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一项重要指标。以一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。根据计算得到的低阶模态振型图，找出了灯具设计上的薄弱环节，对其进行结构优化。结构优化后的模态分析表明，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
1、模态分析仿真模型
本文以某后组合灯为仿真对象，利用有限元仿真软件NX Nastran对其进行模态分析，计算结构的动力学特性。 灯具结构主要由灯壳、支架、散热器、线路板、装饰框及灯罩组成，其各零部件结构如图1所示。
1.1有限元模型
利用有限元分析软件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：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，既要考虑形状与结构的一致性，又要考虑边界约束与安装方式的一致性；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。
1.2 连接及边界条件
建模过程中，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。
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。
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。仿真与试验所得结构共振频率结果如表1所示。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
对优化后的结构进行模态分析，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。
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。
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论文作者:郭睿军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/24
标签：结构论文; 灯具论文; 模型论文; 有限元论文; 频率论文; 模态论文; 夹具论文; 《基层建设》2019年第3期论文;