臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要的目的，是以結構最佳化方法改善某一機型之立式龍門銑床的門橋及臥式車床底座的靜、動態剛性，希望藉由這些範例改善之過程和結果，將其應用到其他類似之工具機上
本文的改善方式是保持原設計的主體結構只針對原設計的補強肋條進行重新設計，設計方法是使用拓樸最佳化及尺寸最佳化進行肋條重新設計，求取在肋條重量相近於原始設計之肋條重量前提下，減少結構順從度及增加自然振動頻率。使用拓樸最佳化時是將結構以拓樸最佳化(Topology Optimization)，因此能得到材料最佳分佈；使用尺寸最佳化 (Sizing Optimization)時，是將模擬為補強肋條的板元素逐步刪減，求得具有補強效益的肋條分佈，再將之皆設為相同或不同厚度的肋條求解，因此可得到兩種不同的設計。
結果顯示這兩種方法都能有效增強靜、動態剛性，其中又以拓樸最佳化結果是最有效率的改善方式，若能進行重新設計的空間越多，將越能有效改善動態剛性。

This thesis aims for improving the static and dynamic stiffness of the bridge structure of a milling machine and the base structure of a lathe by using methods of structural optimization. The approach and results of this research may be applied to other similar types of machine tools.

The way to improve the original design is through redesigning the reinforced ribs of the structures while the main structures remain unchanged. The method be used are the Topology optimization and the Sizing optimization. The objective is to minimize the structural compliance and maximize the fundamental natural frequency. A constraint is imposed to limit the weight of ribs to be less than that of the original ribs. For Topology optimization approach, we can obtain the optimum reinforced ribs of outline of the redesign substructure. For Sizing optimization approach, a sequential elimination process is used to determine the optimum distribution of ribs first. A final Sizing optimization is executed to final the optimum thickness of ribs. Two different results can be obtained by designating same or different thickness of ribs.

Based on the outcomes, both approaches can improve the structure stiffness. But Topology optimization produces better results. And we fund that the larger the design space, the better the improvement can be observed.

目錄
誌謝
中文摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 vii
表目錄 xiii
符號說明 xiv
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 4
1.3 研究目的與內容 7
第二章 研究方法與理論 10
2.1 最佳化目標 10
2.1.1 順從度最小化 11
2.1.2 自然振動頻率最大化 12
2.2 拓樸最佳化 14
2.2.1 拓樸最佳化簡介 14
2.2.2 拓樸最佳化之目標函數與限制條件 17
2.2.3 材料的機械性質與設計變數 19
2.3 尺寸最佳化 22
2.3.1 尺寸最佳化簡介 22
2.3.2 尺寸最佳化之目標函數與限制條件 23
第三章 設計分析之有限元素軟體介紹 25
3.1 MSC/NASTRAN之應用 25
3.1.1 MSC/NASTRAN簡介 25
3.1.2 輸入檔案格式 27
3.1.3 結果輸出 32
3.2 MSC/PATRAN前後處理軟體 33
3.2.1 前處理方式與介紹 34
3.2.2 後處理方式與介紹 40
第四章 實例分析與討論 43
4.1 肋條最佳化設計考量 44
4.1.1 原始設計結構 45
4.1.2 設計空間選定 53
4.1.3 負載與邊界條件的模擬施加 60
4.2 拓樸最佳化 67
4.2.1 銑床立柱肋條拓樸最佳化 68
4.2.2 銑床橫樑肋條拓樸最佳化 77
4.2.3 車床底座肋條拓樸最佳化 81
4.3 尺寸最佳化 89
4.3.1 銑床立柱肋條尺寸最佳化 90
4.3.2 銑床橫樑肋條尺寸最佳化 99
4.4 雙目標最佳化 106
4.4.1 立柱、橫樑、底座雙目標拓樸最佳化 109
4.4.2 立柱、橫樑雙目標尺寸最佳化 121
第五章 結果討論 129
5.1 龍門銑床立柱最佳化結果比較 130
5.1.1 立柱最佳化結果比較 130
5.1.2 方形立柱拓樸最佳化結果比較 135
5.2 龍門銑床橫樑最佳化結果比較 141
5.2.1 龍門銑床橫樑最佳化結果比較 141
5.2.2 橫樑主軸頭於不同位置之分析 146
5.3 臥式車床底座拓樸最佳化結果比較 153
5.3.1 臥室車床底座拓樸最佳化結果比較 153
5.3.2 車床底座刀塔於不同位置分析 157
5.4 雙目標最佳化之結果比較 162
第六章 結論與展望 176
6.1 結論 176
6.2 未來研究方向與建議 178
參考文獻 180

參考文獻

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