CN114297884A - 一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估与优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿真分析技术领域，且公开了一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估与优化方法，包括：步骤1：通过实验测得仿真的灯具所包含的所有零件，在常温和高温下的材料本构关系、材料物理性能、线性膨胀系数、高温下材料的S‑N曲线或通过实验得出疲劳极限的安全系数，得出材料在高温下材料的无限寿命下的疲劳极限值；步骤2：通过计算机安装的前处理软件对整灯进行网格划分，主要运用的单元类型为3D四面体单元，再网格划分完成后，对网格质量进行检查，然后对整灯进行装配；步骤3：对整灯的零件材料属性定义；步骤4：通过计算机安装的仿真软件分析计算高温下整灯。

Description

一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估与优化方法

技术领域

本发明涉及仿真分析技术领域，具体涉及到一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估与优化方法，特别是一种贯穿式组合车灯，主要包含灯体，面罩，厚壁件，装饰框，支架，PCB板等零件的一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估与优化方法。

背景技术

车灯被称作为汽车眼睛，是集照明、信息交流、外观美化灯功能为一体的汽车关键部件之一，随着人们对于汽车科技感和外观上的追求、科技的发展以及整个汽车行业的设计趋势的转变和车灯Led的普及，“贯穿式尾灯”已经悄然成为了这几年流行的主流设计，贯穿式尾灯不仅出现在国际车厂的车型上，也出现在国内的自主品牌车型上，贯穿式尾灯不仅出现在传统汽车上，还出现在了很多的新能源车型上，因为贯穿式尾灯的设计，无疑能够提升这样的科技感和美观度。

随着全球化的发展，目前大多数的车企为了考虑汽车在各种比较严格的环境下能够正常使用，同时还需要满足规定的使用寿命，对于车灯振动实验变得更加严格，比如需要车灯在-40℃到80℃能够满足使用寿命，再比如车灯需要在各功能点正常灯正常的情况下，能-40℃到60℃的环境下能够满足使用寿命，由于贯穿式尾灯面罩与灯体焊接会存在开裂的问题，目前情况下，灯体一般采用 ABS材料，正常在高温下材料的属性会变差，但又因为，在振动时，需要将灯具安装与夹具上，温升较大，整灯会产生较大的热应力，会使得灯具在高温振动时失效断裂，导致质量问题，在仿真分析中，也难以实现在不同温度下，灯具特别是塑料件的真实响应和疲劳寿命，并且在仿真的随机振动的仿真中，也是难以去耦合热应力和振动同时对于灯具的影响的，在不同的温度下做随机振动的仿真，还需要材料随着温度变化的不同的材料非线性的本构关系，在实际的材料测量中这也是难以实现和成本过高的，为了解决高温下，温度和振动对与灯具特别是贯穿式尾灯的复合影响，同时为了节省灯具的开发成本、缩减开发周期和节约实验成本，提出符合高温复合振动的车灯疲劳仿真评估和优化方法。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估分析方法，用此方法仿真高温下车灯随机振动可以仿真各种高温情况下，车灯的疲劳寿命，对节省灯具的开发成本、缩减开发周期和节约实验成本有益，同时为高温下，车灯在复合随机振动下的疲劳寿命仿真提供思路，同时此方案也可以运用与其它产品的高温复合振动仿真分析。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，包括：

步骤1：通过实验测得仿真的灯具所包含的所有零件，在常温和高温下的材料本构关系、材料物理性能、线性膨胀系数、高温下材料的S-N曲线或通过实验得出疲劳极限的安全系数，得出材料在高温下材料的无限寿命下的疲劳极限值；

步骤2：通过计算机安装的前处理软件对整灯进行网格划分，主要运用的单元类型为3D四面体单元，再网格划分完成后，对网格质量进行检查，然后对整灯进行装配；

步骤3：对整灯的零件材料属性定义；

步骤4：通过计算机安装的仿真软件分析计算高温下整灯；

步骤5：通过仿真软件分析计算出常温到高温这一温升过程中整灯所产生的热应力，找出整灯中各零部件热应力最大值的位置和各零件安装点根部热应力的分布情况；

步骤6：通过仿真软件分析计算出高温时随机载荷下整灯的应力分布情况；

步骤7：通过计算公式得出在高温下，热应力和随机载荷影响下的材料的疲劳极限；

步骤8：通过将疲劳极限值输入仿真软件，得出整灯的疲劳缺陷；

步骤9：进行实际的复合振动实验，对标仿真结果。

在一个优选地实施方式中，所述步骤1中测得材料本构关系的主要参数为杨氏模量和泊松比和拉伸强度，所述材料物理性能主要参数为密度，所述常温温度为25℃，所述高温温度为80℃。

