汽车灯具模态分析及结构优化设计_孙小峰

& + cx & + kx = f (t ) m& x
对于自由振动的系统来说，其振动微分方程为：
& + cx & + kx = 0 m& x
其正则形式为：
2 & & + 2σx & + ω0 x x=0
式中： ω0——系统固有频率， ω 0 = σ——阻尼系数， σ =
k ； m
c ； 2m σ c = ξ——阻尼比， ζ = 。 ω 0 2 mk
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（本文编辑
孙 爽）
3 结语
从本文的改进分析结果可以看出，优化后的后 组合灯结构有效提高了灯具的局部模态频率，改善 了局部模态特性，使灯具整体刚度更加协调。达到 了缩短设计周期、降低成本、提高产品设计可靠性 的目的。然而，车灯的动力学仿真是1个复杂的系统 工程，尚有很多问题需要解决。包括灯具与夹具及 振动台之间的连接刚度、灯具各零部件之间的连接 方式以及随机振动的试验以及仿真结果的对比分析 等。此外，对于复杂灯具的建模精度也是影响仿真 结果的1个重要因素。这些问题将是下一步研究的重 NX Nastran建立有限元模 型。 有限元计算模型的准确度直接关系到计算结果 的正确性和精确度，而有限元模型的规模又关系到 计算的经济性，这两方面对于车灯结构分析都是非 常关键的。从工程应用角度来看，结构有限元模型 的建立应满足以下要求[4]： （1）计算模型必须具有足够的准确性，要能反 映结构的主要力学特性以及结构的实际状况，既要 考虑形状与构成的一致性，又要考虑支撑情况和边 界约束条件的一致性； （2）计算模型要具有良好的经济性。复杂的计 算模型一般具有较高的准确性，但复杂的计算模型 的建立相应地会花费更多的时间、人力、物力进行 数据处理，从而使计算费用大大增加。 依据以上原则，首先对模型上不影响计算结果 的微小结构及部件进行几何清理，然后对灯具进行 网格划分，整个模型实体部分全部采用十节点四面 体单元，划分网格后结构示意图如图2所示。
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2014年第7期
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参考文献 [1] 屈求真. 轿车车身结构的有限元分析与评价[J]. 汽车工程， 1996，18（3）：148-151. [2] 张平，雷雨成，高翔，等. 轿车车身模态分析及结构优化 设计[J]. 汽车技术，2006（4）：5-9. [3] GB 4785—2007 汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装 规定[S]. [4] 冯国胜. 轻型车有限元分析及应用[J]. 机械强度，1996，18 （2）：78-79. ೒7 Ӭ࣪ৢ㒧ᵘ㄀2䰊ᤃൟ೒
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动态特性 [1]，使产品在设计阶段就可验证设计方案 是否能满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节 省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法 [2] 。 本文以某车型后组合灯为研究对象，通过对 车灯进行模态分析找出其结构设计中相对薄弱的部 位，并依据经验进行相应的结构优化，通过进一步 分析可以看到，优化后的车灯的薄弱部位局部模态 及车灯整体结构的刚度得到了较大的改善，从而减 少了产品在生产和使用过程中发生失效的可能性。
Modal Analysis and Optimum Structure Design of Automotive Lamp
SUN Xiaofeng CHANG Jin
(Changzhou Xingyu Automotive Lighting System Co., Ltd) Abstract: The dynamic property is an important parameter to judge the stability of an automotive lamp for driving safety and experience. In this paper, the finite element model of a rear lamp is set up by NX Nastran, and a modal analysis is carried out. The modal characteristics and resonant frequency of the lamp are calculated and approved by test. According to the results, we optimized the design of part structure and layout, and made the rigidity of the whole lamp more reasonable. The calculated first few resonant frequencies of the lamp improved greatly after the optimization of the structure. Key words: automotive lamp; modal analysis; optimum structure; FEM; test simulation
