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研究生:戴偉哲
研究生(外文):Wei-Che Tai
論文名稱:壘球棒之振動特性與性能評估
論文名稱(外文):Vibration Characteristics and Performance Evaluation of Softball Bats
指導教授:王栢村林鴻裕林鴻裕引用關係
指導教授(外文):Bor-Tsuen WangHong-Yuh Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:機械工程系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:有限元素分析實驗模態分析振動特性模態參數性能指標模型驗證
外文關鍵詞:CAEEMAperformance indexvirtual testing
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本研究的目的在於建立以振動特性為基礎之壘球棒性能指標之評估模式,並對現有之球棒進行設計驗證,首先以有限元素分析(finite element analysis, FEA)進行壘球棒之振動特性分析,得到理論模態參數與頻率響應函數,並進行壘球棒之實驗模態分析(experimental modal analysis, EMA),得到實驗模態參數,包括自然頻率、模態振型及阻尼比,之後結合FEA與EMA求得之模態參數進行模型驗證,以確認分析模型、方法之合理性與正確性。建立整合CAD/CAE/CAT之虛擬測試(virtual testing)技術於壘球棒之設計分析,未來將可應用所建立的標準分析作業流程於其他壘球棒之開發設計,可縮短研發時間與成本。最後建立以振動特性為基礎之壘球棒之性能指標之評估模式,可作為選擇球棒之評估方式與球棒設計變更的參考依據。本研究所建立之分析及虛擬測試技術之理念,將可提供於球棒產業之應用,以利於產業界及代工廠提昇自我競爭力及自行研發產品之需求。
This work aims to establish the evaluation model of softball bat performance index base on vibration characteristics. First, finite element analysis (FEA) is adopted to study the vibration properties of softball bats and obtain theoretical modal parameters and frequency resoponse function (FRFs). Experimental modal analysis (EMA) is also carried out to determine the modal parameters of softball bats, including natural frequency, mode shapes and damping ratios. Both FEA and EMA results are combined to perform modal verification so as to validate the analytical model for its correctness. This work integrates CAD/CAE/CAT for virtual testing technique applied to design analysis of softball bats. The developed analytical proceduce can be useful for R&D of softball bats to reduce the time and cost. Finally, the evaluation model on the softball bat’s performance base on vibration characteristics is developed and can be used for design modification. Two work establishes the analysis and virtual testing technique applied to softball bats and will be beneficial to industry and OEM factories to promote their competitiveness and suit the needs in the innovation of new products.
目 錄
摘 要..................................................I
Abstract.............................................III
謝 誌..................................................Ⅳ
目 錄..................................................Ⅴ
表 目 錄.............................................VIII
圖 目 錄...............................................IX
第1章 緒論..............................................1
1.1 研究動機............................................1
1.2 文獻回顧............................................2
1.3 全文概述............................................6
第2章 不同材質壘球棒於自由邊界下之模型驗證.................10
2.1 研究方法與步驟......................................11
2.2 有限元素分析........................................13
2.3 實驗模態分析........................................14
2.3.1 量測點數規劃......................................15
2.3.2 實驗儀器架構與進行步驟.............................16
2.4 結果與討論..........................................17
2.4.1 有限元素分析......................................17
2.4.2 實驗模態分析......................................20
2.4.3 模態參數驗證......................................22
2.4.3.1 頻率響應函數與關聯性函數之探討....................22
2.4.3.2 自然頻率之驗證..................................24
2.4.3.3 模態振型之驗證..................................24
2.4.3.4 阻尼比之驗證....................................29
2.5 結論...............................................30
第3章 不同材質壘球棒於固定邊界下之模型驗證..................31
3.1研究方法與步驟.......................................32
3.2有限元素分析.........................................33
3.3實驗模態分析.........................................35
3.3.1量測點數規劃.......................................36
3.3.2實驗儀器架構與進行步驟..............................38