在一个优选地实施方式中，所述步骤1中的灯具主要包含灯体、面罩、位置灯厚壁件、转向灯厚壁件、制动灯后壁件、倒车灯后壁件、装饰框、支架、PCB 板，所述灯体为贯穿式，所述灯体材料属性为ABS，所述面罩为贯穿式，所述面罩材料属性为PMMA，所述位置灯厚壁件为贯穿式，所述位置灯厚壁件材料属性为光学PC，所述转向灯厚壁件材料属性为光学PC，所述制动灯后壁件材料属性为光学PC，所述倒车灯后壁件材料属性为光学PC，所述装饰框材料属性为光学 PC，所述支架材料属性为PC，所述PCB板材料属性为FR4。

在一个优选地实施方式中，所述步骤2的整灯包含灯壳、配光镜、上侧装饰框、位置灯支架、转向灯支架、下侧装饰框、下侧支架、倒车灯厚壁件、位置制动灯厚壁件、位置制动灯支架、转向灯厚壁件、PCB板，所述灯壳与配光镜固定连接，所述上侧装饰框分别与位置灯支架、转向灯支架弹簧连接，且上侧装饰框分别与位置灯支架、转向灯支架卡接，所述上侧装饰框与灯壳螺栓连接，所述下侧装饰框与灯壳螺栓连接，所述下侧支架和倒车灯厚壁件螺栓连接，所述位置制动灯厚壁件分别与位置制动灯支架、转向灯支架、灯壳螺栓连接，所述转向灯厚壁件分别与转向灯支架、灯壳螺栓连接，所述PCB板分别与位置制动灯厚壁件、倒车灯厚壁件、下侧支架、灯壳螺栓连接。

在一个优选地实施方式中，所述步骤3定义的材料属性为常温和高温下的杨氏模量、密度、泊松比、线性膨胀系数。

在一个优选地实施方式中，所述步骤5的车灯温度场的变化范围较大，所述热应力会随约束程度的增大而增大，所述热应力与零外载相平衡，所述热应力具有自限性，所述屈服流动或高温蠕变会使热应力降低。

在一个优选地实施方式中，所述步骤7中的计算公式为：

σ_S/3＝1σ应力值大小

σ_b——材料的拉伸强度；

F_热——热应力；

FS_n——疲劳极限的安全系数

σ_s——实际的材料疲劳极限。

该一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命的优化方法，包含以下步骤：

S1、通过试验判断安装的位置强度是否满足，若是不满足则加强其灯具安装结构的强度；

S2、若热应力较大，使灯具安装点处的结构进行调整，避免较多的固定放置于灯体的安装点处；

S3、当灯具发生热膨胀时，可以在热膨胀的方向上增加加强筋结构，以抵抗其变形。

附图说明

图1为本发明的灯体材料高温80℃时的材料本构关系示意图。

图2为本发明的灯体局部1第一次仿真热应力分布示意图。

图3为本发明的灯体局部2第一次仿真热应力分布示意图。

图4为本发明的灯体局部1第二次仿真热应力分布示意图。

图5为本发明的灯体局部2第二次仿真热应力分布示意图。

图6为本发明的灯体局部1第一次Z方向随机振动仿真应力分布示意图。

图7为本发明的灯体局部2第一次Z方向随机振动仿真应力分布示意图。

图8为本发明的灯体局部1第二次修改后的Z方向随机振动仿真应力分布示意图。

图9为本发明的灯体局部2第二次修改后的Z方向随机振动仿真应力分布示意图。

图10为本发明的实际复合振动的灯体局部结果1示意图。

图11为本发明的实际复合振动的灯体局部结果2示意图。

图12为本发明的实际复合振动的灯体局部结果3示意图。

图13为本发明的实际复合振动的灯体局部结果4示意图。

图14为本发明的修改后的实际复合振动的灯体局部结果1示意图。

图15为本发明的修改后的实际复合振动的灯体局部结果2示意图。

图16为本发明的修改后的实际复合振动的灯体局部结果3示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估与优化方法并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，包括：

