车灯支架的模态分析_刘红

验支架的固有频率应大于一定值以避免与外界载荷产生共振。文章研究了一款 AFS 车灯的结构避振设计。由于 AFS
车灯结构的特殊性，容易产生共振，论文通过模态分析找到支架的薄弱部位，在保证支架功能及制造工艺的前提下，建立
了 3 种不同支架的加强方案，并利用 ANSYS 进行模态分析，得到了简单有效的支架方案。图 2 表 1 参 9
［研究·设计］
刘 红，等 车灯支架的模态分析
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图 2 4 种不同的支架模型
Figure 2 Four types of framing models
加； 而有安装脚 3 的立柱刚度的大小对 1 阶模态起不 参考文献（ References） ：
到明显的作用。模型 4 中，有位移传感器 1 的立柱与 有安装脚 3 的立柱相连接，此两处的结构也进行了改 进，并且模型 4 整体的质量增大，1 阶模态振动方向上 的刚度进一步提高，这对提高振动支架的固有频率效 果显著，达到了车灯振动试验要求。
［4］ 朱茂桃，何志刚，徐凌，等． 车身模态分析与振型相关性研究［J］．
频率的增加而减少，也就是说，低阶模态基本上决定了 产品的动态性能［9］。在车灯支架的振动试验当中，应 当避免车灯支架的固有频率与激振频率相当而产生的 共振。因此，提高车灯支架的低阶模态频率变得十分 重要，而方案 4 有效提高了支架的低阶模态频率。 4 结论
M X¨ + KX = 0
（ 2）
上述常系数线性微分方程解的形式为
X = X0 sin（ ωt + φ）
（ 3）
将（ 3） 式代入到（ 2） 式，就可以得到如下特征方程
K － ω2 MX = 0
（ 4）
上述的求解过程可以确定一系列的 X 和 ω，每一
个 ω 和相对应的 X 表示系统模型的固有频率和振 型［1-5］。
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关 键 词：模态分析； 车灯支架； 有限元； 固有频率
中图分类号：TP391． 7
文献标志码：A
文章编号：1005-2895（2012）04-0037-03
Modal Analysis of Car Lamp Bracket
LIU Hong1 ，LIANG Hua1 ，JIANG Lan-fang2
2012 年第 4 期
对车灯支架进行有限元建模分析，要对支架模型 结构进行合理的简化。复杂的模型会增加有限元网格 的密度，而且容易出现有问题的网格。因此，简化的目 的是在保证结果准确性的基础上，提高建模效率和节 省计算时间。模型简化时所遵循的原则如下：
1） AFS 车灯的主要部件有透镜组、位移与角度传 感器等，其中透镜组固定在灯体上，而位移与角度传感 器则直接固定在支架上。因此可以将灯体与透镜组转 化为等效的质量作用在支架的安装脚的位置上，而位 移传感器则保留作用在支架的安装脚上。
［9］ 罗辉，陈蔚芳，叶永华． 机床立柱灵敏度分析及多目标优化设计 ［J］． 机械科学与技术，2009，28（ 4） ： 487 － 491．
2 车灯试验支架建模
2． 1 模型的简化
收稿日期：2011-10-24；修回日期：2011-12-12 作者简介：刘红（ 1960） ，男，浙江杭州人，博士，教授，主要从事照明、模具 CAE 方面的研究。E-mail： hongliu@ zjut． edu． cn
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轻工机械 Light Industry Machinery
1 模态分析的理论基础
结构分析的基本动力学方程
M X¨
+
CX
+
K
·
X
=
F（
t）
（ 1）
其中，M 是质量矩阵，C 是阻尼矩阵，K 是刚度矩
·
阵，F（ t） 是与时间有关的外力矩阵，X 是位移矩阵，X
是速度矩阵，X¨ 是加速度矩阵。
在模态分析中，系统受到的外力为零。如果不考
虑系统的阻尼，方程可以简化为如下的形式
模型4中有位移传感器1的立柱与此两处的结构也进?了改有安装脚3的立柱相连接1阶模态振动方向上进并且模型4整体的质?增大这对提高振动支架的固有频率效的刚度进一步提高果显著达到了车灯振动试验要求
第 30 卷 第 4 期 2012 年 8 月
轻工机械 Light In． 30 No． 4 Aug． 2012
［J］． 煤矿机械，2009，30（ 3） ： 56 － 58．
在车灯的振动试验中，为了避免支架发生共振，提 高车灯支架的低阶模态频率很是关键。通过对 4 种不 同支架模型的分析比较，得出了影响低阶模态的因素 所在，为支架模型的进一步优化奠定了基础。
［8］ 葛玮，左言言，沈哲． 车身有限元简化建模与几何清理研究［J］． 拖 拉机与农用运输机，2009，36（ 4） ： 97 － 99．
在模态分析中，所有模态的权重因子随着该模态
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0 引言
车灯是现代汽车上的一个重要部件，根据标准，车
灯在出厂前必须要进行相关的试验。其中，振动试验
是至关重要的一项。车灯的振动试验支架就是用来固
定车灯的试验装备。然而企业在试验过程当中，经常
会出现试验支架共振的质量问题，这严重地影响了车
灯研发的周期和企业的效益。因此，必须对车灯支架
