南宁燎旺车灯股份有限公司 广西南宁 530007
摘要：车灯是照明与传递安全信号的工具，是汽车重要组成的一部分。为加强车灯的使用性能，车灯需具备良好的气密性。假如汽车灯气密性不好，会引起水蒸气的侵入，造成雾气、积水、霜冻等一系列问题，损害透光效果，严重时会影响汽车灯的采光、使用寿命与外观，危及行车的安全。因此，国际汽车灯具制造业提出了气密性要求，但气密性问题已成为影响国产灯具进入欧美市场的瓶颈，严重限制了灯具的出口。
关键词：车灯；气密性；接触分析；有限元法；
前言：采用接触有限元法对车灯壳体总成的气密性进行分析，得到位移曲线，优化影响变形的主要因素，最终得到合理的车灯结构，为改进制造和装配工艺提供理论依据。
1 有限元法的基本思想
有限元的基本思想是将连续结构离散成有限元，在每个单元中设置有限个节点，将连续体看作一组只在节点处连续的单元的集合体，选取场函数的节点值作为基本未知数，在第一个单元中假设一个插值函数来表示场函数在单元中的分布规律，然后利用力学中的一些变分原理建立求解未知节点量的有限元方程。将连续域中的有限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。一旦求解出来，就可以利用节点值和集合插值函数来确定单元上移至整个集合的场函数。
2 结构优化设计在车灯中的运用
基于计算机的结构优化设计为结构和产品优化提供了先进的方法和工具。结构优化设计是将实际设计问题转化为各种指定设计约束条件下的优化问题，然后利用优化理论和方法在计算机上自动优化计算，从满足各种设计要求和约束条件的所有可行方案中选择最优设计方案。它可以综合处理和最大限度地满足从不同角度提出的技术指标，有时甚至是矛盾的。它解决了从减轻结构质量到减少结构里程、提高结构性能、延长安全寿命的工程技术难题。它使工程设计从被动的分析和校核转向主动的设计和优化，使设计过程更加科学。结构优化设计不仅可以保证产品的优异性能，还可以降低工程成本，大大提高产品设计质量和效率，获得巨大的经济效益。一般对提高机构性能的机构参数优化、降低机构重量或结构成本或延长结构使用寿命的机械结构优化、各种传动系统的参数优化、机械系统的隔振减振优化等进行了应用研究。有限元分析得到的结果经过目测验证后，可以作为结构优化设计的依据。有限元分析可以用实验方法代替以前的力学分析。与实验验证相比，有限元应力分析可以更容易、更准确地得到应力分布、应力水平和屈服面积。同时，通过有限元方法可以计算出构件内部的应力，并根据某一点、某一直线或某一平面进行强度评估，使结构的设计和改进有针对性，达到安全经济的目的。到目前为止，人们已经成功地用有限元方法计算了各种工程问题。在机械工程中，对机床、齿轮、汽车变速器和分动箱、内燃机曲轴、涡轮叶片、汽车车架等进行了计算和分析。所有这些应用对设计师提高产品设计质量、加快开发步伐、节省人工成本、降低材料消耗都起到了不可估量的作用，产生了巨大的社会效益和经济效益。目前，结构优化设计领域远远落后于优化理论的发展。主要原因是难以建立整体的数学模型，也就是说优化模型中的目标函数或约束函数不能基于设计变量明显的数学表达式，难以进行优化计算。然而，随着强大的图形CAD软件包的商业化和人工智能技术的发展和应用，结构优化设计软件已经从简单求解设计变量发展到集成CAD/CAE。随着商用有限元软件的发展和普及，有限元分析方法与优化搜索技术充分结合，使结构优化设计突破了传统的实际结构模式，克服了经验、类比或验算中采用许多假设和简化推导的结构设计计算公式的诸多局限性。结构优化设计充分利用计算机技术、有限元技术和优化技术，自动设计出满足各种给定要求的最佳结构尺寸和形状，使结构设计快速准确，从而大大缩短设计周期，提高产品的精度和性能。作为一场设计理念的革命，集成化、智能化的结构优化设计必将为企业提高竞争力带来更多的关注。可以说，将优化设计方法应用到汽车灯具的分析中是很有必要的，对于提高效率和准确性有着重要的作用。
3 分析汽车车灯的有限元接触
3.1 汽车车灯有限元模型的建立
