【汽车制动器的有限元模型的建立分析案例3900字】

汽车制动器的有限元模型的建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25481汽车制动器的有限元模型的建立分析案例 1159631.1有限元分析软件ABAQUS的介绍 1128991.2有限元分析的基本原理 1199101.3有限元模型建立的原则 2180121.4瞬态动力学分析 2104421.5制动器有限元模型的建立 3224341.5.1材料属性 4226881.5.2网格划分 4156841.5.3分析步的设置 6266081.5.4相互作用的设置 9286251.5.5约束及载荷的施加 11193091.5.6作业 13322711.5.7可视化 131.1有限元分析软件ABAQUS的介绍ABAQUS有限元软件是人们印象中是性能强悍的软件之一，它有着以下的模块：Abaqus/CAE、Abaqus/Aqua、Abaqus/Explicit、Abaqus/Design、Abaqus/CFD、Abaqus/Standard、Abaqus/Foundation等。它能够解决非线性有限元模型的疑难。能够让使用者在软件应用中借用之前的仿真模拟的成果，同时为了提高仿真分析的真实性，能让使用者的添加更加复杂模型的能力。使用者可以在Abaqus/CAE中如cad样建立三维实体模型、工作剖析、工作管理、查看模拟成果，在模型上划分网格，能够不损害工作步骤迅速完成转换。还可以在Abaqus/CAE模块中快捷的建立、转换更新、看管、判别、观看仿真模拟分析历程，其还会给予使用者定做后处理的权利，让使用者能够控制仿真模拟分析的成果。在Abaqus中能用以下模块：Abaqus/Standard、Abaqus/Aqua、Abaqus/Design、Abaqus/Foundation、Abaqus/Explicit、Abaqus/CFD来分别解决静态动力学与低速动力学、海洋工程结构领域问题、设计灵敏度分析(DSA)问题、线性静力学与线性动力学分析问题、模拟瞬态动力学为主的问题、计算分析流体动力学问题1.2有限元分析的基本原理有限元分析是运用数学极限的思维对现实几何系统与载荷工作情况来实行拟态。即用有限个且处于同一系统的单元来模拟具有无限单元的真实系统。复杂的问题会难以解答或解答过程繁琐，有限元将其分解为多个比较简单问题后再求解。有限元分析将复杂问题的值域看作由多个称为有限元的相连的值域的子集的集合，每一个都是简单问题的近似解，之后经过计算推导值域的满足条件来的得到复杂问题的值域。由于复杂问题被分解为简单问题，所以值域只是一个近似解。但有限元分析精度高，可以模拟每种形状，所以其成了工程上一种必要的分析方法。用abaqus进行有限元分析的方法一般为：第一步前处理阶段:按照问题的类型来定义模型分析方法。包括以下几个方面:(1)定义几何形状；(2)定义模型材料属性；(3)定义单元的材料属性；(4)定义模型的装配；(5)划分模型的网格；(6)定义模型的求解方法；(7)定义边界条件；(8)定义载荷；第二步分析计算阶段:计算分析前处理阶段所定义的模型，计算一般在计算机后台进行，仿真分析结果被保存在工作文件夹，便于后处理的调用。第三步后处理阶段:用来观看仿真分析成果，其可以用多种方法来呈现模拟仿真分析成果，包含但不限于变形图、动画、曲线。1.3有限元模型建立的原则有限元分析建立模型要遵循两个根本准则，第一要确认分析成果的精确度和把控有限元分析模型程度。创立有限元分析模型时要掌握疑难的特政、需求以及条件。确保分析成果精确度，在最大程度上去降低模型的规模，使其能够尽可能快且完美的结束计算分析。进行有限元分析是为了使用仿真模拟分析的成果来检验、改正求解过程。所以分析成果的精确度不足，偏差过大，有限元分析丧失了意义，会发生难以预料的结果。模型可以划分成网格状，其的大小程度就能够用网格的节点数和单元数来测量，对某一类相同的问题来说，网格中的节点和单元越多，模型规模程度就会越大。规模程度越大有限元分析的分析时间和工作量就会越大，精确度就会越小。所以确保分析成果精确度，在最大程度上去降低模型的规模。1.4瞬态动力学分析瞬态动力学分析法可以考虑到摩擦系统中大量的非线性因素，模拟系统由初始静止状态到稳定状态的非线性瞬态过程的时间响应，并在时域内计算系统的振动加速度、速度、位移、力等信号。由于摩擦噪声的瞬态特性,该方法在研究过程起着重大作用[14]。Nagy等发现制动器的振动噪声可以用瞬态动力学分析来研究，试验中Nagy等人全盘考虑了制动器零部件的非线性，试验成果显示摩擦块和制动盘的模态耦合对制动的稳定性有着无可比拟作用。瞬态动力学分析只解析某一时间的每个物理量，能解析构造在变动载荷的加载下响应的分析方法。瞬态动力学分析中加载随时间变换的载荷，能输出随时间变化量。瞬态动力学的运动方程为（3-1）式中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{ẍ}为节点加速度向量，{ẋ}为节点速度向量，{x}为节点位移向量。在任意给定时刻t，该方程可视为一系列考虑了惯性力（[M]{ẍ}）和阻尼力（[C]{ẋ}）的静力学平衡方程。瞬态动力学分析可以用模态叠加法，完全法和缩减法来解析问题。完全法是使用系统矩阵来分析瞬态动力学问题，没有缺失矩阵。