臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在對衝擊試驗機主要組件之衝擊平台結構進行振動特性分析與設計，使能配合膠塊之形式與特性，發揮衝擊試驗機最大效能以達到衝擊試驗機在衝擊試驗規範的要求。首先發展平台之有限元素模型，並進行傳統實驗模態測試，分別針對自由邊界以及夾持狀態之平台進行模型驗證以得到足以代表實際結構之等效分析模型。當完成模型驗證即可對等效分析模型進行簡諧分析以求得頻率響應函數，並搭配快速傅立葉轉換與逆快速傅立葉轉換相關理念來求得平台頂面所產之衝擊波形，此時同樣佐以操作模態實驗，除探討平台靜態與操作狀態之動態行為差異，亦可作為分析預測之實驗驗證。最後則建立平坦度評估模式，以平坦度性能指標為依據，結合電腦輔助工程分析及田口方法導入虛擬測試之整合設計理念，進行平台測試面平坦度之分析預測及探討結構參數對測試面平坦度之影響。本文建立之分析及實驗技術，以及虛擬測試之整合設計理念，將可拓展應用到其他產品之設計開發，可縮短研發時程與成本，提升產品性能及品質。

This work aims to perform the dynamic analysis and design of the carriage that is a major component of free-fall shock testing machine. The well-designed carriage structure can thus fit the performance requirement of the shock testing machine and the standards for shock testing. First, the finite element model of the carriage is constructed and analyzed. A conventional modal testing is also performed on the carriage. Both free and fixed boundaries of the carriage are, respectively, studied to obtain their equivalent analytical models through model verification procedures. The equivalent mathematical model can then be applied to perform frequency response function prediction due to harmonic analysis. At the same time, the time domain shock pulse can be obtained from discrete Fourier transform and inverse discrete Fourier transform. Operational modal analysis (OMA) is also performed to verify the theoretical prediction. Dynamic properties of the carriage in static and operating condition are compared. Finally, the flatness evaluation for the carriage testing surface is conducted. The flatness performance index (PI) is established and used to discuss the effects of structural parameters on the carriage performance. The virtual testing (VT) by adopting CAE and Taguchi method is introduced to show the idea of the integrated design. The developed analytical and experimental techniques as well as the VT design concept can be extended to other component design and can reduce the cost of R&D to promote the product performance and quality.

目 錄
摘 要 I
Abstract II
誌 謝 IV
目 錄 V
表目錄 VII
圖目錄 VIII

第1章 緒論 1
1.1 研究動機與文獻回顧 1
1.2 全文概述 4
第2章 衝擊試驗機滑動平台之模型驗證 7
2.1 有限元素分析 7
2.2 實驗模態分析 10
2.3 結果與討論 10
2.3.1 頻率響應函數與關聯性函數探討 10
2.3.2 模態參數驗證 13
2.4 結論 22
第3章 夾持邊界下衝擊試驗機滑動平台之模型驗證 23
3.1 有限元素分析 23
3.2 實驗模態分析 25
3.2.1 夾持邊界實驗方法 25
3.2.2 操作模態分析實驗方法 25
3.3 結果與討論 28
3.3.1 夾持邊界之不同分析模型比較 28
3.3.2 模型驗證之結果與討論 31
3.3.2.1 頻率響應函數與關聯性函數探討 31
3.3.2.2 模態參數驗證 33
3.3.3 平台夾持邊界與OMA之動態特性比較 37
3.4 結論 38
第4章 理論分析衝擊平台時域加速度響應之說明與驗證 39
4.1 理論分析衝擊平台時域加速度響應之目的 39
4.2 OMA實驗求得平台衝擊響應方法 39
4.3 理論分析求得平台衝擊響應方法 41
4.4 結果與討論 46
4.5 結論 57
第5章 衝擊平台之性能評估與最佳化分析 58
5.1 平坦度評估模式 58
5.1.1 平坦度 58
5.1.2 平坦度性能指標 59
5.1.3 平台測試面平坦度評估區塊定義 61
5.2 結果與討論 64
5.3 平台結構參數對測試面平坦度的影響 69
5.3.1 實驗計畫 69
5.3.2 最佳化結果與討論 70
5.3.3 最佳化不同平台結構之平坦度性能指標討論 73
5.4 結論 78
第6章 結論與建議 80
6.1 結論 80
6.2 建議 81
參考文獻 82
作者簡介 86