进行模态分析，为支架的结构优化奠定基础。
［研究·设计］
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1005-2895． 2012． 04． 010
车灯支架的模态分析
刘 红1 ，梁 华1 ，蒋兰芳2
（ 1． 浙江工业大学 机械学院，浙江 杭州 310014； 2． 浙江工业大学 之江学院，浙江 杭州 310024）
摘 要：车灯试验支架是对车灯进行振动测试的实验平台，其结构的合理性直接影响到试验的准确性。规范要求车灯试
Abstract： The car lamp bracket，which structural rationality has a direct influence on the accuracy of results，is an experimental platform for vibration testing of car lamp． The technical standard requests that the natural frequency of car lamp bracket should be greater than a certain value in order to avoid resonance with external applied load． The paper studied a design of structural vibration free for a type of AFS car lamp． Because of the particularity of AFS car lamp structure，it is easy to produce the resonance，the paper found the weakpart of the bracket with ANSYS modal analysis and established three types of strengthened models of brackets on the premise of guaranteeing function and manufacturing． The simplified and effective modal was gained with ANSYS modal analysis． ［Ch，2 fig． 1 tab． 9 ref． ］ Key words： modal analysis； car lamp bracket； finite element； natural frequency
实际上，在简化模型的过程中，由于理想化的假设 以及诸多不确定因素的存在，使得从简化模型得到的 计算结果与实际的结果存在着偏差，有时候甚至会超 出工程允许的范围。因此，可以利用模态试验的结果 对模型进行修正［6-8］。
根据以上的简化原则，对图 1（ a） 所示的试验支架 进行了建模与模态分析，结果表明该支架没能通过标 准要求的振动试验。因此需要改进。通过分析，得到 了 3 种不同的提高其刚度的模型，其中图 2（ a） 为原始 模型。 2． 2 有限元模态计算
4） 固定安装脚的结构可以通过质量的等效来简 化。透镜组有 3 个安装脚，相应地有 3 个固定安装脚 的结构。其中安装脚 3 的内部结构十分的复杂，因此 采用等效质量的方法将其简化，使其跟支架上的立柱 或者横梁接在一起。
实际支架模型如图 1 所示。
图 1 实际支架模型与灯体 Figure 1 Real framing model and the lamp
（ 1． College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang，310014，China； 2． Zhijiang College of Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang，310024，China）
2） 对于一些不重要的部件可以去除。像角度传 感器、激发器等一些部件，其质量非常小，去除后对结 果的影响不是很大。但是，考虑它们会增加计算时间，
从而会降低效率。 3） 螺孔等一些细小的特征可以删除。车灯支架
存在着大量的螺孔等细小特征，它们的存在无疑会增 加对网格质量的要求。这样网格的精度和分析的时间 会大大的 增 加。但 是，其 分 析 结 果 的 准 确 性 却 变 化 不大。
对建立的车灯支架有限元模型进行模态分析，得 到前 10 阶振型和固有频率。其中第 1 阶振型见表 1。
表 1 4 种模型对应的 1 阶频率 Table 1 1st frequency of four models mentioned above
模型
1 阶频率 / Hz
模型
1 阶频率 / Hz
1
83． 207
3
104． 596
2
104． 468
4
209． 600
3 模态计算结果分析 1 阶模态中，模型 1 的固有频率最小； 模型 2 的固
有频率比模型 1 有明显的提高； 而模型 3 的固有频率 与模型 2 相比，几乎没有什么差别。主要原因是： 在 1 阶模态下，车灯支架的振型主要体现在装有位移传感 器 1 的立柱上，在振动方向上，其旁边加了一个立柱 后，这个方 向 的 刚 度 增 加 了，相 应 的 固 有 频 率 也 会 增