1.1 前言
隨材料科學與科技發展，工業對高分子塑膠材料性能之需求越來越 高。特別是車輛產業工程人員期望尋求更輕量化、強度高的材料及與快速 大量生產技術，以符合車輛結構設計與省能等經濟效益要求。而塑膠材料 具有質輕、價廉、色澤優美、易成型、耐腐蝕等特性。然而，由於塑膠在 強度和剛性上的先天限制，於結構件之應用上仍有相當之困難。為了提升 塑膠材料應用領域，近年則有採用兩種或多種塑膠材料以合成方式或合膠 方式產生新種類之工程塑膠材料，以彌補單一成份塑膠缺點，來強化各材 料的優點，提高比強度(Specific Strength)、比彈性模數(Specific Modulus) 以及低比重等卓越性能，特別在車燈（圖1）發展與應用上。台灣車燈廠 以外銷為主，近年台灣汽車零組件出口以塑膠類最具成長性，其中又以車 燈類出口歐美成長性最大，2008年車燈出口總值已突破150億。
車燈在汽車的應用上可以分為前燈、後燈、煞車燈、方向燈、角燈、
倒車燈六大類，惟車燈業界僅區分為大燈（頭燈）與小燈（頭燈以外之燈 類）兩種，車燈產品與3C產品最大差異處在於車燈產品生命週期相當長，
由於車燈屬於碰撞保安件，且維繫著行車視野安全，通常產品生命週期皆 在7年以上，就歐洲國家規定，車輛停產七年之內，廠商有義務要保證消 費者可更到換新車燈；其次，在美國聯邦法規FMVSS第108號[1]亦有要 求，所有銷售於美國之原廠（OEM）或售後服務（AM）市場之車燈皆需 經過環境可靠度驗證。
車輛因長期暴露戶外之隨機環境，而主要影響車燈之環境因子為環境 振動，法規上車燈為碰撞保安件，通常產品生命週期設計皆需在5年以上，
方可符合車廠要求；品質是外銷關鍵因素，而耐久可靠之車燈照明是確保 人員安全的必要要件。因此，良好的車燈結構設計與分析，方能確保安全 明亮行駛環境。
1.2 複合塑膠頭燈結構組成
汽車頭燈大部分材料已由金屬燈殼與玻璃燈罩組合轉變為複合塑膠 材質，就車燈之設計與結構分類[2]而言，頭燈在反射鏡設計方面可分為 自由曲面式頭燈（FREE）、多重反射式頭燈（MR）以及投射式頭燈（PES）。
在結構方面可分為燈殼、中框、後殼、反射鏡及其他組件（如方向燈和遮 光罩等）主要元件與組成（圖2）說明如下：
1.透明燈殼（lens）：主要為保護燈室內之反射鏡，在表面適當設計 紋路亦可提供修正亮度功用，通常以PC（聚碳酸酯）作為主要材質。
2.後殼或後燈座（housing）：為車燈之主體與基礎，可提供遠近/燈 遠反射鏡或調整機構固定。
3.反射鏡（reflector）：作為光源投射之用，主要在於改變反射鏡外 形使角度達到理想反射，可分為大燈（遠/近燈）反射鏡及方向燈反 射鏡二種。
4.中框或鍍鋁裝飾反射鏡（decoration frame）：主要為搭配整體車燈 設計裝飾用，掩飾燈體內部組件。
1.3 研究背景與目的
產品設計與品質的優劣，主要需考量設計階段之可靠度驗證規格，特 別是在使用壽命周期中需高可靠度要求的產品，例如航太、軍事等與攸關 成本或性命等高科技產品。近年來，車輛工程在考量整車縮短開發之時間 並降低相關驗證成本，因此，在車輛保安件之可靠度驗證工程前，也導入 了電腦輔助工程（CAE）進行如結構振動驗證前之分析，在事先預估其失 效應力處加以優化處理後，在進行分析確認改善後，即導入實體驗證測試 或送交第三公正單位進行驗證。
1.3.1 車燈主要失效模式
車輛行駛於隨機環境，驗證上相對較消費產品嚴苛，由於車燈屬於保 安件，美國聯邦法規FMVSS 108與自動機工程師學會標準SAE J575[3]針 對車燈的可靠度驗證包含振動、防塵防水、溫濕度…等10項。由車輛中心
（ARTC）輸美驗證案失效統計數據（圖3）顯示，在各項環境試驗中主 要為振動試驗失效為主，分析其失效模式47%為固定處斷裂現象，而失效 機制由疲勞所引起，故可了解振動效應對車燈是一重要環境失效因子。
1.3.2 國外車燈與路面環境振動要求
如前文所述車燈環境振動要求主要依據SAE J575為主，主要驗證車輛 在壽命週期中，因路面以及引擎產生之振動對車燈結構所造成影響；由於 車燈設計講求與車輛之整體造型，增加許多調整機構與多種投射鏡等功 能，故此SAE標準由原先10~55Hz正弦掃頻條件，修正為10~250Hz隨機振 動（圖4）來驗證車燈複雜結構設計之可靠性，試驗軸項僅為Z軸（上下），
加速度均方根值為1.81gr.m.s。此外，車輛行駛路面產生之振動，由美國軍 規MIL-STD 810F[4]之美國公路卡車振動暴露頻譜（圖5）可知，車輛行駛
於一般公路之振動頻寬為10~500Hz，其最大加速度值亦為Z軸1.04gr.m.s。 1.3.3 研究目的
