汽車燈具燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

鄧 瑞

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

設(shè)計(jì)研究

汽車燈具燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

鄧 瑞

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合CAE模擬分析方法，重點(diǎn)介紹和討論汽車燈具燈體在設(shè)計(jì)階段需要關(guān)注的內(nèi)容以及分析驗(yàn)證的手段，用以解決燈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、燈具內(nèi)部散熱不良、燈具內(nèi)部空氣循環(huán)不暢等問題，為研究汽車燈具設(shè)計(jì)提供方法和建議。

汽車燈具；燈體；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模態(tài)分析

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-01-04

前言

汽車燈具作為汽車外部主要功能零部件，其主要具有提供夜間照明、晝間/夜間信號(hào)的功能。在道路行駛中為駕乘人員以及道路使用人員和車輛提供主被動(dòng)安全保障。

使用過程中，汽車外部燈具直接暴露在戶外環(huán)境中，面臨多重環(huán)境因素的影響和考驗(yàn)。同時(shí)受燈具內(nèi)外部溫差、氣流、振動(dòng)等不同環(huán)境情況的影響。因此，燈具燈體的設(shè)計(jì)需要考慮復(fù)雜多重的運(yùn)行條件，在設(shè)計(jì)階段關(guān)注溫差效應(yīng)、變頻振動(dòng)、結(jié)構(gòu)耐久度以及安裝、拆卸的便利性。以滿足燈具日常使用及保養(yǎng)需求。

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，重點(diǎn)介紹和討論汽車燈具燈體在設(shè)計(jì)階段需要關(guān)注的內(nèi)容以及分析驗(yàn)證的手段，用以解決燈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、燈具內(nèi)部散熱不良、燈具內(nèi)部空氣循環(huán)不暢等問題，為研究汽車燈具設(shè)計(jì)提供方法和建議。

1 燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

燈具燈體作為汽車燈具的重要組成部分，其主要承擔(dān)著支撐、穩(wěn)定、防護(hù)等作用。主要實(shí)現(xiàn)：1.阻斷自然因素（水、塵、雜物）對(duì)于內(nèi)部燈光組件的影響；2.為燈具內(nèi)部功能組件及裝飾組件提供安裝和固定的平臺(tái)，連接燈光功能組件和車身本體；3.緩震及保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此燈體的設(shè)計(jì)是燈具設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。

燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：1.面數(shù)據(jù)的輸入；2.邊界條件確立；3.結(jié)構(gòu)3D建模；4.CAE分析；5.模具分析；6.結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)調(diào)整和凍結(jié)等主要環(huán)節(jié)。各個(gè)環(huán)節(jié)相輔相成，缺一不可。本文主要以汽車前組合燈燈體設(shè)計(jì)為例提供說明。

2 燈體結(jié)構(gòu)3D數(shù)據(jù)建模

汽車燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前一般應(yīng)用三維數(shù)據(jù)制作軟件UGS-NX和CATIA進(jìn)行3D數(shù)據(jù)的制作。通過1∶1的尺寸比例設(shè)定進(jìn)行3D數(shù)據(jù)建模，可以為產(chǎn)品的分析和制造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

數(shù)據(jù)構(gòu)建主要根據(jù)造型3D面數(shù)據(jù)的輸入，同時(shí)參考造型效果和造型面邊界建立燈體框架結(jié)構(gòu)。逐步利用燈體內(nèi)外部零部件空間布置數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間確認(rèn)。

最終用三維數(shù)據(jù)軟件構(gòu)建出燈體空間結(jié)構(gòu)。具體參見圖1、圖2、圖3。

圖1 燈具結(jié)構(gòu)布置分析

圖2 燈體空間數(shù)據(jù)構(gòu)建

圖3 燈體周邊空間分析及校核

在整車框架下進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間分析，以及確認(rèn)內(nèi)外部極限空間更利于單燈的設(shè)計(jì)。

3 熱空間管理及分析驗(yàn)證手段

完整、精確的數(shù)據(jù)模型建立之后，可以通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析計(jì)算算法，模擬實(shí)際濕/熱環(huán)境中燈體內(nèi)、外部的濕/熱分布。從而在三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用CAE軟件分析的方法實(shí)現(xiàn)溫度場和氣流場的模擬，通過模擬計(jì)算結(jié)果改進(jìn)優(yōu)化燈具燈體相關(guān)結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。