完全适用所有的非线性问题，如大应变；完全法使用完整矩阵，不局限载荷类型的加载。但是其的分析开销最大。缩减法使用缩减矩阵来减小问题大小解决瞬态动力学问题。缩减法的规模比完全法的小，分析时间更短。然而其不能加载单元载荷，但其可以加载加速度。模态叠加法经过对模态分析输出的振型乘上因子，并求和来计算结构的响应。其分析的过程依赖于系统特征模态的子集和，选取的模态必须保证能够充分描述系统的动态响应特性，模态叠加法的解决问题的速度比缩减法的快、解析时间更短。瞬态动力学分析的应用可以分析接受载荷碰击的构造，像缓冲器以及悬架结构等；可以分析接受变换载荷的构造，像制动器、汽车和其它机械设备等；可以分析存在碰击和震荡的办公和生活设备，像手机、平板、洗衣机等；1.5制动器有限元模型的建立为了后期分析的简便，将UG做出的装配图做出了简化，将不参与分析的钳体，支架，活塞，定位销省去，只保留制动盘与摩擦块参与分析。将制动器实体模型导入到ABAQUS中，如图3-1。图3-1制动器有限元模型1.5.1材料属性本文制动盘采用了灰铸铁材料，摩擦块采用了石棉材料。他们的力学参数如下表所示（见表3-1）。表3-1制动器与摩擦块力学参数弹性模量E/MPa泊松比密度/（tonne/mm3）制动盘1200000.287e-9摩擦片4300.32.7e-91.5.2网格划分有限元模型在分析过程中是要划分网格。因为制动盘表面织构沟槽的原因，使得原本比较规则的模型变得难以划分标准的网格，所以在制动盘划分网格之前要先对制动盘拆分。同时为了提高摩擦块的网格质量，所以也要先对其进行拆分。拆分后选择自动为模型划分种子，划分种子尺寸控制都为4.2，其余为默认。划分网格的方法为自动网格划分。根据网格划分原则，网格类型选择六面体形式网格进行划分。制动盘、摩擦块进行网格划分后，节点数量分别为30780、1320个，总单元数量为26028、798个，具体示意图如下（见图3-2）。a)制动盘b）摩擦块c）制动器装配图图3-2制动器的网格模型1.5.3分析步的设置进入分析步模块后，为了创建历程输出需要先建立单元集set-1。之后建立分析步，接着要创建场输出和历程输出。单击工具-集，点击创建set-1，选择节点，之后在制动盘及摩擦块接触面选择合适的节点，见图3-3a。单击创建分析步sept-1选择动力显示，点击继续，之后基本信息中定义时间为0.005，质量缩放中设置半自动质量缩放，按系数缩放设为250，其余参数不改动。分析步sept-1与setp-2的参数除时间不一致外，其余都相同，时间设置为0.02。单击场输出管理器，选择sept-1，点击创建，输出变量选择S,TSHR,U,V,A；其余参数保持默认。单击历程输出管理器，选择sept-1，作用域定义为：集set-1；频率改为每x个时间单位，x设为1E-7。输出变量选择S,U,V,A；其余默认。设置如下图3-3。a）单元集set-1b）分析步总览c）分析步step-1信息d）分析步step-1质量缩放e）分析步step-2信息f）场输出g）历程输出图3-3分析步设置1.5.4相互作用的设置首先在相互作用模块中定义接触属性，具体参数见图3-4a。在制动器工作时摩擦块与制动盘是接触的，所以在ABAQUS中要为两者建立接触条件。操作步骤如下：接触的类型选择表面与表面接触，第一表面选择制动盘的一个面，第二表面选择与第一表面接触的摩擦块表面，力学约束公式化选择运动接触法。接触属性选择上一步所定义的接触属性。如图3-4b。之后将制动盘的一表面，与其圆心耦合。在制动盘中心定义一个参考点RP-1，创建约束，选择耦合的，选择参考点RP-1作为控制点，选择制动盘一表面为表面，完全约束其自由度，其余保持默认，如图3-4c。a)接触属性参数b）相互作用参数c)耦合参数图3-4相互作用设置1.5.5约束及载荷的施加为了约束制动器模型，需要给模型添加边界条件。为了控制载荷施加的时间，需要定义幅值Amp-1，Amp-2如图3-5a,3-5b。其中摩擦块只在Y轴方向上移动，制动盘只绕着Z轴转动。BC-1是摩擦块的边界条件，选择位移/转角，区域拾取其中一块摩擦块上的参考点RP-3，将U1、U3、UR1、UR2、UR3方向约束。BC-4除了区域是拾取参考的RP-4外，其余的设置与设置BC-1相同。BC-3是制动盘的边界条件，选择速度/角速度，区域拾取制动盘一表面中心的参考点RP-1，并将V1、V3、VR1、VR2、VR3方向约束,在VR2填写30，幅值选择Amp-2。如图3-6a，3-6b,3-6c。点击创建载荷，创建名称为load-1的载荷，选择分析步step-2，选择摩擦块的外表面，点击确定后分布选为一致，大小设为3，幅值选择Amp-1。再次创建名称为load-2的载荷，选择分析步step-2，选择另一摩擦块的外表面，点击确定后分布选为一致，大小设为3，幅值选择Amp-1。见图3-6d，3-6e。约束及载荷的施加效果图见3-6d。a)Amp-1b)Amp-2图3-5幅值的参数a)摩擦块边界条件设置1b)摩擦块边界条件设置2c)制动盘边界条件d）load-1e)load-1f）载荷及约束示意图图3-6载荷模块的设置1.5.6作业进入作业模块，打开作业管理器，创建名称为90-09的作业，为了使分析更加快速，点击并行使用4个处理器来进行分析。点击数据检查，检查无误后点击提交，开始分析。当作