振动噪声中有限元模型的装配规范

Q/SZJ191001-2017振动噪声中有限元模型的装配规范ModelAssemblyforNoiseandVibrationsforFiniteElementModels20XX-20XX-XX-XX实施20XX-XX-XX发布XXXX汽车工程技术有限公司发布Q/SZXX-X-2017振动噪声中有限元模型的装配规范范围本标准规定了术语和定义、NVH领域有限元模型装配等方面内容。本标准适用于CAE部门NVH领域有限元模型装配等方面内容。规范性引用文件无。术语和定义本规范涉及到的术语及其定义如下：NVHVibrationNoiseandharshness；简化模型采用集中质量单元和一维单元来建立的部件模型；详细模型根据部件实际几何进行的有限元建模。摘要AbstractN/A流程图N/A工具描述N/A建模和分析过程内容ContentsN/A坐标系CoordinateSystemsN/A建模规范ModelingGuidelinesN/A简化建模技巧SimplifiedModelingTechnique部件之间连接的简化建模方法应用比较广泛。Simplifiedunderstandingsoftheconnectionsbetweencomponentsarealmostalwaysused.螺栓硬连接HardBoltedConnections两个部件之间无橡胶缓冲件，单使用螺栓连接成为螺栓硬连接。有两种方式模拟螺栓硬连接：刚性RIGID和Beam。依据两种连接方法的规范，相邻部件之间都需要连接合适的RIGID网状单元。Hardboltedconnectionsareconnectionsthathavenorubberpartsthatisolatethetwopartsbeingjoined.Therearetwomethodstocreatingahardboltedconnections:rigidorbeam.Bothmethodsassumethattheproperspiderhasbeenbuiltontheadjoiningpartspertheirindividualprocedures.对于一个RIGID连接，应该使用一个全约束的简单的RBE2单元连接两个RIGID中心点，连接时候，一定要注意节点从属问题。规范要求连接到部件上的RBE2节点都是非独立的。然而，也不竟然。假设两个独立的节点需要连接，推荐使用Beam连接方法。使用RBE2连接时候，需要在被连接的RIGID两端分别建立集中质量单元CONM2，每个CONM2赋予的质量为螺栓质量的一半。Forarigidconnection,asimpleRBE2shouldbeusedtoconnectionDOF’s1-6fromoneconnectionpointtotheother.Caremustbetakentowatchfornodedependencyissues.Thestandardistohaveallconnectionpointsoncomponentsindependent.However,therearetimeswhenthiscannotbeachieved.Iftwodependedgridsmustbejoined,thebeammethodbelowisrecommended.ACONM2shouldbeplacedoneithersideoftheRBE2card.EachCONM2shouldhavehalfofthemassofthebolt.使用Beam连接方法中，一个简单的CBEAM单元可以用来连接两个部件，并且单元属性应该同该出螺栓实际的材料、直径等属性相匹配。Ifbeamsareused,asimpleCBEAMelementshouldbeusedtojointhetwocomponents.Thepropertiesofthatelementshouldbesetsuchthattheymatchthepropertiesoftheactualboltused.对于特殊非标准螺栓连接，由于找不到详细信息，可以使用一个14mm直径的钢制螺栓作为属性模拟，Ifthereisnoinformationavailableforthatparticularbolt,a14mmsteelboltcanbeused.衬套连接IsolatedConnections两个部件之间使用橡胶衬套，目的是防止这两个部件直接接触，这种部件的连接称为衬套连接。这种连接在整车上有动力总成的悬置、前后副车架与车身的衬套。Anisolatedconnectionisanyconnectionbetweentwocomponentsthathasrubberpiecesthatareintendedtoprovideisolation.Typicalconnectionslikethesewouldbethepowertrainmounts,orsuspensionattachmentstocradles.建立衬套连接时候，建议在两个部件之间衬套的弹性中心部件的节点是重合的。有必要的话，局部坐标系也需要建立。Itisrecommendedthatthetwocomponentshavecoincidentgridsthatarelocatedattheelasticcenterofthebushing.Thereshouldalsobealocalcoordinatesystemavailableforthejointtoorientthepropertiesoftheelastomer.衬套刚度的测量MeasurementofIsolatorRates理解衬套部件的力学性能是非常重要的。无论衬套的刚性和阻尼特性如何，必须确保模拟衬套的有限元单元在频率范围和振幅上同实际状态竟可能相似。但这也有许多限制，在车辆开发的早期阶段，只有基本的通用的动静比率，可以引入补偿因子来解决这个问题。