3.1 燈體熱空間管理

燈體內(nèi)部熱空間管理，主要利用熱分析軟件ANSYSFLUENT等，對(duì)車燈內(nèi)部的空氣流場和溫度場進(jìn)行近似的有限元分析計(jì)算，最終輸出并獲得車燈內(nèi)部流場、溫度場的分布。同時(shí)結(jié)合適合車燈類模擬的輻射模型進(jìn)行熱分析，模擬燈具內(nèi)部溫度場和氣流場的分布，幫助燈體材料的選擇和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

需要提前明確材料的密度、熱傳導(dǎo)率、比熱容、發(fā)射率，并作為邊界條件對(duì)模擬環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，一般選擇常用材料作為初步分析的樣材。

3.2 熱分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段

可以直接將UGS-NX或CATIA完成的3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS中，按照燈體真實(shí)尺寸設(shè)定大小，從而使得計(jì)算更真實(shí)，更有助于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的分析和確認(rèn)。

熱分析一般流程為：首先完成固體區(qū)域網(wǎng)格劃分，將3D數(shù)據(jù)劃分為四面體網(wǎng)格，抽取車燈內(nèi)和空氣接觸的主要特征面并縫合成封閉體；然后對(duì)封閉體進(jìn)行流體區(qū)域網(wǎng)格劃分；之后將所有固體、流體四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化成為多面體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算；最后利用輻射模型進(jìn)行結(jié)果輸出。

多面體網(wǎng)格的劃分直接影響模擬計(jì)算準(zhǔn)確度和計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)長，理論上多面體邊界數(shù)量越多，即劃分單元越小，其計(jì)算精度越高，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，相應(yīng)的獲得計(jì)算結(jié)果的時(shí)間越長。因此，建議在不影響精度的前提下，分析之前進(jìn)行模型簡化，便于節(jié)省資源時(shí)間，特別是針對(duì)趨勢結(jié)論的分析。

圖4 空氣流動(dòng)模擬分析

模擬空氣在燈體內(nèi)部流動(dòng)情況有一定局限性，考慮到整體分析的準(zhǔn)確度，在計(jì)算模型建立時(shí)一般將燈體和燈罩作為一個(gè)密閉的空間進(jìn)行分析。但由于計(jì)算分析時(shí)采用的是理想的密閉模型，因此分析結(jié)論需要評(píng)估，在實(shí)際中由于受外界各種因素影響，實(shí)際溫度要比理論溫度稍低些。分析實(shí)例參見圖4。

實(shí)際過程中，車燈溫度從燈具點(diǎn)亮開始到達(dá)到穩(wěn)態(tài)是一個(gè)熱平衡的過程，車燈內(nèi)部空氣會(huì)發(fā)生熱對(duì)流，光源產(chǎn)生熱量進(jìn)行熱輻射，而內(nèi)部熱量會(huì)發(fā)生熱傳遞，再通過燈罩和燈體進(jìn)行散失，直到達(dá)到一個(gè)近似穩(wěn)態(tài)。

圖5 車燈熱交換圖

整體CAE分析過程其實(shí)是對(duì)穩(wěn)態(tài)進(jìn)行有限單元法區(qū)域劃分，然后進(jìn)行網(wǎng)格單元計(jì)算，利用線性代數(shù)方程對(duì)計(jì)算的離散結(jié)果進(jìn)行處理，最終獲得近似結(jié)論的過程。

圖6 熱空氣流動(dòng)曲線分析

通過ANSYS-FLUENT輔助進(jìn)行的熱空氣流動(dòng)分析可以更有效的獲得燈具透氣結(jié)構(gòu)的布置建議。采用進(jìn)出氣均衡的原則，在燈體冷熱區(qū)極限區(qū)域進(jìn)行透氣、散熱結(jié)構(gòu)的布置和設(shè)計(jì)。分析實(shí)例參見圖6。

圖7 溫度分布模擬分析

溫度場分析主要是模擬車燈點(diǎn)亮后到燈體內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)過程中，最終獲得燈體內(nèi)部的熱量分布，并確認(rèn)極限熱害的位置，從而設(shè)計(jì)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和問題避免。

