汽车灯具灯体结构设计研究

邓 瑞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

设计研究

汽车灯具灯体结构设计研究

邓 瑞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章从结构设计角度出发，结合CAE模拟分析方法，重点介绍和讨论汽车灯具灯体在设计阶段需要关注的内容以及分析验证的手段，用以解决灯体结构强度不足、灯具内部散热不良、灯具内部空气循环不畅等问题，为研究汽车灯具设计提供方法和建议。

汽车灯具；灯体；结构设计；模态分析

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

前言

汽车灯具作为汽车外部主要功能零部件，其主要具有提供夜间照明、昼间/夜间信号的功能。在道路行驶中为驾乘人员以及道路使用人员和车辆提供主被动安全保障。

使用过程中，汽车外部灯具直接暴露在户外环境中，面临多重环境因素的影响和考验。同时受灯具内外部温差、气流、振动等不同环境情况的影响。因此，灯具灯体的设计需要考虑复杂多重的运行条件，在设计阶段关注温差效应、变频振动、结构耐久度以及安装、拆卸的便利性。以满足灯具日常使用及保养需求。

本文从结构设计角度出发，重点介绍和讨论汽车灯具灯体在设计阶段需要关注的内容以及分析验证的手段，用以解决灯体结构强度不足、灯具内部散热不良、灯具内部空气循环不畅等问题，为研究汽车灯具设计提供方法和建议。

1 灯体结构设计概述

灯具灯体作为汽车灯具的重要组成部分，其主要承担着支撑、稳定、防护等作用。主要实现：1.阻断自然因素（水、尘、杂物）对于内部灯光组件的影响；2.为灯具内部功能组件及装饰组件提供安装和固定的平台，连接灯光功能组件和车身本体；3.缓震及保持结构稳定。因此灯体的设计是灯具设计中非常重要的一环。

灯体结构设计主要包括：1.面数据的输入；2.边界条件确立；3.结构3D建模；4.CAE分析；5.模具分析；6.结构数据调整和冻结等主要环节。各个环节相辅相成，缺一不可。本文主要以汽车前组合灯灯体设计为例提供说明。

2 灯体结构3D数据建模

汽车灯具结构设计目前一般应用三维数据制作软件UGS-NX和CATIA进行3D数据的制作。通过1∶1的尺寸比例设定进行3D数据建模，可以为产品的分析和制造提供数据依据。

数据构建主要根据造型3D面数据的输入，同时参考造型效果和造型面边界建立灯体框架结构。逐步利用灯体内外部零部件空间布置数据进行结构空间确认。

最终用三维数据软件构建出灯体空间结构。具体参见图1、图2、图3。

图1 灯具结构布置分析

图2 灯体空间数据构建

图3 灯体周边空间分析及校核

在整车框架下进行结构空间分析，以及确认内外部极限空间更利于单灯的设计。

3 热空间管理及分析验证手段

完整、精确的数据模型建立之后，可以通过计算机数据分析计算算法，模拟实际湿/热环境中灯体内、外部的湿/热分布。从而在三维数据设计阶段应用CAE软件分析的方法实现温度场和气流场的模拟，通过模拟计算结果改进优化灯具灯体相关结构，避免出现结构设计问题。

3.1 灯体热空间管理

灯体内部热空间管理，主要利用热分析软件ANSYSFLUENT等，对车灯内部的空气流场和温度场进行近似的有限元分析计算，最终输出并获得车灯内部流场、温度场的分布。同时结合适合车灯类模拟的辐射模型进行热分析，模拟灯具内部温度场和气流场的分布，帮助灯体材料的选择和结构的优化。