綜合前述之車輛振動環境，車燈的結構設計必須考量10~500Hz間之 振動效應，以確保車輛使用壽命期間車燈前方照明功能之可靠性，因此有 必要量產前完成結構設計確認，而實驗室試驗乃是確保車燈可靠性重要方 式；然而，對複雜車燈結構與外型若可建立一套方便、快速建立FEA振動 模型方法，將可在實驗室或實車試驗前預測其結構響應特性與弱點，將可 大幅避免試驗失效重複發生與節省開發驗證成本。
本文旨在利用商業CAE分析軟體（Altair HyperWorks）進行車燈振動 工程分析研究，主要研究方向與期望如下：
1.建立等效車燈振動FEA模型：透過模型簡化、不同邊界與元素調整 等方式，快速獲得與實際車燈結構等效之分析模型，並準確預測振 動實驗結果。
2.獲得車燈結構振動特性：就FEA預測車燈結構在振動下之頻率響 應、模態行為與對結構可能影響，以掌握關鍵疲勞破壞區域。
3.預測實車裝置振動模態：由實驗室環境下車燈夾治具設計分析與實 車裝置分析之合理性，並分析模態振型對車燈結構之影響。
1.4 文獻回顧
由於電腦科技的快速進步，電腦具有好的分析能力及資料處理速度，
在車輛零組件開發上，皆以電腦來分析實測可能需要數倍時間的結果。然
而，對於複合塑膠產品，如車燈、儀表板或保險桿等結構特性，相較於金 屬結構件則顯少有相關研究與分析，然而在有限元分析應用上，相關之探 討如下。
1.4.1 理論分析方面
Cifuentes[5]透過設定平板上的三個區塊質量或是材料剛性模擬複合 材料特性，對其做振動特性分析，獲得複合材料在動力分析上，不同支撐 形式會影響結構模態振型。Yang et al.[6]提到在有限元素分析值得注意的 三個重要因素，分別為幾何模型的建立、材料的材料特性和結構的邊界問 題，利用這三種不同的方法做模態測試，並用不同固定邊界條件進行模擬 自由邊界。
1.4.2 分析模型修正應用方面
Singhal et al.[7]利用有限元素分析建構一薄壁中空圓柱的有限元素模 型，除模擬其振動分析外，更與實際結構體之實驗模態分析結果來作為振 動參數比較及對模型修正，最後獲得一等效的模型，則未來當有相同結構 體需要作設計分析時，就不需要使用真實結構體作分析。Wu et al.[8]建立 醫療儀器AED（Lifepak500 automated external defibrillator）之FE模型，先 由靜力實驗證明模型之材料性質及結構靜力特性為正確，再利用振動實驗 作振動觀點的模型驗證，最後獲得一等效有限元素分析模型。劉[9]對具 有不同電子元件排列之印刷電路板建立有限元素模型並透過與實際實驗 之數據驗證獲得等效有限元素模型。Perkins and Sitaraman[10]利用有限元 素分析模擬印刷電路板振動實驗，並與實際振動實驗相互驗證，以獲得等 效有限元素模型，Hu et al.[11]是應用實驗模態與有限元素分析來對一自 由邊界之複合材料疊層板作模型驗證，將實驗結果跟有限元素分析的結果
做比較驗證，經比對實驗與有限元分析結果之自然頻率與模態振型，兩種 結果相當吻合。王和曹[12]主要是結合有限元素分析法以及實驗模態分析 來對自由平板作模型驗證，其目的為得到一個具合理性、正確性的等效分 析模型亦發展出一個等效可用的分析模型。
以上皆利用實驗與理論結果相互驗證，求得對實際結構等效之有限元 素模型並運用模型進行後續相關分析的例證。
1.4.3 測試標準方面
目前對於車燈振動測試標準主要依據有美國SAE J575、日本JIS D5500[13]以及JIS D1601[14]。其中，美國SAE J575主要針對汽車頭燈之 結構振動耐久試驗，模擬因行駛道路引起振動，主要採以10~250Hz頻率 範圍內上下方向共計1小時之隨機振動試驗，此試驗主要評斷車燈各部件 長期振動下固定處或光學部件是否產生失效。而JIS D1601主要針對裝置 於車輛各物件提供共振搜尋與共振耐久試驗方法之依循，可依照不同裝置 部位選擇建議之試驗頻寬，如車燈屬於懸吊上方車體部位，可採用 5~500Hz之共振頻譜試驗，用以獲得該車燈所要量測部位之共振頻率與加 速度響應位準，藉以提供車燈設計修正參考，以及利用共振耐久試驗來確 認共振駐留下之振動耐受力，一般會進行三個方向共計8小時試驗。
1.5 論文架構
本研究旨在藉由CAE商用軟體Altair HyperWorks來建立複合塑膠車 燈等效FEA模型，並針對自然模態響應與強制激振分析結果與實驗模態及 強制振動實驗進行驗證比較，探討最符合實際實驗結果之方式，並針對車 燈振動模態行為作探討；因此，本研究將依下列架構做說明：