Itisimportanttounderstandthatrubberpartsbehaveinaverycomplexmanner.Whenevercharacterizingthestiffnessanddampingofanisolator,itisimportanttomakesurethatitischaracterizedunderconditionsassimilaraspossibletheactualoperatingconditionsintermsofamplitudeandfrequencyrange.However,therearemanylimitations.Oftenearlyinvehicleprograms,onlybasicnominalratescanbefound.Inthosecases,compensatingfactorsshouldbeusedtoadjustthemtotheproperamplitude.在所有的测量工况中，衬套刚度被测量前需要加载预载荷。这将大大的改变一些衬套的刚度。例如，怠速工况时候，动力总成的扭矩反作用在悬置上将非常接近他们的设计位置，当测量时候，会得到一个相对较小的刚度值。然而，在全加速工况，被较大的载荷加载的衬套，被压缩到衬套的不可压缩点，这个时候去测量衬套刚度，将会得到数倍于怠速工况的结论。Forallcases,thepreloadontheisolatormustbeappliedbeforethestiffnessismeasured.Thiswilldrasticallychangethestiffnessofsomeisolators.Forexample,atidle,thepowertraintorquereactionmountsareclosetotheirnominalposition,andwhenmeasured,willshowarelativelysoftrate.However,atWOT,themountsareheavilypre-loadedsuchthattheyareintheirbumpstops.Whenmeasuredinthiscondition,thestiffnesswillbemanytimesgreaterthanatidle.衬套刚度测量中根据测量的位移不同有两种典型的测量方法，一种测量的位移较小，为0.01mm。另一种较大，为0.1mm。两种测量方法测量的频率范围都是1Hz到大概50Hz。两种测量方法中频率范围的限制因素或者是测量设备的性能或者是工装夹具的影响。通常来说，在20Hz的动态刚度值大概是静态下的1.3倍。Therearetypicallytwotestamplitudesthatcanberunonanisolator.Asmallamplitudetestof.01mm,andalargeamplitudetestof.1mm.Thesetestaretypicallyrunfromabout1Hztoabout50Hz.Thelimitingfactorinthefrequencyrangeofthesetestsistypicallyeithercapabilityofthetestequipment,orfixtureresonances.Ifonlythestaticordynamicstiffnessisavailable,itisassumedthatthe20Hzdynamicrateis1.3timesthestaticrate.简易衬套SimpleIsolators可以使用简单的弹簧单元来模拟衬套。推荐使用Nastran的CBUSH/PBUSH卡片来模拟。因为这种单元可以在整个频率范围内赋予恒定的刚度值，这些恒定的刚度值在整个分析频域内为实际刚度性能水平的大概值。在PBUSH卡片中可以在“B”或者“GE”中填入阻尼值，假如阻尼值未知，可以使用0.1~0.2的常用阻尼。另外，集中质量单元CONM2定义在BUSH单元的两端，每个CONM2单元赋予的治理应该为衬套总质量的一半。Asimpleisolatorhasasimplespringelementactingastheconnectorelement.TherecommendationistouseaCBUSH/PBUSHcardinNastranforthisfunction.Becausethisisaconstantstiffnesswithfrequency,thestiffnessvalueshouldmatchtheappropriatestiffnessfortheoperatingconditionbeinganalyzedaswellasthenominalfrequencyrangeofinterest.Adampingvalueshouldalsobeplacedineitherthe“B”or“GE”fieldsofthePBUSHcard.Ifnodampingisknown,ageneralvalueof.1-.2for“GE”shouldbeused.ACONM2shouldbeplacedoneithersideoftheCBUSHcard.EachCONM2shouldhavehalfofthemassoftheisolator.频率相关的衬套FrequencyDependentIsolators衬套的刚度参数设置成与频率相关是一种优先选择方案，这个需要CBUSH/PBUSH/PBUSHT一系列卡片共同定义。PBUSH卡片中“K”,“B”和“GE”赋予的值为中心频率下的数值。例如，当整车在10~15Hz频率范围内有抖动问题，PBUSH卡片只需要在12Hz下赋予刚度和阻尼值即可，但如果在50Hz有轰鸣音问题，则必须赋予50Hz下的刚度和阻尼。另外，集中质量单元CONM2定义在BUSH单元的两端，每个CONM2单元赋予的治理应该为衬套总质量的一半。