车灯散热及振动频率响应分析

车灯热仿真及振动仿真。模拟灯泡发热，计算车灯温度分布。车灯振动频率响应分析，了解共振频率，根据应力判断振动是否导致失效。介绍模态有效质量分数对结构频率响应的影响。

车灯散热仿真

车灯模型如图，采用Simcenter软件划分网格。

车灯表面与环境空气自然对流，需要考虑周围的空气流体域。Simcenter Thermal-Flow 设置重力方向和大小，勾选“Buoyancy”（浮力）开关，就可以计算自然对流。

环境温度20℃，灯泡设置发热功率，进行稳态热流分析，得到产品的温度分布。从气体速度矢量图，可以看出空气受热上升，符合重力和浮力的设定。

 

车灯模态分析

模态分析采用NX Nastran求解器，计算车灯的固有频率。本例的前四阶固有频率分别为：135.2Hz、179.3Hz、198.2Hz、217.9Hz。

频率响应分析

前面的模态分析，可以初步了解结构的共振频率。如果想知道产品在受到外界某个确定的振动频率和加速度条件下的应力情况，就需要进一步采用频率响应分析。

根据相关标准，设置Z方向振动激励加速度随频率变化的曲线如下。

检查仿真结果，发现灯脚安装点处的应力最大，输出其应力频率响应曲线。曲线上有三个峰值，分别对应第一阶、第二阶和第四阶固有频率。

其中第二阶固有频率（179Hz）共振时，应力最大，应力分布图如下。

模态有效质量分数

观察前面的应力频率响应曲线，三个峰值分别对应第一阶、第二阶和第四阶固有频率。为什么在第三阶没有峰值？为什么没有第五阶、第六阶……

回答这个问题，需要用到“模态有效质量分数”的概念。
模态有效质量分数，简单来说就是结构在指定的方向振动时，某个模态参与程度的有效占比。这个占比越大，说明这个模态对该方向振动的贡献最大。

各阶模态的有效质量分数，如下表所示。

将模态编号按照Z方向质量分数从大到小排列，前三名分别是：第二阶（44.7%）、第一阶（26.2%）和第四阶（19.4%）。其中，第二阶模态的有效质量分数最大。这也解释了为什么Z方向振动时，第二阶固有频率（179Hz）对应的应力最大。