需要提前明确材料的密度、热传导率、比热容、发射率，并作为边界条件对模拟环境进行设定，一般选择常用材料作为初步分析的样材。

3.2 热分析及结构优化手段

可以直接将UGS-NX或CATIA完成的3D数据导入到ANSYS中，按照灯体真实尺寸设定大小，从而使得计算更真实，更有助于实际工程结构的分析和确认。

热分析一般流程为：首先完成固体区域网格划分，将3D数据划分为四面体网格，抽取车灯内和空气接触的主要特征面并缝合成封闭体；然后对封闭体进行流体区域网格划分；之后将所有固体、流体四面体网格转化成为多面体网格进行计算；最后利用辐射模型进行结果输出。

多面体网格的划分直接影响模拟计算准确度和计算机运行时长，理论上多面体边界数量越多，即划分单元越小，其计算精度越高，计算结果越准确，相应的获得计算结果的时间越长。因此，建议在不影响精度的前提下，分析之前进行模型简化，便于节省资源时间，特别是针对趋势结论的分析。

图4 空气流动模拟分析

模拟空气在灯体内部流动情况有一定局限性，考虑到整体分析的准确度，在计算模型建立时一般将灯体和灯罩作为一个密闭的空间进行分析。但由于计算分析时采用的是理想的密闭模型，因此分析结论需要评估，在实际中由于受外界各种因素影响，实际温度要比理论温度稍低些。分析实例参见图4。

实际过程中，车灯温度从灯具点亮开始到达到稳态是一个热平衡的过程，车灯内部空气会发生热对流，光源产生热量进行热辐射，而内部热量会发生热传递，再通过灯罩和灯体进行散失，直到达到一个近似稳态。

图5 车灯热交换图

整体CAE分析过程其实是对稳态进行有限单元法区域划分，然后进行网格单元计算，利用线性代数方程对计算的离散结果进行处理，最终获得近似结论的过程。

图6 热空气流动曲线分析

通过ANSYS-FLUENT辅助进行的热空气流动分析可以更有效的获得灯具透气结构的布置建议。采用进出气均衡的原则，在灯体冷热区极限区域进行透气、散热结构的布置和设计。分析实例参见图6。

图7 温度分布模拟分析

温度场分析主要是模拟车灯点亮后到灯体内部温度达到稳态过程中，最终获得灯体内部的热量分布，并确认极限热害的位置，从而设计上进行结构优化和问题避免。

利用有限单元法计算得到灯体内部的温度分布模拟图，可以在数据设计阶段有效的确认灯具内部最低和最高两个极限温区，并确认灯体材料耐受度。分析实例参见图7。

极限温度和极限温区因模拟的准确度问题不一定真实反映灯体内部热分布情况，但可以作为灯体材料选择，散热、隔热结构布置的依据。通过布置透气管、透气盖、透气帽、透气膜等散热结构的方式，适应不同空间布置需求，对灯体的温度进行合理化设计。透气结构实例参见图8、图9、图10。

图8 透气盖/管结构示意

另外也可以因结构空间局限的区域设计金属隔片进行隔热处理。

图9 透气膜结构示意

图10 透气结构布局示意

汽车灯具灯体一般选择ABS、PC+ABS、PP、改性PP(如PP-TD40)、ASA等作为主要材料。主要因各灯具重量和热环境的不同进行不同选择，要结合热分析和结构强度计算进行确认。灯体除了要对内部热环境有良好的耐受能力，同时需要具备良好的耐化学腐蚀性能，对酸碱、有机溶剂等化学溶剂有良好的抗腐蚀能力。因此在选材时需要同时考虑。

4 结构强度管理及分析验证手段

4.1 灯体结构刚度管理

良好的灯体结构可以为灯具内部功能件提供优良的缓冲、消音吸振作用，利用其弹性变形吸收大量的碰撞能量，保障内部组件的功能正常。因此灯体结构刚度设计也是结构设计中重要的一环。

可以利用ANSYS振动模块对完整的灯体三维数据进行CAE模拟分析，确认结构刚度合理性，数据构建分析法类似于热分析，原理主要是根据计算机划分数据网格、输入理想情况下的限定条件进行计算机模拟，最终取得近似结论。分析实例参见图11。