Frequencydependentisolatorsarethepreferredchoiceforallnon-hydraulicbushings.ThisconsistsofaCBUSH/PBUSH/PBUSHTsetofcards.NotethatbothaPBUSHandaPUBSHTcardarerequired.Thevalueforthe“K”,“B”,and“GE”fieldsofthePBUSHshouldbeatthecenterfrequencyofinterestforthemodel.So,iftheissuebeinginvestigatedisa10-15HzshakeproblemthePBUSHcardshouldhavethestiffnessanddampingvaluesfortheisolatorofabout12Hz.However,iftheissueisa50Hzboomproblem,thePBUSHcardshouldhavethenominalratesofabout50Hz.Again,aCONM2shouldbeplacedoneithersideoftheCBUSHcard.EachCONM2shouldhavehalfofthemassoftheisolator.液压衬套HydraulicBushings液压衬套的建模有两种方法，第一种方法就是简易建模法——使用与频率相关的PBUSH单元模拟；第二种方法就是使用5单元或者7单元模拟。假如悬置有安装调整这项工作，液压悬置应该使用5单元或者7单元建模。可以使用一些对测试数据进行曲线拟合的工具。Therearetwomethodstomodelahydraulicbushing.Thefirstmethodistosimplyuseafrequencydependentisolator.Thesecondmethodistousethe5-elementor7-elementmodel.Ifmounttuningworkwillbeconducted,thehydraulicbushingsshouldbemodeledwiththestandard5-elementor7-elementhydraulicbushingmodel.Toolsexisttocurvefitastandardmodelagainsttestdata.图15单元和7单元液压悬置建模Fig15Elementand7ElementHydraulicMountModels万向节建模UniversalJoints/CVJoints万向节需要特别小心的建模，因为错误问题常常在这个地方产生。图2中的公式被应用于万向节的建模。Universaljoints/CVjointsmustbemodeledcarefully.Thesejointshavebeenthecauseofmanymodelingproblemsinthepast.Belowistherecommendedequationformodelingthesejoints.Fig2万向节的建模技巧Figure2CVJointModelingTechnique球铰的建模BallJoints球铰的连接可以看成是由刚性连接和衬套连接组合而成。典型的球铰建模应该由约束123自由度的RBE2单元和赋值了456自由度刚度的CBUSH单元组成，CBUSH的阻尼值为1.28E6N-mm/rad，粘性阻尼为0.1N-mm-s/rad结构阻尼为0.9.Balljointsareacombinationofrigidjointsandisolatedjoints.AtypicalballjointshouldbebuiltwithanRBE2withDOF’s123only,andaCBUSHforDOF’s456withstiffnessesanddampingvaluesof1.28E6N-mm/rad,viscousdampingof.1N-mm-s/radandstructuraldampingof.9.轴承建模Bearings一个零长度的释放了一个自由度的RBE2单元是一种典型的轴承模拟方法。局部坐标系需要建立，其中坐标系的一个轴指向旋转的轴向。该轴向自由度一定不能是零长度RBE2单元释放的自由度。BearingsaretypicallymodeledwithazerolengthRBE2elementwithoneDOFfree.Alocalcoordinatesystemmustbeusedonbothsidesofthebearingwithoneaxispointeddirectlydowntheaxisofrotation.ThisistheDOFthatshouldbeexcludedfromtheRBE2element.同时，两个详细的部件需要使用轴承连接。这种类型的关节被用于模拟连接到转向节上的轮轴轴承，在建立的局部坐标系下，使用刚性单元连接两个一致性的网格节点，并且释放轴向方向的旋转自由度。Attimes,twodetailedmodelswillneedtobeconnectedusingabearing.Thistypeofjointwillbeusedtosimulateawheelbearingattachedtoaknuckle.Thisshouldbemodeledbytwocoincidentgridsdefinedaboutalocalcoordinatesystemandconnectedbyarigidlink(RBE2)freetorotateonlyaboutoneaxis.图3连接转向节的轮轴轴承Fig3Awheelbearingattachedtoaknuckle在图3的制动系统中，旋转接头的建模实际上包含在轮毂和轴承部分，而不是在转向节中。