刹车盘制动啸叫分析:Abaqus解决方案

Abaqus的案例和ANSYS类似,也分为比较简单的验证案例和相对复杂的技术展示案例两类。分别位于三个目录下:

  1. Abaqus/Benchmarks. 这里放着一些标准测试案例。也包括NAFEMS的标准考题。
  2. Abaqus/Verification. 是一些验证案例,包括单元验证、材料验证和分析过程验证等。
  3. Abaqus/Example Problems. 这里就是一些真刀真qiang的工程案例了。用到的模型和技术也会相对更复杂一些。 本文的案例就来自这个Example Problems。具体来说,是示例问题中的动力学分析-模态动力学分析案例之一。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图3

(这回咱放一张在线文档的截图吧,因为在线文档可以彩云小译)




如果你安装了达索本地帮助文档,那么这个案例会位于你电脑的以下类似目录中:

D:\Program Files\Dassault Systemes\SIMULIA2020doc\English\SIMAINPRefResources

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图4

一共有这么多相关inp文件(请忽略后面的文件类型提示)


别被它吓到了,……我也不知道哪来的这么多brake_squeal案例文件,有些我在帮助文档里也没搜到。不过没关系我们从头学习。


打开brake_squeal.inp,可以看到里面使用*INCLUDE关键字分别包含了节点信息和单元信息。在Abaqus的提交作业界面,直接定义基于inp的作业,提交这个brake_squeal.inp是可以正确分析的。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图5


然而在Abaqus/CAE界面导入这个inp时却出现了错误提示:


使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图6

首先,接触面没有能够在Abaqus/CAE界面成功导入。因为需要提供面id;

其次,*MOTION关键字没有被inp文件阅读器支持,所以未被导入。


来看看Abaqus这个案例的模型:

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图7

毕竟是刹车盘嘛,长得肯定都差不多。但我觉得Abaqus这个模型确实要比ANSYS家那个模型更接近实际一点。事实也的确如此,这个模型是TRW,天合汽车集团一款真实的盘式制动器的简化版本。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图8

SIMULIA还在案例文档里给了个鸣谢。



好,下面正式开始。

刹车片本体使用了各向异性的有机摩擦材料。各向异性材料意思就是弹性系数矩阵D的每一项都可以自己定义。前面几项参数如图所示,后面的……看inp文件吧。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图9

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图10


刹车盘转子材料为铸铁,其他零件材料为结构钢。这些都没啥好说的。


单元类型为C3D6和C3D8I。这个I代表非协调模式。总之是一阶六面体单元为主。


接下来定义接触。Abaqus读取inp文件的时候提示错误,接触对没有正确导入。不过没关系,这个模型的接触对不算太多。正好学习一下接触对定义的关键字。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图11

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图12

在*CONTACT PAIR关键字下,第一个写出的是从表面,第二个是主表面(这和我直觉猜测相反啊)。所以我们据此定义接触对即可。一共四个,都是产生啸叫的滑动摩擦,两个在正面两个在背面。

——为啥每一面有两个接触对呢?因为,您看这俯视图,它刹车片就有前后两个部分~

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图13




接下来是边界条件定义。


刹车片的两侧耳朵处约束x和y方向位移(放开指向刹车盘方向的位移自由度);

刹车片上施加大小为500的均布压强(注意这个模型的单位制,质量是kg,长度单位是mm,算起来压力单位应该是kPa。即0.5MPa)

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图14


第一个分析步,刹车片和刹车盘之间没有摩擦力,只是为了让它们之间建立接触。

而第二个分析步,inp文件中使用了*CHANGEFRICTION关键字来改变摩擦系数,改为0.3。Abaqus/CAE界面中可以在相互作用中修改第二步的接触属性来实现:

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图15


下图是第二个分析步定义的关键字。其实很简洁没有几行。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图16

这里有一个*MOTION, ROTATION命令,似乎是不能使用Abaqus/CAE界面来进行定义。和ANSYS里的那个CMROTATE命令作用比较类似,在这个分析中用于旋转刹车盘产生摩擦力。


*MOTION, ROTATION ROTOR, 5.0, 0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0


这个关键字的语法如下:


使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图17


简单来说,第一个5.0定义了旋转速率5rad/s,后面分别定义了旋转轴的a点和b点。


后面两个分析步的定义关键字就更少了。在Abaqus中,想要提取包含摩擦阻尼的复特征值,需要先做自然频率提取分析步,然后做复特征值提取分析步。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图18


在CAE界面中,都属于线性摄动分析步,一个是频率,另一个是复数频率。从下面截图可以看到,静力分析步后面只能接频率分析步,复数频率分析步需要跟在频率分析步之后。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图19

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图20




计算结果,可以看到第三步和第四步作为线性摄动分析,Abaqus给了它们1e-36,极小的分析步时间。

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图21


在结果模块,点输出数据库这里可以查看各阶模态的频率。可以看到,在这个比较真实的刹车盘模型中,第7阶模态就出现了实部非零且为正的不稳定啸叫模态。啸叫频率约2kHz,比ANSYS的那个案例模型低很多。


使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图22

使用Abaqus完成刹车盘制动啸叫分析的图23





后记:

我尝试使用ANSYS Workbench重复出这个案例的计算结果,但是目前总是遇到各种奇怪的问题。唯一一次计算成功,预应力的阻尼模态分析求解结果和Abaqus提取出的自然频率结果相当——等于说没有提取出复特征频率,就更没发现啸叫频率了。

也有各种软件不稳定的bug存在。总之,还是掌握不到位,道阻且长啊。


最后,学习多种有限元软件的最终目的也不是非要二者都用,只是不希望思路和对有限元的理解被一种软件束缚。

可以看出,由于Abaqus只有一个Abaqus/CAE界面,本身不像ANSYS家又APDL又Workbench那么分裂,它更容易直接修改inp文件,不像ANSYS的Workbench插入命令那么麻烦。但是相应的Abaqus在自动搜索和定义接触对等一些操作上也不如Workbench界面那么简便。算是各有优劣。


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