图11 振动模拟分析

而结构分析的硬点设计，即安装点的布置主要可参考一般的灯体设计经验，按照受力分散分担原则，尽可能的让几个安装点分散灯体重量。较为合理的前期设计布置方式是利用投影关系进行投影面积分析法。

图12 安装点布置投影计算分析

从X/Y/Z三轴向视图对灯体轮廓进行投影，利用初步布置的安装点连线进行投影面积的测算。应该用尽可能大的连线面积占比合理安排安装点的位置，提高安装点设计的有效性和可靠性。即安装点连线投影面积占灯具轮廓投影面积越大，安装点布置越合理。相关安装点的布置需要同时考虑灯具在车身上的安装和拆卸便利性。投影测算示意参见图12。

灯体结构的刚度也可以通过灯体表面的复杂化而进行面刚度的提升。较通行的方案是将较大的结构面拆分成较小的面，通过局部增加结构槽、结构筋的方式，具体需要参考灯具内、外部空间限制，考虑部件的布置空间。结构刚度优化实例参见图13。

图13 面刚度优化设计示意图

4.2 模流分析及结构优化手段

模具的设计和分析对灯体设计至关重要，可以利用Autodesk Moldflow Insight软件进行模流分析。按照灯体材料自身的熔融温度、冷却均匀程度及流速等物性条件，选取合适的注塑设备，参照实际的注塑工况，分析、确认灯体的结构缺陷，判断其对结构强度的影响。

模具设计中可能存在灯体局部困气、包风、熔接痕不良、圆孔注塑不良等缺陷，可以通过模流分析进行缺陷模拟，对可能造成结构强度缺陷的区域做重点结构优化。

也可以通过模具结构的设计调整，对流道、冷却系统、和排气机构等进行调整，优化注塑过程。调整塑料熔液在模腔中的流动和成型情况，从而进行灯体结构的优化。在模具加工前帮助结构数据的冻结。

对于一般流动性问题，可以通过调整灯体料厚进行模拟分析，最终确认灯体的料厚设计合理性。实例参见图14。

图14 灯体料厚调整模拟分析

对于局部困气、包风等问题可以根据分析的结论进行模具结构上的优化。图15、图16为获得的分析结果。

图15 模具包风分析

图16 熔接痕分析

对于灯体安装孔处的材料流动情况需要特别关注，需要注意边界可能存在的熔接痕不良的问题。

一般情况下灯体安装支架远离注塑进出料口，局部结构除需要较高压力注塑填充外，还会因排气不良及流动性不足问题造成缺陷熔接痕，在后期安装过程及车辆行驶颠簸过程中产生安装孔沿熔接痕开裂，造成灯具灯体受损，严重的会造成灯体撕裂。因此有必要通过模流分析确认熔接痕，并可以用增加材料溢料包结构的方式进行结构优化。具体设计实例参见图17。

图17 安装孔放射筋及溢料包示意

通过热空间管理和结构强度管理可以有效的帮助完善灯体的结构数据。图18为具体的3款灯体的结构冻结数据。

图18 完成的灯体结构最终数据

5 结束语

本文在总结现有设计共识上，提出一种规范化的设计思路，通过汽车灯具灯体的热空间管理及结构强度管理这两项重要指标的设计思路定义，开展相关的结构设计和分析论证。也可以对汽车灯具在生产及使用环节中出现的结构强度不足，内循环不畅、灯罩起雾、进水等问题的解决和研究有一定帮助。

[1] 韦春. 汽车灯具的起雾研究与通风结构分析. 企业科技与发展, 2014(2)∶21-24.

[2] 孟小文. 汽车车灯的热分析研究. 同济大学, 2007.

[3] 孙小峰,昌进. 汽车灯具模态分析及结构优化设计. 中国照明电器, 2014(7).

[4] 郝京阳,张剑,顾毓沁,朱德忠,梁宏.汽车车灯内部流动和传热特性的分析. 汽车技术. 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

邓瑞，内外饰设计主管工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。主要负责整车灯具及后视镜设计、车身系统项目管理。