步骤1：通过实验测得仿真的灯具所包含的所有零件，在常温和高温下的材料本构关系、材料物理性能、线性膨胀系数、高温下材料的S-N曲线或通过实验得出疲劳极限的安全系数，得出材料在高温下材料的无限寿命下的疲劳极限值；

步骤2：通过计算机安装的前处理软件对整灯进行网格划分，主要运用的单元类型为3D四面体单元，再网格划分完成后，对网格质量进行检查，然后对整灯进行装配；

步骤3：对整灯的零件材料属性定义；

步骤4：通过计算机安装的仿真软件分析计算高温下整灯；

步骤5：通过仿真软件分析计算出常温到高温这一温升过程中整灯所产生的热应力，找出整灯中各零部件热应力最大值的位置和各零件安装点根部热应力的分布情况；

步骤6：通过仿真软件分析计算出高温时随机载荷下整灯的应力分布情况；

步骤7：通过计算公式得出在高温下，热应力和随机载荷影响下的材料的疲劳极限；

步骤8：通过将疲劳极限值输入仿真软件，得出整灯的疲劳缺陷；

步骤9：进行实际的复合振动实验，对标仿真结果。

进一步的，步骤1中测得材料本构关系的主要参数为杨氏模量和泊松比和拉伸强度，材料物理性能主要参数为密度，常温温度为25℃，高温温度为80 ℃。

材料属性：

进一步的，步骤1中的灯具主要包含灯体、面罩、位置灯厚壁件、转向灯厚壁件、制动灯后壁件、倒车灯后壁件、装饰框、支架、PCB板，灯体为贯穿式，灯体材料属性为ABS，面罩为贯穿式，面罩材料属性为PMMA，位置灯厚壁件为贯穿式，位置灯厚壁件材料属性为光学PC，转向灯厚壁件材料属性为光学PC，制动灯后壁件材料属性为光学PC，倒车灯后壁件材料属性为光学PC，装饰框材料属性为光学PC，支架材料属性为PC，PCB板材料属性为FR4。

进一步的，步骤2的整灯包含灯壳、配光镜、上侧装饰框、位置灯支架、转向灯支架、下侧装饰框、下侧支架、倒车灯厚壁件、位置制动灯厚壁件、位置制动灯支架、转向灯厚壁件、PCB板，灯壳与配光镜固定连接，上侧装饰框分别与位置灯支架、转向灯支架弹簧连接，且上侧装饰框分别与位置灯支架、转向灯支架卡接，上侧装饰框与灯壳螺栓连接，下侧装饰框与灯壳螺栓连接，下侧支架和倒车灯厚壁件螺栓连接，位置制动灯厚壁件分别与位置制动灯支架、转向灯支架、灯壳螺栓连接，转向灯厚壁件分别与转向灯支架、灯壳螺栓连接，PCB板分别与位置制动灯厚壁件、倒车灯厚壁件、下侧支架、灯壳螺栓连接。

进一步的，步骤3定义的材料属性为常温和高温下的杨氏模量、密度、泊松比、线性膨胀系数。

进一步的，参照图2、图3、图4、图5，步骤5的车灯温度场的变化范围较大，热应力会随约束程度的增大而增大，热应力与零外载相平衡，热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变会使热应力降低，其灯具材料的线膨胀系数、弹性模量与泊桑比会随温度变化而变化，热应力不仅与温度变化量有关，而且受初始温度的影响，热应力与零外载相平衡是由热变形受约束引起的自平衡应力，在温度高处会发生压缩，温度低处会发生拉伸形变，对于塑性材料热应力不会导致构件断裂，但交变热应力有可能导致构件发生疲劳失效或塑性变形累积，所以需要考虑热应力对于车灯的影响，在第一次灯体仿真热应力检测中发现灯具根部与周围的热应力较高，在优化加强安装点的结构后，在第二次灯体仿真热应力检测中发现灯具上方与与周围的热应力较低，热应力结果明显好与第一次，并且风险区域未发生在安装点根部位置，断裂风险明显降低。

