基于Nastran的汽車燈具振動性能分析方法研究

辛忠華，王俊堯，周永新，吳海萍

(大茂偉瑞柯車燈有限公司，江蘇常州 213022)

0 引言

汽車燈具在整個(gè)汽車領(lǐng)域中有著十分重要的地位，而在汽車行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，車燈的結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜[1]。由于目前駕駛者對車燈動力學(xué)可靠性、安全性能等方面要求的不斷提升，相關(guān)技術(shù)人員對汽車燈具的設(shè)計(jì)要求也在升高[2]。

在對汽車進(jìn)行駕駛時(shí)，汽車會受到因路面高低不平引起的外部激勵作用，若外部激勵的頻率接近于車燈的固有頻率，便會產(chǎn)生共振[3]。如果因?yàn)檐嚐舻慕Y(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致零件損壞或發(fā)生共振現(xiàn)象，將導(dǎo)致整個(gè)汽車存在巨大安全隱患。目前，采用有限元模擬或試驗(yàn)方法對車燈的振動特性進(jìn)行研究，是一種較為有效和便捷的方法。在對汽車的車燈進(jìn)行振動試驗(yàn)的過程中，所采用的試驗(yàn)工裝對測試過程及結(jié)果起著十分關(guān)鍵的作用。車燈試驗(yàn)工裝的整體結(jié)構(gòu)是根據(jù)車燈高度與定位方式等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，車燈與試驗(yàn)工裝之間采用螺栓連接。工裝的合理設(shè)計(jì)，能夠保證在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，車燈具有穩(wěn)定的響應(yīng)特性；反之則可能導(dǎo)致車燈產(chǎn)生共振，進(jìn)而增大試驗(yàn)誤差或使燈具受損[3]。由于車燈試驗(yàn)工裝的種類較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在工裝對車燈振動性能的影響方面，較少有學(xué)者進(jìn)行分析和討論[4-8]，因此，有必要增加此方面的研究。

本文作者為采用模態(tài)分析的方法，分析了車燈的共振頻率與固有振型。通過隨機(jī)振動模擬分析的方法，研究了車燈的實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析了工裝對車燈振動性能的影響。

1 車燈結(jié)構(gòu)組成及模型的建立

文中采用CATIA軟件的三維建模功能，建立車燈的三維模型。其中，車燈結(jié)構(gòu)主要由底座、反射碗、裝飾框與投射鏡組件等結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，反射碗的主要功能是用來聚集和反射光源，投射鏡組件通過投射鏡支架能起到控制光線區(qū)域和范圍的作用，底座與燈殼是內(nèi)部各零件的載體，并能夠起到隔絕車燈外環(huán)境的作用。在建立有限元模型的過程中，對于如電路板上的導(dǎo)線與電子元器件等不影響計(jì)算結(jié)果的結(jié)構(gòu)與特征，進(jìn)行簡化與去除，車燈通過連接螺栓與工裝連接在一起。

車燈工裝主要由底板與連接柱兩部分組成，該結(jié)構(gòu)的主體材料為鋁合金，連接柱共有4個(gè)，分別與底座上的安裝結(jié)構(gòu)連接在一起。底板上有多個(gè)大小相同的定位孔，通過固定定位孔，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的固定作用，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車燈幾何結(jié)構(gòu)示意

為了提高計(jì)算精度，增強(qiáng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用ANSA軟件對已經(jīng)建立的車燈工裝及相關(guān)組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用二階實(shí)體單元，平均網(wǎng)格尺寸為5 mm，對局部連接及定位結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行尺寸優(yōu)化，最小網(wǎng)格尺寸為2 mm，總體單元數(shù)為1 249 616，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 165 907，具體的材料和力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)屬性

2 車燈結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析原理

模態(tài)分析的主要作用，是用來分析或研究設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或目標(biāo)零部件的振動性能，即結(jié)構(gòu)的共振頻率和固有振型。在對承受動態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，共振頻率和固有振型具有重要的意義。通常情況下的無阻尼模態(tài)求解問題，可以采用如下特征值表達(dá)式:

(1)

當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)處于自由振動的狀態(tài)下時(shí)，可以將其運(yùn)動狀態(tài)分解為若干個(gè)簡諧運(yùn)動的累加或者疊加，并采用下面的方程[1]表達(dá)：

X=X0sin(ωt+φ)

(2)

式中：X與X0分別為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振幅值，ω為共振頻率，φ為相位角。

將上述兩個(gè)方程進(jìn)行聯(lián)立可得：

(K-Mω2)X0=0

(3)

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)具有很多個(gè)自由度的時(shí)候，通過將式(3)進(jìn)一步簡化和求解，可以將系統(tǒng)中的共振頻率與固有振型求出。

2.2 模態(tài)分析過程及結(jié)果

基于以上相關(guān)分析原理，文中采用模態(tài)分析的方式，對車燈的前6階共振頻率進(jìn)行分析，按照福特等汽車公司設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，車燈第1階共振頻率應(yīng)大于50 Hz。

經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，車燈的第1階共振頻率為51.8 Hz，且前4階共振頻率均大于50 Hz，所以能夠滿足設(shè)計(jì)要求。車燈前6階共振頻率如表2所示，車燈前4階固有振型如圖2所示。

表2 車燈前6階共振頻率 單位：Hz

圖2 車燈前4階固有振型

目前，在對車燈進(jìn)行振動測試的過程中，有許多相關(guān)技術(shù)人員或?qū)W者，未對試驗(yàn)工裝的振動特性做出有效設(shè)計(jì)與保證，最終導(dǎo)致了測試結(jié)果失效，或測試過程的失真[8]。因此，文中通過改變車燈工裝的整體剛度，來改變其振動特性，并借此來研究工裝振動特性對車燈的影響。

分析結(jié)果表明，車燈工裝剛度下降以后，即其第1階共振頻率分別為87、42與20 Hz狀態(tài)時(shí)，車燈的第1階共振頻率均小于50 Hz，即無法滿足設(shè)計(jì)要求，其大小分別為47、38與29.3 Hz。當(dāng)工裝第1階共振頻率為208 Hz時(shí)，車燈振動性能滿足要求。由此可知，車燈工裝的振動性能，可能對車燈本身造成了非常大的影響，分析情況如圖3所示，圖中的虛線為50 Hz基準(zhǔn)值。

圖3 車燈共振頻率分析

3 車燈結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動分析

3.1 隨機(jī)振動分析原理

在通常情況下，隨機(jī)振動是指結(jié)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，無法用一種準(zhǔn)確的函數(shù)來描述。隨機(jī)振動的產(chǎn)生，即無法預(yù)測也無法重現(xiàn)，有著特別明顯的隨機(jī)特征。隨機(jī)振動通常會利用功率譜密度函數(shù)(PSD)進(jìn)行研究，整個(gè)研究過程是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的譜分析方法。

在隨機(jī)振動分析過程中，所采用的功率譜密度可以根據(jù)傅里葉變換等方法得出。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概率分析等方法，功率譜密度函數(shù)能夠反映出在頻率發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)在隨機(jī)激勵方面的特征。因此，功率譜密度函數(shù)通常被用作為輸入?yún)?shù)，并以此來研究結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動時(shí)的響應(yīng)狀態(tài)。

3.2 隨機(jī)振動分析過程及結(jié)果

汽車在行駛過程中，如路面的不平整等因素將會產(chǎn)生相應(yīng)的動載荷[1]。在較為復(fù)雜的載荷條件下，隨機(jī)振動分析是研究車燈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能的一種重要手段。根據(jù)車燈相關(guān)設(shè)計(jì)及測試要求，車燈在表3中的振動條件下，應(yīng)能夠確保各零件具有足夠的強(qiáng)度，表中總體均方根加速度為3.15g。