Themodelingoftherevolutejointinthisdetailedmodelisactuallycontainedinthehub/bearingportionofthisexample,notintheknucklemodel.旋转接头由两个RBE3和一个CBUSH单元定义。其中一个RBE3连接着非旋转的Hub的接触环的四周节点，另一个RBE3连接着转向节的接触环的四周节点。两个RBE3的中心节点是重合的，并且为全约束。TherevolutejointisrepresentedbytwoRBE3websandaCBUSHelement.OneRBE3webhasthegridpointsofthecircumferenceofthecontactannulusofthenon-rotatinghubconnectedtothecenterpointofthebearing.TheotherRBE3webissimilarlydefined,andhasthegridpointsofthecontactannulusoftherotatinghubconnectedtothecenterpointofthebearing.ThetwoRBE3centerpointsshouldbecoincident;withthesecenterpointstheindependentnodesoftheRBE3elements(DOF=1-6).TheRBE3pointsonthehubannulusshouldhaveDOF=1-3constrained.RBE3单元之间使用一个CBUSH单元连接，CBUSH的刚度赋值推荐如下：ACBUSHelementisusedtoconnecttheRBE3webs,withrecommendedvalues:Kx,Kz=1E+06N/mm（径向刚度radialstiffness)Ky=1E+05N/mm(轴向axialstiffness)Krx,Krz=1E+08N-mm/rad(coningstiffness)Kry=0N-mm/rad(旋转刚度rotationalstiffness;orsmallvalue:~10,maybeusedtorepresentgrease,etc).导轨/滑动连接Plunging/SlidingJoints导轨或者轴向移动的连接也是刚性单元RIGID和衬套组合去模拟。同样，连接关节的中心节点是重合的并且都使用局部坐标系统，其中坐标系中一个坐标轴指向滑动方向。一般情况下会使用RBE2单元但是要释放滑动方向的自由度，但在一些建模案例中，一个弹簧单元会被使用，并且在滑动方向赋值刚度和阻尼，但这个刚度值非常高（1E7），但也不尽然，最终赋值将通过实验来确定。Plungingandslidingjointsarealsocombinationsofrigidandisolatedjoints.Again,thegridsconnectingthisjointshouldbecoincidentandtheyshouldusealocalcoordinatesystemwithoneaxispointinginthedirectionofthesliding/plunging.Typically,aRBE2elementisusedwithallbuttheslidingDOFdefinedonit.Insomecases,aspringelement(CBUSHpreferably)isusedtoputstiffnessanddampingontheslidingaction.Typically,thisstiffnessisquitehigh(1.0E7),butthisshouldalwaysbecheckedandtunedagainsthardwaretests.铰链Hinges铰链的建模方法同滑动接头一样，不同点在于滑动接头释放的自由度是平移自由度，而铰链连接释放的是某一旋转自由度。Hingesaremodeledthesameasslidingjoints,excepttheDOFthatisleftfreeontheRBE2isarotationalDOFandnotatranslationalDOF.详细建模技巧DetailedModelingTechnique整车装配中各种连接关系几乎不会使用到详细建模方法。Theconnectorelementsofthesystemmodelarealmostnevermodeledindetail.超单元建模规范SuperElementModelingProcedure强烈建议超单元以详细部件的方式方法被创建。并且在极少情况下整个系统都被创建成一个超单元，除非运行时间被严格限制，在那种情况下，所有的详细建模部件被囊括进超单元并运行，相关的超单元的创建，可以参考相关的规范内容。Itisstronglyrecommendedthatsuperelementsbecreateofdetailedcomponents.Onlyinrarecircumstanceswhereruntimeisextremelycriticalisasuperelementofthewholesystemcreated.Inthatcase,allthedetailedcomponentsshouldbecollectedtogetherintoonesuperelementcreationrun.Then,tocreateasuperelement,followtherelatedprocedure.超单元的频率范围FrequencyRangeofSuperElement整个系统被创建成一个超单元非常少见。考虑到被施加的载荷，超单元的频率范围应该要非常小心的确定。一般来说，超单元的模态提取至少为关注频率的两倍。Creatingasuperelementofthefullsystem