制動嘯叫
關注創建者：匿名 創建時間：2022-03-21
制動嘯叫的實例教程
1 背景介紹
在汽車制動過程中剎車盤和剎車片之間的摩擦會引起剎車盤劇烈而持續的振動，從而導致噪音。目前針對制動嘯叫的主要理論有：摩擦特性理論、自鎖-滑動理論、模態耦合理論、統一理論等。
制動噪音大致可以分為以下三類：
1 低頻噪音：出現頻率往往在1000Hz以下，聲音較為低沉，多為“咯嚓”聲；
2 低頻尖響：制動過程中發生尖叫，多在1000~6000Hz之間；
3 高頻尖響：頻率一般為7000Hz以上，多表現為“嘰嘰”聲。
本案例通過ANSYS APDL模態分析中的復模態分析，確定結構中的不穩定模態，不穩定模態的出現說明制動盤系統非穩定，可能出現制動噪聲。如果系統阻尼比為正，則在制動過程中振動能量將被耗散，振幅越來越小，系統區域穩定，不產生制動噪聲；如果系統阻尼比為負，制動過程中振幅不斷增大，振動能量不耗散反而不斷增大，出現自激勵振動現象，系統非穩定，可能出現制動噪聲。
展開 APDL Showcase 1：制動器嘯叫分析（1）
ANSYS Workbench與APDL的計算結果不一致，我是怎么調試的
模態分析案例相關的理論基礎（1）
APDL Showcase1的理論基礎(2)——非對稱接觸
APDL Showcase1的理論基礎(3)——模態提取方法簡介
相關模型文件，都可以在ANSYS官網上下載到。下載方式見：
ANSYS APDL技術展示案例介紹
接下來，打算研究一下在Abaqus案例庫里看到的，也是一個剎車盤制動嘯叫案例。看看這個問題在Abaqus里是怎么做的。然后有可能繼續學習一下接觸對的磨損吧。
那么，下次見咯
展開 可以看到，在這個比較真實的剎車盤模型中，第7階模態就出現了實部非零且為正的不穩定嘯叫模態。嘯叫頻率約2kHz，比ANSYS的那個案例模型低很多。
后記：
我嘗試使用ANSYS Workbench重復出這個案例的計算結果，但是目前總是遇到各種奇怪的問題。唯一一次計算成功，預應力的阻尼模態分析求解結果和Abaqus提取出的自然頻率結果相當——等于說沒有提取出復特征頻率，就更沒發現嘯叫頻率了。
也有各種軟件不穩定的bug存在。總之，還是掌握不到位，道阻且長啊。
最后，學習多種有限元軟件的最終目的也不是非要二者都用，只是不希望思路和對有限元的理解被一種軟件束縛。
可以看出，由于Abaqus只有一個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插入命令那么麻煩。但是相應的Abaqus在自動搜索和定義接觸對等一些操作上也不如Workbench界面那么簡便。算是各有優劣。
展開 先插入一個吐槽，ANSYS這個經典界面（從Workbench出來以后它就改名叫Mechanical APDL），是ANSYS軟件夢開始的地方。它功能是真的強，但界面也是真的丑。差不多時期起步的那些軟件，包括ABAQUS，Hypermesh，甚至Office等，都沿用同一套GUI不斷更新，最近幾年除了達索ABAQUS以外基本都擁抱微軟的Ribbon界面了。就只有APDL，按說它還在更新功能，這界面應該也不是寫死在Fortran代碼里的啊，不知道為啥連個圖標都不給更新。還有各種麻煩，沒有撤銷鍵這種事老生常談就不多說了。
而且，APDL界面由于早期電腦顯示分辨率比較低，它的左側菜單就經常寫單詞的縮寫。比如剛才我們看到的Nodal Solu，這個Solution單詞似乎就是因為地方不夠 (?我猜的哦) 而拼成了縮寫。而且APDL的命令流，因為是Fortran那個時代過來的，真的是惜字如金，很多命令根本無法顧名思義猜到它是干啥的，必須得去查幫助文檔才行。
和APDL形成鮮明對比的則是Abaqus（對，較個真，ABAQUS被達索收購以后就把后面幾個字母改小寫了），它的幾乎每個GUI命令在后臺都對應著一條Python代碼，那代碼讀著簡直就像在讀英文。在面向對象的數據結構下，Abaqus的變量名和對象的方法名都寫的特別長，讓人幾乎是一眼就能知道每一行代碼是啥意思。——跑題了，這些吐槽以后有機會再細說。感興趣可以翻翻我前面寫的，有限元軟件的比較。
然后是文檔中的建模介紹。
剎車制動器的嘯叫聲，傳統上需要人工計算來自滑動摩擦中的不對稱項，然后使用MATRIX27單元輸入這些不對稱項。這太費勁了，好像還需要接觸對之間的網格匹配。所以ANSYS這個案例沒有這么做，而是使用了接觸單元。
展開 
制動嘯叫的最新內容
講完了APDL Showcase1的剎車盤制動嘯叫分析后，我在達索的SIMULIA User Assistance里搜索Brake squeal，也找到了非常類似的案例。在此一并分享出來供大家學習對比。
Abaqus的案例和ANSYS類似，也分為比較簡單的驗證案例和相對復雜的技術展示案例兩類。分別位于三個目錄下：
Abaqus/Benchmarks.
上一篇文章 制動器嘯叫分析(1) 只講了第一種方法，而且沒有寫出如何使用Workbench計算。這一次我們就把這個案例剩下的兩種方法以及Workbench的實現講完。
APDL Showcase講解相關文章鏈接見文末。
這個制動器在發生嘯叫的時候，剎車盤相對于剎車片是有相對滑動的。所以，在模態分析中要使用CMROTATE命令定義它們之間的相對滑動。
然后是網格劃分。這個模型是一個非常規則的旋轉體，可以畫出方方正正的映射網格。不過中間有螺栓孔的那部分可能是因為不重要吧，ANSYS官方在畫網格的時候估計也是放飛自我了。
材料參數就是線彈性的結構鋼，沒啥可說的。
目前針對制動嘯叫的主要理論有：摩擦特性理論、自鎖-滑動理論、模態耦合理論、統一理論等。
制動噪音大致可以分為以下三類：
1 低頻噪音：出現頻率往往在1000Hz以下，聲音較為低沉，多為“咯嚓”聲；
2 低頻尖響：制動過程中發生尖叫，多在1000~6000Hz之間；
3 高頻尖響：頻率一般為7000Hz以上，多表現為“嘰嘰”聲。