（1）单元类型的选择。汽车车灯的实体模型如图1所示。根据配光镜的设计形状和技术数据，配光镜的变形很小，可以忽略不计，即只需要对灯壳和饰圈进行建模。最后，对模型进行适当简化（删除倒角、曲面特征和对变形影响不大的部分）。
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图1车灯的结构（1.配光镜2.饰圈3.灯壳）
最终的简化模型如图2所示，并选择Solid92元素。Solid92单元是一个十节点单元，每个节点有三个自由度，分别是x，y，z方向的位移。该元件具有塑性、蠕变、膨胀应力回火、大变形和大张力的能力。在灯壳的顶面和饰圈的底面之间产生一个接触对，由CON TA174和TARGE170表示。
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图2车灯的简化模型图（1.饰圈2.灯壳）
（2）定义材料属性。这种灯的材料是聚碳酸酯（PC），这是一种新型的热塑性树脂，透明度为90%。被称为透明金属，具有良好的冲击韧性和机械强度，良好的抗蠕变性，产品尺寸稳定，高温下热稳定性好等优点。弯曲弹性模量为1.8104 MP，泊松比为0.28。至于垫片，其材料为EPDM，具有良好的化学稳定性、耐老化性能、防水性能、机械性能和挤出性能，广泛用于密封件。弹性模量为4M P，泊松比为0.25。（3）有限元网格生成。底座和垫片不规则，分格为自由分格，单位边长为2。
3.2 汽车车灯的有限元分析
（1）约束边界条件。这个模型是一个简化的模型，因为上盖的变形可以忽略不计，所以垫片和上盖的接触面可以看作是一个位移为零的曲面，所以对垫片的上表面施加了全约束，即UX=UY=YZ=0。灯具的接合可以看作是上下的接触，所以圆孔和底座后端的节点应用UX=XU=0，限制了底座的滑移。U Z=8，即模拟底座刚好与上盖接触。为了模拟上盖和下盖之间的接合，基座和垫圈必须接触，因此接触单元分别形成在基座的顶部和垫圈的底部，并且它们成为接触对。（2）荷载边界条件。为了检查灯是否漏气，分析其接触变形是不够的。需要在底座上施加一个压力来模拟气密性试验的压力，以便从整体上看到变形和泄漏。根据制造商的规定，厚度为3.5毫米、3.8毫米和4米的垫圈的压力为33.4千帕，厚度为4.2米和4.5毫米的垫圈的压力为47.2千帕。（3）求解。在ansys中运行求解/当前最小二乘（分析当前加载步骤）命令。
3.3 车灯结果分析
通过对厚度为2mm、厚度为4 mm的车灯进行有限元接触分析，得到垫片接触部分的变形图和位移曲线，最大变形发生在r处，由于垫片与底座接触，其变形与垫片一致。R处垫片位移为零，即没有压缩，导致漏气，影响气密性。鉴于此，有必要优化车灯底板和垫片的厚度。
4 车灯结构优化
经分析，对变形影响最大的因素是底板的厚度d和垫片的厚度t，因此确定底板的变形以及各种因素对变形的影响趋势见表1。
表1影响气密性的因素表（mm）
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（1）当t不变，d只增加时，即底板厚度只增加，垫片厚度不变时，底板变形迅速减小。（2）当D不变，T只增加时，即垫片厚度只增加时，底板变形先略有减小，达到一定值后再增大。（3）D和T同时增大时，底板变形减小最快。但由于车灯的材料是聚碳酸酯塑料，采用注塑成型工艺，底座的厚度不能太厚；另外，为了保证车灯安装后美观性好，即底板变形越小越好，所以表中d=3 mm，t=4 mm是车灯的合理结构尺寸。总之，车灯作为照明和传递安全信号的工具，是汽车的重要组成部分。良好的气密性不仅是为了提高照明效果，延长车灯的使用寿命，也是为了保证夜间行车的安全。如果车灯气密性不好，会造成车灯出现一系列问题，如起雾、积水、结霜、透光效果受损等，危及行车安全。
参考文献：
[1]陈 红.关于车灯气密性的有限元接触.2020.
[2]刘朝晖.浅谈车灯气密性的有限元接触分析.2020.
作者简介：
姓名：陈 宇，出生年月：1991.08，性别：男，民族：汉，籍贯：广西玉林，学历：本科。