方程的特解为：
xφ = e λt
式中：λ为方程的特征值；φ为初相位。 实验室进行灯具共振频率测试试验大多是反馈 闭环控制，通过调节驱动信号的大小使试验频段内 试件或者夹具上的某点（称为控制点）的加速度值 与事先设定的加速度控制曲线相吻合。对于平稳的 恒定加速度正弦扫频试验来说，已经可以达到很高 的精度[3]。 1.2 几何模型 本文以某后组合灯为仿真对象，利用有限元
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2 模态分析及优化
2.1 初始结构的模态分析 汽车在行驶过程中受到的路面激励主要以低频 为主，各主机厂也针对车灯的 1 阶共振频率范围作 出了规定，一般为60Hz以内不允许有共振现象的发 生。为使仿真和试验结果具有参考性，在试验及仿 真过程中取 200Hz 以内灯具的共振频率进行对比分 析。 计算所得结构振型图如图3、图4所示，限于篇 幅，本文仅列出第1、2阶振型。
CHINA LIGHT & LIGHTING
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专题研究
汽车灯具模态分析及结构优化设计
孙小峰 昌 进
（常州星宇车灯股份有限公司，江苏 常州 213022）
摘 要： 汽车灯具长期工作在振动环境下，其动力学特性对于车灯的寿命及使用都非常重要。其固有频率 的大小是评判车灯结构动力学特性的1项重要指标。以1款汽车后组合灯为研究对象，利用有限元 分析软件NX Nastran建立了灯具整体动态性能的有限元模型，通过有限元分析软件对其固有频率进 行了计算，并利用试验对有限元分析的结果进行了验证。根据计算得到低阶模态的振型图，找出 了灯具设计上的薄弱环节，对其进行结构优化。优化后结构的模态分析表明，改进后的车灯结构 的低阶频率有了较大幅度的提高。 关键词： 汽车灯具；模态分析；结构优化设计；有限元；试验仿真
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由表1中结果可知， 灯具第1阶共振频率为69.2Hz， 较为接近主机厂规定数值范围， 在后续的使用过程中 有一定的风险。 因此， 根据经验对灯具结构进行优化， 加强灯具相对薄弱位置的刚度。 2.2 优化后结构的模态分析
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根据计算所得振型图，在振型图位移最大处 （图4中红色尖角部位）布置传感器对结构振动过程 中的加速度进行测试，所得结果如图5所示。 综上，仿真与试验所得结构共振频率结果如表1 所示。
对优化后的结构进行模态分析， 所得结果如表 2 所示。 计算所得结构振型图如图6、 图7所示。 限于篇 幅， 本文仅列出第1、 2阶振型。 由表2可以看出， 优化后结构的低阶共振频率有了 明显的提高。 第1阶频率也由初始结构的69.2Hz提高到 了107.1Hz， 避开了各主机厂标准中规定的数值范围。
2014年第7期
仿真软件NX Nastran对其进行模态分析，计算结构 的动力学特性。灯具结构主要由壳体、支架、散热 片、线路板、饰圈及灯罩组成，其各零部件结构如 图1所示。
1 模态分析原理及仿真模型
1.1 模态分析的原理 模态分析主要是以线性、定常、稳定的线性时 不变系统为研究对象。因此，所有的非线性元素均 被忽略，对于单自由度粘性阻尼系统的振动模型， 在其中主要有结构的质量（m）、刚度（k）、阻尼 （ c ）及外部作用力 f ( t ) 参与计算。系统的运动微分 方程为： 1.3 有限元模型
引言
车辆在路面上行驶时，路面的高低不平会导 致车辆在各个方向发生振动，并通过车身钣金对与 其相连的零部件产生激励。如果路面通过车身钣金 对车灯的激励频率等于或接近灯具的共振频率，车 灯便会产生共振现象，在共振频率下，很小的周期
振动便可产生很大的振幅。在共振状态下，车灯的 使用寿命将大大降低，严重情况下可使车灯结构当 场发生失效。实践证明，采用有限元法对车灯结构 进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有 振型等有充分认识，尽可能地避免相关设计缺陷， 使灯具结构具有足够的静刚度的同时又具有合理的
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孙小峰 等：汽车灯具模态分析及结构优化设计
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1.4 连接及边界条件 建模过程中，利用NX Nastran在有限元模型中 采用面到面粘合，耦合节点自由度以及相关1D单元 连接的方式来模拟灯具各零部件之间的连接及接触 情况。 在试验过程中，灯具通过夹具与振动台连接， 夹具不可避免会对灯具振动特性产生影响。经试验 测试，夹具在试验频率范围内无共振现象发生。所 以假设灯具与夹具及振动台之间为刚性连接。因 此，建模时只需对后组合灯进行建模，夹具模型可 以忽略。对于灯具与夹具之间的螺栓连接采用固定 约束对其进行模拟，对于铰接采用释放转动自由度 的方式来对其进行模拟。