表目錄
表1-1 本文架構 5
表2-1 衝擊試驗平台幾何參數與材料性質 8
表2-2 不同元素分割下自然頻率值收斂情況 8
表2-3 理論FEA分析與實驗之自然頻率值比對 15
表2-4 平台測試面的振型比對及MAC值 16
表2-5 實驗阻尼比及其修正值 21
表3-1 平台不同邊界模擬方式之比較 29
表3-2 平台EMA與FEA自然頻率比較 34
表3-3 平台EMA與OMA阻尼比與修正值比較 36
表3-4 夾持邊界EMA與OMA自然頻率比較 37
表4-1 平台靠近中心四點之時域加速度響應 51
表4-2 平台靠近邊緣四點之時域加速度響應 52
表5-1 測試面全面性能指標 65
表5-2 平台測試面45cm方塊性能指標 65
表5-3 平台測試面5個規劃點性能指標 66
表5-4 平台測試面25個區塊性能指標 67
表5-5 控制因子及其水準數 71
表5-6 實驗計畫與 直交表 71
表5-7 四個分析模型之S/N比 71
表5-8 各因子對S/N比的反應表 72
表5-9 不同平台結構之測試面全面性能指標 74
表5-10 不同平台結構之測試面45cm方塊性能指標 75
表5-11 不同平台結構之測試面5個規劃點性能指標 75
表5-12 不同平台結構之測試面25個區塊性能指標 76





圖目錄
圖2-1 平台幾何及有限元素模型 8
圖2-2 各模態之自然頻率值誤差百分比分佈 9
圖2-3 測試面量測規劃點示意圖 11
圖2-4 自由邊界模擬之實驗架設示意圖 11
圖2-5 平台頻率響應函數與關聯性函數 12
圖2-6 衝擊平台模型驗證流程圖 14
圖3-1 夾持邊界之不同模擬方式 24
圖3-2 平台量測點規劃 26
圖3-3 夾持邊界實驗架設圖 26
圖3-4 OMA實驗架設示意圖 27
圖3-5 平台8cm落下產生之半弦波 27
圖3-6 夾持邊界EMA頻率響應函數與關聯性函數 32
圖3-7 OMA所得頻率響應函數與關聯性函數 32
圖4-1 OMA實驗架設示意圖 40
圖4-2 OMA數學模型圖 40
圖4-3 典型半弦波定義 42
圖4-4 衝擊響應分析之目標波形 42
圖4-5 OMA實驗量測點規劃 42
圖4-6 理論分析衝擊響應流程圖 44
圖4-7 衝擊響應分析之目標波形 48
圖4-8 平台中心與邊緣之量測點分佈 50
圖4-9 半弦波時域響應區間 50
圖4-10 平台頂面各量測點之時域加速度響應及誤差圖形 54
圖4-111 OMA及理論分析加速度時域響應與標準波之誤差圖形 56
圖5-1 典型半弦波波型 59
圖5-2 平台測試面 示意圖 62
圖5-3 平坦度性能指標示意圖 62
圖5-4 平台測試面各區塊規劃 63
圖5-5 平台最佳化設計選用之結構參數 71
圖5-6 各因子對S/N比的反應圖 72
圖5-7 平台頂面與平台側面夾角示意圖 72

1.王栢村（2001），電腦輔助工程分析之實務與應用。全華科技圖書股份有限公司，台北市，第4-20-4-48頁。

2.王栢村（2002）實驗模態分析之實務與應用，12小時教育訓練教材，屏東。

3.王栢村、曹文昌（2002）應用有限元素分析與實驗模態分析之結構模型驗證。中華民國振動與噪音工程學會第十屆學術研討會論文集，台北，第131-138頁。

4.王栢村、陳志成（2004）振動試驗機垂直輔助平台之模型驗證。中國機械工程學會第二十一屆全國學術研討會論文集，高雄，論文編號：C0300666，第2423-2436頁。

5.王栢村、陳志成（2004）夾持邊界下垂直輔助平台之模型驗證。2004中國航太學會/中華民航學會聯合學術研討會，台中，論文編號：13-1。

6.王栢村、陳志成（2005）振動試驗機垂直輔助平台之性能評估。中國機械工程學會第二十二屆全國學術研討會論文集，桃園，論文編號：C3-026，第809-813頁。

7.李輝煌（2004）「田口方法」。高立圖書股份有限公司，台北縣，第1 -104頁。

8.林明儀（2002）電子連接器與線纜組測試分析概要。電子檢測與品管，第49期，第39-41頁。

9.楊長江（2001）以使用者的品質觀點談振動測試。電子檢測與品管季刊，第四十五期，第58-59頁。
10.Holopainen, T. P. (1995) Finite Element Free Vibration Analysis of Eccentrically Stiffened Plates. Computers and Structures 56: 993-1007.