利用有限單元法計(jì)算得到燈體內(nèi)部的溫度分布模擬圖，可以在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段有效的確認(rèn)燈具內(nèi)部最低和最高兩個(gè)極限溫區(qū)，并確認(rèn)燈體材料耐受度。分析實(shí)例參見圖7。

極限溫度和極限溫區(qū)因模擬的準(zhǔn)確度問題不一定真實(shí)反映燈體內(nèi)部熱分布情況，但可以作為燈體材料選擇，散熱、隔熱結(jié)構(gòu)布置的依據(jù)。通過布置透氣管、透氣蓋、透氣帽、透氣膜等散熱結(jié)構(gòu)的方式，適應(yīng)不同空間布置需求，對(duì)燈體的溫度進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)。透氣結(jié)構(gòu)實(shí)例參見圖8、圖9、圖10。

圖8 透氣蓋/管結(jié)構(gòu)示意

另外也可以因結(jié)構(gòu)空間局限的區(qū)域設(shè)計(jì)金屬隔片進(jìn)行隔熱處理。

圖9 透氣膜結(jié)構(gòu)示意

圖10 透氣結(jié)構(gòu)布局示意

汽車燈具燈體一般選擇ABS、PC+ABS、PP、改性PP(如PP-TD40)、ASA等作為主要材料。主要因各燈具重量和熱環(huán)境的不同進(jìn)行不同選擇，要結(jié)合熱分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行確認(rèn)。燈體除了要對(duì)內(nèi)部熱環(huán)境有良好的耐受能力，同時(shí)需要具備良好的耐化學(xué)腐蝕性能，對(duì)酸堿、有機(jī)溶劑等化學(xué)溶劑有良好的抗腐蝕能力。因此在選材時(shí)需要同時(shí)考慮。

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度管理及分析驗(yàn)證手段

4.1 燈體結(jié)構(gòu)剛度管理

良好的燈體結(jié)構(gòu)可以為燈具內(nèi)部功能件提供優(yōu)良的緩沖、消音吸振作用，利用其彈性變形吸收大量的碰撞能量，保障內(nèi)部組件的功能正常。因此燈體結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。

可以利用ANSYS振動(dòng)模塊對(duì)完整的燈體三維數(shù)據(jù)進(jìn)行CAE模擬分析，確認(rèn)結(jié)構(gòu)剛度合理性，數(shù)據(jù)構(gòu)建分析法類似于熱分析，原理主要是根據(jù)計(jì)算機(jī)劃分?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)格、輸入理想情況下的限定條件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，最終取得近似結(jié)論。分析實(shí)例參見圖11。

圖11 振動(dòng)模擬分析

而結(jié)構(gòu)分析的硬點(diǎn)設(shè)計(jì)，即安裝點(diǎn)的布置主要可參考一般的燈體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照受力分散分擔(dān)原則，盡可能的讓幾個(gè)安裝點(diǎn)分散燈體重量。較為合理的前期設(shè)計(jì)布置方式是利用投影關(guān)系進(jìn)行投影面積分析法。

圖12 安裝點(diǎn)布置投影計(jì)算分析

從X/Y/Z三軸向視圖對(duì)燈體輪廓進(jìn)行投影，利用初步布置的安裝點(diǎn)連線進(jìn)行投影面積的測算。應(yīng)該用盡可能大的連線面積占比合理安排安裝點(diǎn)的位置，提高安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。即安裝點(diǎn)連線投影面積占燈具輪廓投影面積越大，安裝點(diǎn)布置越合理。相關(guān)安裝點(diǎn)的布置需要同時(shí)考慮燈具在車身上的安裝和拆卸便利性。投影測算示意參見圖12。

燈體結(jié)構(gòu)的剛度也可以通過燈體表面的復(fù)雜化而進(jìn)行面剛度的提升。較通行的方案是將較大的結(jié)構(gòu)面拆分成較小的面，通過局部增加結(jié)構(gòu)槽、結(jié)構(gòu)筋的方式，具體需要參考燈具內(nèi)、外部空間限制，考慮部件的布置空間。結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化實(shí)例參見圖13。

圖13 面剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

4.2 模流分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段

模具的設(shè)計(jì)和分析對(duì)燈體設(shè)計(jì)至關(guān)重要，可以利用Autodesk Moldflow Insight軟件進(jìn)行模流分析。按照燈體材料自身的熔融溫度、冷卻均勻程度及流速等物性條件，選取合適的注塑設(shè)備，參照實(shí)際的注塑工況，分析、確認(rèn)燈體的結(jié)構(gòu)缺陷，判斷其對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

