cyz=0(c>°)()绕y轴旋转得到的。于是推出此旋转抛物而的方程为z2+x2=2cy()设(Xo/o,z())为此抛物面上任意一点,求得过此点的切面方程为2^(x-^)-2c(y-yQ)+2zo(z-zo)=O进而得法线方程为兀一无二y_y()二z_z()兀0—cz0联立对称轴方程jx=O[z=0得到交点坐

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  • 时间2019-05-24