11.Hemez, F. M., and S. W. Doebling (2001) Model Validation and Uncertainty Quantification. The 19th International Modal Analysis Conference, Florida, 1-6.

12.Hemez, F. M., S. W. Doebling, and M. C. Anderson (2004) A Brief Tutorial on Verification and Validation. Proceeding of the 22th International Modal Analysis Conference. Dearborn, Michigan, Paper No.s10p01.

13.IEST-DTE-RP-013, Shock and Vibration Fixturing, DRAFT, Institute of Environmental Sciences and Technology, 940E, Northwest Highway, Mount Prospect, IL 60056.

14.Irretier. H. (1999) Mathematical Foundations of Experimental Modal Analysis in Rotor Dynamics. Mechanical Systems and Signal Processing 13(2): 183-191.

15.Isaksson, A., H. O. Saldner, and N. E. Molin (1995) Influence of Enclosed Air on Vibration Modes of a Shell Structure. Journal of Sound and Vibration 187(3): 451-466.

16.Junhong, Z., and H. Jun (2006) CAE process to simulate and optimise engine noise and vibration. Mechanical Systems and Signal Processing 20: 1400-1409.

17.Karpel. M., and S. Ricct (1997) Experimental Modal Analysis of Large Structures by Substructuring. Mechanical Systems and Signal Processing 11(2): 245-256.

18.Kang, Y., G. J. Sheen, M. H. Tseng, and S. H. Tu, and H. W. Chiang (1998) Modal Analysis and Experiments for Engine Crankshafts. Journal of Sound and Vibration 214(3): 413-430.

19.KaragÜlle, H., and L. Malgaca (2004) Analysis of end point vibrations of a two-link manipulator by integrated CAD/CAE procedures. Finite Elements in Analysis and Design 40: 2049-2061.

20.Lee, S. H. (2005) A CAD–CAE integration approach using feature-based multi-resolution and multi-abstraction modelling techniques,” Computer-Aided Design 37: 941-955.

21.MIL-STD-883E, (1996) Test Method Standard Microcircuits, US Department of Defense.

22.MIL-STD-810F, (2000) Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests, US Department of Defense.

23.Mukherjee, A., and M. Mukhopadhyay (1988) Finite Element Free Vibration of Eccentrically Stiffened Plates. Computers and Structures 30: 1303-1317.

24.Ma, C. C., and C. H. Huang (2004) Experimental Whole-field Interferometry for Transverse Vibration of Plates. Journal of Sound and Vibration 271: 493-506.

25.Mahdavinejad, R. (2005) Finite Element Analysis of Machine and Workpiece Instability in Turning. International Journal of Machine Tools & Manufacture 45: 753-760.

26.Pavic, A., and P. Reynolds (2003) Modal Testing and Dynamic FE Model Correlation and Updating of a Prototype High-Strength Concrete Floor. Cement and Concrete Composites 25: 787-799.

27.Ren, W. X., and X. L. Peng, and Y. Q. Lin (2005) Experimental and Analytical Studies on Dynamic Characteristics of a Large Span Cable-Stayed Bridge. Engineering Structures 27: 535-548.

28.Sargent, R. G. (1998) Verification and Validation of Simulation Models. Winter Simulation Conference 121-130.

29.Singhal, R. K., W. Guan, and K. Williams (2002) Modal Analysis of a Thick-Walled Circular Cylinder. Mechanical Systems and Signal Processing 16(1): 141-153.

30.Thacker, B. H. (2005) ASME Standards Committee on Verification and Validation in Computational Solid Mechanics. Proceeding of the 23th International Modal Analysis Conference, Orlando, Florida, (s24): 4.

31.Yam, H. L., T. P. Leung, D. B. Li, K. Z. Xue (1996) Theoretical and Experimental Study of Modal Strain Analysis. Journal of Sound and Vibration, 191(2): 251-260.

32.Zong, Z. H., B. Jaishi, , J. P. Ge, and W. X. Ren (2005) Dynamic Analysis of a Half-Through Concrete-Filled Steel Tubular Arch Bridge. Engineering Structures, 27: 3-15.