进一步的，步骤7中的计算公式为：

σ_s/3＝1σ应力值大小

σ_b——材料的拉伸强度；

F_热——热应力；

FS_n——疲劳极限的安全系数

σ_s——实际的材料疲劳极限。

可以将此数据输入软件，可以直观分析处整灯的各零件是否有疲劳风险，计算和仿真分析依据如下：

1.复合材料的刚度和剩余疲劳寿命受温度和疲劳应力幅影响很大，温度的影响尤为明显，故材料在加载中的温度是影响其疲劳性能和安全性的一个至关重要的因素，但由于实际复合振动难以通过仿真来完全的模拟真实情况，所以本方案将复合振动拆分为热应力和随机振动仿真实验分析；

2.热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低，对于塑性材料，热应力不会导致构件断裂，但交变热应力有可能导致构件发生疲劳失效或塑性变形累积，因此本方案考虑将车灯在复合振动时，将热应力对各零部件的影响假设为塑性变形，在整个振动过程中，各零件已经产生了一定的塑性变形，那么将考虑在材料的本构关系中，材料的弹性阶段(如图一灯体ABS材料高温80 ℃时的材料本构关系，其中弹性阶段为第一段直线区域)已经产生了一段塑性变形阶段：参照图1；

所以在进行随机振动分析时，需要将热应力的影响去除掉，以保证随机载荷的作用过后，车灯的剩余寿命准确；

3.由于在高温80℃时，温度对于材料的属性影响较大，所以随机振动时，需要输入的材料属性均为高温80℃时的属性；

在车灯的随机振动中，随机振动所产生的随机载荷循环周次一般都是大于 10⁴周次，所以其产生的疲劳问题属于高周疲劳问题，在此过程中，作用在车灯各零件上的循环应力水平比较低，最大循环应力通常小于材料的屈服应力，材料始终处于弹性阶段，应力和应变之间满足胡可定律，具有一一对应关系，一般采用应力作为控制参量，同时由于各塑料材料的寿命曲线不易测得，因此本方案中的疲劳极限的安全系数通过实际和理论的综合考虑，选择为3，根据材料力学中的经验公式:

σ_b——拉伸强度；

n——安全系数；

σ_s——疲劳极限。

可以得到材料的疲劳极限，但是还有热应力的影响，不能直接用拉伸强度去计算疲劳极限，同时有因为无论是热应力的影响还是随机载荷的影响都可以考虑为材料的弹性阶段，那么在材料的整个弹性阶段先考虑热应力对于此阶段的影响，即拉伸强度减去热应力得到材料在此过程中还剩余的拉伸强度，再根据疲劳极限的经验公式，可以得出实际还剩余的疲劳极限，最后再考虑随机振动中随机载荷对与各零件的影响，在随机振动过程中，其判断理论采用材料力学第四强度理论，同时根据随机振动理论，通过仿真软件计算出来的应力值，仅仅是1σ应力值，其概论为68.27％，需要使用3σ原则进行计算，为了更加直观的观察出其风险区域，将疲劳极限除3，得到其与1σ应力值所对于的疲劳极限，如灯体的真实疲劳极限为(高温下拉伸强度39-热应力15)/疲劳极限(3) *3σ原则(3)＝1σ应力值(2.667MPa)，其拉伸强度为表征制品能够抵抗拉伸破坏的极限能力，热应力是温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力，疲劳极限是在应力交变循环大至无限次而试样仍不破损时的最大应力。

该一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命的优化方法，包含以下步骤：

S1、通过试验判断安装的位置强度是否满足，若是不满足则加强其灯具安装结构的强度；

S2、若热应力较大，使灯具安装点处的结构进行调整，避免较多的固定放置于灯体的安装点处；

S3、当灯具发生热膨胀时，可以在热膨胀的方向上增加加强筋结构，以抵抗其变形；

参照实验结果，修订对仿真结果的判读：

参照图6、图7在对灯具第一次Z方向随机振动仿真应力检测，发现安装点根部存在较大的应力，有断裂风险，参照图8、图9在对第二次修改后的Z方向随机振动仿真应力检测，发现第二次高温随机振动仿真结果显示安装点根部应力明显改善，无断裂风险；

参考图10-13，实际复合振动的灯体在第一次实验后安装点处发生了断裂，参考图14-16，实际复合振动的灯体在第二次实验中未发生疲劳断裂，通过两次实验与仿真对比发现：第二次实验与仿真试验结果完全吻合，说明了本方案的可行性是可行的，并且其理论也是符合实际情况的。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，其特征在于，包括：