模具設(shè)計(jì)中可能存在燈體局部困氣、包風(fēng)、熔接痕不良、圓孔注塑不良等缺陷，可以通過模流分析進(jìn)行缺陷模擬，對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度缺陷的區(qū)域做重點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

也可以通過模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)整，對(duì)流道、冷卻系統(tǒng)、和排氣機(jī)構(gòu)等進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化注塑過程。調(diào)整塑料熔液在模腔中的流動(dòng)和成型情況，從而進(jìn)行燈體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在模具加工前幫助結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的凍結(jié)。

對(duì)于一般流動(dòng)性問題，可以通過調(diào)整燈體料厚進(jìn)行模擬分析，最終確認(rèn)燈體的料厚設(shè)計(jì)合理性。實(shí)例參見圖14。

圖14 燈體料厚調(diào)整模擬分析

對(duì)于局部困氣、包風(fēng)等問題可以根據(jù)分析的結(jié)論進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。圖15、圖16為獲得的分析結(jié)果。

圖15 模具包風(fēng)分析

圖16 熔接痕分析

對(duì)于燈體安裝孔處的材料流動(dòng)情況需要特別關(guān)注，需要注意邊界可能存在的熔接痕不良的問題。

一般情況下燈體安裝支架遠(yuǎn)離注塑進(jìn)出料口，局部結(jié)構(gòu)除需要較高壓力注塑填充外，還會(huì)因排氣不良及流動(dòng)性不足問題造成缺陷熔接痕，在后期安裝過程及車輛行駛顛簸過程中產(chǎn)生安裝孔沿熔接痕開裂，造成燈具燈體受損，嚴(yán)重的會(huì)造成燈體撕裂。因此有必要通過模流分析確認(rèn)熔接痕，并可以用增加材料溢料包結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體設(shè)計(jì)實(shí)例參見圖17。

圖17 安裝孔放射筋及溢料包示意

通過熱空間管理和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度管理可以有效的幫助完善燈體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。圖18為具體的3款燈體的結(jié)構(gòu)凍結(jié)數(shù)據(jù)。

圖18 完成的燈體結(jié)構(gòu)最終數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文在總結(jié)現(xiàn)有設(shè)計(jì)共識(shí)上，提出一種規(guī)范化的設(shè)計(jì)思路，通過汽車燈具燈體的熱空間管理及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度管理這兩項(xiàng)重要指標(biāo)的設(shè)計(jì)思路定義，開展相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析論證。也可以對(duì)汽車燈具在生產(chǎn)及使用環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，內(nèi)循環(huán)不暢、燈罩起霧、進(jìn)水等問題的解決和研究有一定幫助。

[1] 韋春. 汽車燈具的起霧研究與通風(fēng)結(jié)構(gòu)分析. 企業(yè)科技與發(fā)展, 2014(2)∶21-24.

[2] 孟小文. 汽車車燈的熱分析研究. 同濟(jì)大學(xué), 2007.

[3] 孫小峰,昌進(jìn). 汽車燈具模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì). 中國照明電器, 2014(7).

[4] 郝京陽,張劍,顧毓沁,朱德忠,梁宏.汽車車燈內(nèi)部流動(dòng)和傳熱特性的分析. 汽車技術(shù). 2003(12)∶7-11.

Structure Design of Automotive Lamp Housing

Deng Rui
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This article from the perspective of structure design, with CAE simulation analysis methods. Focusing on and discussing the automotive lamp housing needs to pay attention to the content and means of analysis and verification in the design stage. In order to solve the problems of insufficient intensity lamp housing structure, poor heat dissipation inside of lamp, and air circulation inside of lamp is not smooth. Provide methods and suggestions for design and research automotive lamp.

Automotive lamp; Lamp Housing; Structure Design; Modal Analysis

U463.6

A

1671-7988 (2017)13-01-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.001

鄧瑞，內(nèi)外飾設(shè)計(jì)主管工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。主要負(fù)責(zé)整車燈具及后視鏡設(shè)計(jì)、車身系統(tǒng)項(xiàng)目管理。