表3 隨機(jī)振動分析工況

根據(jù)表4及圖4中的計(jì)算結(jié)果可知，各零件應(yīng)力較大的區(qū)域主要出現(xiàn)在螺絲安裝孔、裝配卡扣等位置，各零件應(yīng)力均小于許用應(yīng)力值，因此車燈強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)，車燈工裝一階共振頻率為208 Hz。文中的許用應(yīng)力是經(jīng)過多次試驗(yàn)，并選取有效安全系數(shù)后所確定的安全值。

表4 車燈應(yīng)力對比分析

圖4 主要零部件應(yīng)力云圖

為了分析工裝振動特性對車燈產(chǎn)生的影響，分別對工裝第1階共振頻率是208 Hz與87 Hz時(shí)，車燈各零部件的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，研究結(jié)果如圖5所示。

圖5 車燈零件應(yīng)力對比分析

經(jīng)過對比后發(fā)現(xiàn)，在隨機(jī)振動條件下，當(dāng)車燈工裝本身的第1階共振頻率降低以后，車燈各零件的應(yīng)力值明顯較大，如車燈底座最大應(yīng)力值由14.97 MPa變?yōu)?8.56 MPa，增長幅度為23.9%。裝飾框1的最大應(yīng)力由12.65 MPa改變?yōu)?8.79 MPa，應(yīng)力增長幅度為48.5%。裝飾框2的最大應(yīng)力由11.19 MPa改變?yōu)?3.55 MPa，應(yīng)力增長幅度為110%，由于最大應(yīng)力已經(jīng)明顯超出材料所能承受的限制值，由此可以確認(rèn)該零件已經(jīng)發(fā)生了斷裂和失效，失效位置位于裝飾框的連接卡扣位置。

由此可以證明，在隨機(jī)振動條件下，如果車燈工裝振動性能較差，將可能直接導(dǎo)致車燈內(nèi)部零件的失效。

3.3 隨機(jī)振動試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性，采用共振掃描試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 10485—2007中對隨機(jī)振動試驗(yàn)的相關(guān)要求，對車燈進(jìn)行隨機(jī)振動測試，試驗(yàn)工況如表3所示，測試樣件如圖6所示，測試頻率范圍為10～1 000 Hz。將車燈工裝的第一階共振頻率作為變量，對測試后車燈內(nèi)部各零件進(jìn)行分析。根據(jù)車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試驗(yàn)中將對左右兩側(cè)的車燈共同進(jìn)行測試。

圖6 車燈測試樣件

圖7 加速度功率譜密度曲線

通過隨機(jī)振動試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車燈工裝的第一階固有頻率較低時(shí)，會導(dǎo)致車燈上出現(xiàn)粉塵。該情況的主要原因，是車燈內(nèi)部零件由于產(chǎn)生了大幅度且劇烈的摩擦與碰撞等情況，由于零件本身為非金屬的塑料性材質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生了白色的粉塵。當(dāng)工裝第一階共振頻率為215 Hz時(shí)，在車燈上未出現(xiàn)明顯異常特征，具體試驗(yàn)情況如圖8與圖9所示。

圖8 車燈出粉嚴(yán)重(工裝共振頻率為109 Hz)

4 結(jié)論

文中利用Nastran軟件通過有限元模擬的方法，對分析車燈振動特性的方法進(jìn)行研究，具體結(jié)論如下：

(1)在正常情況下，所研究車燈的第一階共振頻率為51.8 Hz，該頻率值大于50 Hz，當(dāng)車燈工裝第一階共振頻率較小時(shí)，則無法保證車燈的共振頻率能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)在隨機(jī)振動條件下，若車燈各零件的最大應(yīng)力較低，均滿足許用值，則當(dāng)工裝的第一階共振頻率較差時(shí)，將導(dǎo)致各零件應(yīng)力明顯提高，且部分零件會發(fā)斷裂。

(3)當(dāng)試驗(yàn)工裝的第一階共振頻率較低時(shí)，車燈內(nèi)部的各零件將會產(chǎn)生較大的位移與變形，并造成劇烈的相互碰撞與摩擦，導(dǎo)致車燈內(nèi)部產(chǎn)生白色粉塵，使測試結(jié)果失效。