步骤1：通过实验测得仿真的灯具所包含的所有零件，在常温和高温下的材料本构关系、材料物理性能、线性膨胀系数、高温下材料的S-N曲线或通过实验得出疲劳极限的安全系数，得出材料在高温下材料的无限寿命下的疲劳极限值；

步骤2：通过计算机安装的前处理软件对整灯进行网格划分，主要运用的单元类型为3D四面体单元，再网格划分完成后，对网格质量进行检查，然后对整灯进行装配；

步骤3：对整灯的零件材料属性定义；

步骤4：通过计算机安装的仿真软件分析计算高温下整灯；

步骤5：通过仿真软件分析计算出常温到高温这一温升过程中整灯所产生的热应力，找出整灯中各零部件热应力最大值的位置和各零件安装点根部热应力的分布情况；

步骤6：通过仿真软件分析计算出高温时随机载荷下整灯的应力分布情况；

步骤7：通过计算公式得出在高温下，热应力和随机载荷影响下的材料的疲劳极限；

步骤8：通过将疲劳极限值输入仿真软件，得出整灯的疲劳缺陷；

步骤9：进行实际的复合振动实验，对标仿真结果。

2.根据权利要求1所述的一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，其特征在于：所述步骤1中测得材料本构关系的主要参数为杨氏模量和泊松比和拉伸强度，所述材料物理性能主要参数为密度，所述常温温度为25℃，所述高温温度为80℃。

3.根据权利要求1所述的一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，其特征在于：所述步骤1中的灯具主要包含灯体、面罩、位置灯厚壁件、转向灯厚壁件、制动灯后壁件、倒车灯后壁件、装饰框、支架、PCB板，所述灯体为贯穿式，所述灯体材料属性为ABS，所述面罩为贯穿式，所述面罩材料属性为PMMA，所述位置灯厚壁件为贯穿式，所述位置灯厚壁件材料属性为光学PC，所述转向灯厚壁件材料属性为光学PC，所述制动灯后壁件材料属性为光学PC，所述倒车灯后壁件材料属性为光学PC，所述装饰框材料属性为光学PC，所述支架材料属性为PC，所述PCB板材料属性为FR4。

4.根据权利要求1所述的一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，其特征在于：所述步骤2的整灯包含灯壳、配光镜、上侧装饰框、位置灯支架、转向灯支架、下侧装饰框、下侧支架、倒车灯厚壁件、位置制动灯厚壁件、位置制动灯支架、转向灯厚壁件、PCB板，所述灯壳与配光镜固定连接，所述上侧装饰框分别与位置灯支架、转向灯支架弹簧连接，且上侧装饰框分别与位置灯支架、转向灯支架卡接，所述上侧装饰框与灯壳螺栓连接，所述下侧装饰框与灯壳螺栓连接，所述下侧支架和倒车灯厚壁件螺栓连接，所述位置制动灯厚壁件分别与位置制动灯支架、转向灯支架、灯壳螺栓连接，所述转向灯厚壁件分别与转向灯支架、灯壳螺栓连接，所述PCB板分别与位置制动灯厚壁件、倒车灯厚壁件、下侧支架、灯壳螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，其特征在于：所述步骤3定义的材料属性为常温和高温下的杨氏模量、密度、泊松比、线性膨胀系数。

6.根据权利要求1所述的一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，其特征在于：所述步骤5的车灯温度场的变化范围较大，所述热应力会随约束程度的增大而增大，所述热应力与零外载相平衡，所述热应力具有自限性，所述屈服流动或高温蠕变会使热应力降低。

7.根据权利要求1所述的一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命仿真评估，其特征在于：所述步骤7中的计算公式为材料的拉伸强度-热应力/疲劳极限的安全系数＝实际的材料疲劳极限，疲劳极限/3＝1σ应力值大小。

8.该一种高温下复合振动的车灯疲劳寿命的优化方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、通过试验判断安装的位置强度是否满足，若是不满足则加强其灯具安装结构的强度；

S2、若热应力较大，使灯具安装点处的结构进行调整，避免较多的固定放置于灯体的安装点处；

S3、当灯具发生热膨胀时，可以在热膨胀的方向上增加加强筋结构，以抵抗其变形。

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