基于CATIA的汽车车灯静力学计算及模态分析＊

刘 庆，睢利铭

（河南机电高等专科学校 汽车系，河南 新乡 453000）

1 概述

汽车车灯是汽车上的一个关键部件，其可靠性是汽车行驶安全的一个重要保障。车灯随着汽车外形设计的变化而变化，其趋势是结构复杂化，因此，车灯设计中除了配光性能要满足国标外，对车灯的动态性能要求也越来越高。目前，车灯设计的很多问题靠工程师的经验难以解决，应用有限元分析技术对车灯进行有限元模拟不仅具有重要的理论意义，而且具有很高的实用价值。本文以某公司生产的一款高位刹车灯为例，对其进行静力学计算和模态分析，来验证其结构设计是否符合设计要求［1］。

2 有限元模型的建立及仿真条件的设置

2.1 有限元模型的建立

该高位刹车灯是由PCB板、内透镜、灯壳和外透镜组成，如图1所示。PCB通过卡口与内透镜固定，成为一个发光单元，然后发光单元通过卡口固定在灯壳上，外透镜与灯壳之间采用超声波焊接的方式固定，整灯通过灯壳上的两个支架使用螺栓固定在扰流板上。

图1 车灯结构

本次仿真其目的是校核安装支架的结构强度和整灯的前两阶固有频率是否达到设计要求，而固有频率主要与其采用的材料和结构有关，因此在保证材料和结构的情况下，对其一些局部细微特征进行了简化：

（1）外透镜：去除其表面的认证法规刻字，用光滑的曲面替代内表面的光学面条纹；

（2）内透镜：以平面或者光滑的曲面替代复杂的光学面；

（3）PCB板：以同质量和同形状的板代替PCB板上的LED及各类电器元件；

（4）灯壳：去除产品代码以及客户标志等刻字、一些较为复杂的倒角和装饰条纹。

首先利用CATIA的三维建模模块，分别创建四个PRT文件用来存放四个部件，每个部件的实体存放于PartBody下，创建好的车灯各部件的三维模型如图2所示，然后利用装配模块，将四个部件装配在一起来完成车灯的装配文件，如图3所示。［2］

图2 车灯结构的三维模型

图3 车灯装配的特征树

2.2 仿真条件设置

进入CATIA的CAE模块，首先抓取GAS，然后进入General analysis模块，创建仿真文件，进行静力分析创建Static Analysis文件，进行模态仿真时创建Frequence Analysis，然后各自添加材料，建立各个部件间的连接关系，添加约束［3，4］。各个注塑件的材料相关信息，如表1所示。

表1 零部件的材料属性

（1）网格划分：网格采用Parabolic类型网格，对各个部件采用的网格大小不同，其具体数值：外透镜为4mm、内透镜为3mm、PCB板为2mm、灯壳为3mm。

（2）边界约束：将PCB与内透镜之间的卡扣约束创建为XYZ三个方向的滑动约束；发光单元与灯壳之间创建为XYZ三个方向的滑动约束；外透镜与灯壳之间的超声波焊接处采用紧固约束；将灯壳上两个安装孔设定为固定约束。

划分好网格的有限元模型结构如图4所示。

图4 车灯结构的有限元模型

3 有限元仿真分析

3.1 静力学计算

该灯设计装车后的间隙值为1.0±0.7mm，因此对其上下边界分两次分别加载位移，使其S1＝S2＝0.7mm，如图5所示。静力分析结果如图6所示。由静力分析的结果可以看出，支架以及整灯都未超出材料的屈服极限值，支架强度可靠。

图5 位移加载

3.2 模态分析

对设置好的模型进行计算，求解其前10阶固有频率。在模态分析文件的树图（Frequency case solution.1/Von mises stress.1）上右击，在弹出的Image Edition对话框中选择Occurrences标签，即可得到计算出的前10阶固有频率，如表2所示。主要考虑第一阶固有频率大于100Hz，第二阶固有频率大于125Hz，对比结果如表3所示。图7为前四阶约束模态的振型图。从模态振型图来看，大多数表现为系统受约束的某种摆动。

图6 静力分析的应力图

图7 某阶次下约束模态的振型图

表2 各阶模态频率值

表3 结果评价

4 结语

（1）采用CATIA软件建立了某款高位刹车灯的有限元模型，并对产品进行了静力学计算和模态分析。静力学计算结果表明该灯的安装支架设计在最大位移和盈利率均满足设计要求；模态分析结果表明，该灯前两阶固有频率达到了设计要求，该系统具有较好的动态特性。

（2）采用CATIA软件对车灯的模型进行有限元仿真，减少了数据从一般三维建模软件导入ansys等软件的工作量，也避免了导入过程的失真；同时，对于去除模型上对仿真结果影响不大的特征（如复杂的光学面，刻字，装饰条纹，细小的倒圆角等）较为方便。

（责任编辑吕春红）

［1］李勇.车灯振动性能的仿真模拟研究［D］.浙江：浙江工业大学，2005.

［2］王登峰.CATIA V5机械（汽车）产品CAD/CAE/CAM全精通教程［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］何文军.CATIA环境中的设计CAE及应用［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［4］张云杰，胡海龙.乔建军.CATIA V5R20高级应用［M］.北京：清华大学出版社，2011.