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ANSYS經(jīng)典案例在Workbench中實(shí)現(xiàn) | 汽車剎車盤制動(dòng)噪音分析

2019-05-07 22:31:09·  來源：李辰，李軼 安世亞太  
　
熟悉ANSYS Mechanical的朋友知道，早年ANSYS經(jīng)典界面風(fēng)行一時(shí)，后來隨著2000年后ANSYS Workbench平臺(tái)的推出，經(jīng)過十多年的發(fā)展完善，其易用性、功能性進(jìn)入了一個(gè)
熟悉ANSYS Mechanical的朋友知道，早年ANSYS經(jīng)典界面風(fēng)行一時(shí)，后來隨著2000年后ANSYS Workbench平臺(tái)的推出，經(jīng)過十多年的發(fā)展完善，其易用性、功能性進(jìn)入了一個(gè)非常強(qiáng)健穩(wěn)定的狀態(tài)，現(xiàn)在用Workbench平臺(tái)進(jìn)行分析的工程師越來越多，毋容置疑的是其易用性遠(yuǎn)超ANSYS經(jīng)典界面，在功能角度也實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)?shù)乃健Ｔ缒陮W(xué)習(xí)ANSYS的朋友會(huì)使用一些經(jīng)典的練習(xí)案例進(jìn)行學(xué)習(xí)，熟悉軟件的操作及基本特性，那這些經(jīng)典案例是非常有學(xué)習(xí)意義的，不過這些官方的經(jīng)典案例并沒有Workbench的版本，所以我們集中資源對(duì)一些經(jīng)典的ANSYS學(xué)習(xí)算例進(jìn)行了梳理，在workbench中進(jìn)行了一些復(fù)現(xiàn)的嘗試，并將以連載的方式與愛好者們分享，希望能對(duì)大家的學(xué)習(xí)工作有所幫助。之前，我們分享了結(jié)構(gòu)中的密封圈仿真分析，本期為大家分享汽車剎車盤制動(dòng)噪音分析。
圖1 剎車系統(tǒng)幾何模型
 
工程背景
 
在汽車制動(dòng)時(shí)，剎車盤和剎車片之間的摩擦?xí)饎x車盤劇烈而持續(xù)的振動(dòng)，從而導(dǎo)致噪音。所以，消除汽車剎車盤制動(dòng)噪音是汽車行業(yè)一個(gè)重要課題。目前，主要有兩種理論來解釋這種現(xiàn)象：
 
靜動(dòng)摩擦理論：該理論認(rèn)為當(dāng)靜摩擦系數(shù)大于滑動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致剎車系統(tǒng)的自激振動(dòng)。正是由于這種階躍的摩擦力，導(dǎo)致了系統(tǒng)中的一部分能量無法耗散，從而產(chǎn)生噪音。
 
模態(tài)耦合理論：當(dāng)兩種具有相似特征的模態(tài)互相耦合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致剎車系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性主要是由于結(jié)構(gòu)幾何特征的不合理性導(dǎo)致的。
總而言之，根據(jù)上述兩種理論，制動(dòng)噪音是由剎車盤片間變化的摩擦力導(dǎo)致的。
 
此外，制動(dòng)噪音大致可以分為以下三類：
1 低頻噪音：出現(xiàn)頻率往往在100~1000Hz之間，聲音較為低沉；
2 低頻尖響：轉(zhuǎn)動(dòng)盤的面外模態(tài)和剎車片的彎曲模態(tài)耦合而產(chǎn)生的刺耳噪音；
3 高頻尖響：轉(zhuǎn)動(dòng)盤的面內(nèi)模態(tài)之間互相耦合而產(chǎn)生的刺耳噪音。
其中，后兩種噪音形式可以通過仿真的方法進(jìn)行分析。本案例通過ANSYS Workbench中模態(tài)分析中的復(fù)模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)中的不穩(wěn)定模態(tài)，從而對(duì)剎車系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和材料參數(shù)的修改提出指導(dǎo)意見。
 
模型建立，材料參數(shù)輸入如下表所示：
Young's Modulus：2.0E+11 MPa
Density：7850 Kg/m3
Poisson's Ratio：0.3 
 
接觸設(shè)置
以往的剎車系統(tǒng)分析中，需要首先手工計(jì)算系統(tǒng)中由于滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生的非對(duì)稱項(xiàng)（在ANSYS Workbench中，默認(rèn)將結(jié)構(gòu)剛度矩陣處理為對(duì)稱矩陣，從而減小計(jì)算量），然后，通過特殊單元（Matrix27），將手工計(jì)算得到的結(jié)果導(dǎo)入。該過程非常繁瑣，同時(shí)，由于對(duì)接觸和滑動(dòng)區(qū)域的假定，盤片之間的網(wǎng)格需要進(jìn)行匹配。
 
在本案例中，將使用3D接觸單元（Conta17X）描述剎車盤片之間的接觸，這種方法相對(duì)較為簡(jiǎn)便，因?yàn)椴恍枰佑|面之間的網(wǎng)格單元的匹配，同時(shí)也不需要人工計(jì)算非對(duì)稱項(xiàng)。
 
本案例中，除剎車盤片之間使用摩擦接觸（摩擦接觸系數(shù)取0.3），其余接觸都將設(shè)置為綁定接觸。摩擦接觸的接觸算法選擇增強(qiáng)拉格朗日算法，該算法可以在迭代過程中逐漸減小接觸穿透，相比標(biāo)準(zhǔn)拉格朗日算法，所需要的迭代次數(shù)相對(duì)較小，適合計(jì)算摩擦接觸的相關(guān)問題。選擇MPC算法用于其他綁定接觸。
    
圖2 接觸設(shè)置
 
邊界條件
 
中間輪轂和五個(gè)螺栓孔（淡藍(lán)色區(qū)域）均固定。剎車片上的外側(cè)節(jié)點(diǎn)（綠色區(qū)域）除了法向，其余都被約束。
圖3 邊界約束
在兩個(gè)摩擦接觸對(duì)上定義滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)速，本算例中，選擇兩對(duì)摩擦接觸的接觸單元，通過CMROTATE命令，施加轉(zhuǎn)速。首先，需要選擇兩對(duì)摩擦接觸的目標(biāo)單元。具體做法是分別在兩對(duì)接觸下插入命令。
圖4 摩擦接觸下插入命令 
 
求解設(shè)置
注意，在求解設(shè)置中選擇非對(duì)稱求解器。如下圖所示：
圖5 開啟非對(duì)稱求解器
 
求解結(jié)果
因?yàn)椴捎梅菍?duì)稱求解器，剛度矩陣為非對(duì)稱矩陣，所以求解結(jié)果分為兩部分：即實(shí)部與虛部。虛部表征的復(fù)模態(tài)下的結(jié)構(gòu)固有頻率，實(shí)部則表示結(jié)構(gòu)模態(tài)是否處于穩(wěn)定的狀態(tài)。若實(shí)部為正值，表示結(jié)構(gòu)模態(tài)處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。由下圖可知，第22階模態(tài)不穩(wěn)定。
圖6 復(fù)模態(tài)結(jié)果
圖7 第22階模態(tài)振型圖
 
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