3.4結果與討論..........................................39
3.4.1有限元素分析.......................................39
3.4.2實驗模態分析.......................................43
3.4.3模態參數驗證.......................................46
3.4.3.1 頻率響應函數與關聯性函數之探討....................46
3.4.3.2 自然頻率之驗證..................................49
3.4.3.3 模態振型之驗證..................................49
3.4.3.4 阻尼比之驗證....................................59
3.4.4不同材質壘球棒不同邊界模態特性之探討..................61
3.4.4.1自然頻率........................................61
3.4.4.2模態振型........................................61
3.4.4.3 阻尼比之驗證....................................62
3.5結論................................................66
第4章 球棒性能指標探討...................................67
4.1研究方法與步驟.......................................68
4.2球棒性能指標定義.....................................68
4.2.1 打擊處性能指標....................................68
4.2.2 握把處性能指標....................................69
4.3 結果與討論.........................................71
4.3.1 模態振型累加之打擊處性能指標.......................71
4.3.1.1 模態振型累加至5000Hz...........................71
4.3.1.2 模態振型累加至2000Hz...........................74
4.3.2 模態振型累加之握把處性能指標.......................83
4.3.3 振型及節點位置之探討..............................87
4.4 結論..............................................91
第5章 結論與未來建議....................................92
5.1 結論..............................................92
5.2 未來建議...........................................93
參考文獻...............................................94
附錄A 不同材質壘球棒自由邊界模態振型比對總表...............97
附錄B 不同材質壘球棒固定邊界模態振型比對總表..............103
附錄C 不同材質壘球棒手握邊界模態振型比對總表..............109
附錄D 不同邊界之理論模態振型累加打擊處性能指標............115
附錄E 不同邊界之實驗模態振型累加打擊處性能指標............115
作者簡介..............................................119

表 目 錄
表1-1 整體研究方法與步驟................................7
表2-1 壘球棒之材料與幾何性質............................12
表2-2 實驗架構所使用之儀器型號..........................14
表2-3 有限元素分析之不同材質壘球棒自然頻率總表............19
表2-4 實驗模態分析之不同材質壘球棒自然頻率總表............21
表2-5 理論與實驗分析之不同材質壘球棒自然頻率總表..........25
表2-6 三種不同材質壘球棒之理論與實驗模態振型驗證表........27
表2-7 不同材質壘球棒阻尼比經累加平均後之比較總表..........29
表3-1 有限元素分析之不同材質壘球棒自然頻率總表............41
表3-2 實驗模態分析之不同材質壘球棒自然頻率總表............45
表3-3 理論與實驗分析之不同材質壘球棒自然頻率總表..........51
表3-4 三種不同材質壘球棒之理論與實驗模態振型驗證表........55
表3-5 三種不同材質壘球棒之理論與實驗模態振型驗證表........57
表3-6 不同材質壘球棒阻尼比經累加平均後之比較總表..........60
表3-7 不同邊界之不同材質壘球棒自然頻率總表...............63
表3-8 不同邊界之不同材質壘球棒阻尼比總表.................65
表4-1 不同邊界之理論與實驗模態振型累加打擊處性能指標比對表.73
表4-2 理論之模態振型累加之打擊處性能指標.................76
表4-3 實驗之模態振型累加之打擊處性能指標.................79
表4-4 實驗之模態振型累加之打擊處性能指標總表..............82
表4-5 理論之模態振型累加之握把處性能指標.................84
表4-6 實驗之模態振型累加之握把處性能指標.................85
表4-7 實驗之模態振型累加之握把處性能指標總表..............86
表A 不同材質壘球棒之理論與實驗模態振型驗證表.............97
表B 不同材質壘球棒之理論與實驗模態振型驗證表............103
表C 不同材質壘球棒之理論與實驗模態振型驗證表............109
表D 不同邊界之理論模態振型累加打擊處性能指標............115
表E 不同邊界之實驗模態振型累加打擊處性能指標............115

圖 目 錄
圖2-1 選用球棒之實際圖.................................11
圖2-2 模型驗證流程圖...................................12
圖2-3 理念有限元素模型示意圖............................13
圖2-4 實驗模態分析儀器架構示意圖.........................14
圖2-5 木棒之量測示意圖.................................15
圖2-6 鋁棒及合成棒之量測示意圖..........................16
圖2-7 理論分析之模態振型...............................18
圖2-8 實驗模態分析之模態振型............................20
圖2-9 木棒之頻率響應函數與關聯性函數圖...................22
圖2-10 鋁棒之頻率響應函數與關聯性函數圖...................23
圖2-11 合成棒之頻率響應函數與關聯性函數圖.................23
圖3-1 固定邊界及手握邊界示意圖..........................32
圖3-2 理念有限元素模型示意圖............................34
圖3-3 實驗模態分析儀器架構示意圖........................35
圖3-4 木棒之量測示意圖.................................36
圖3-5 鋁棒及合成棒之量測示意圖..........................37
圖3-6 木棒、鋁棒及合成棒之量測示意圖.....................38
圖3-7 固定邊界理論分析之模態振型........................40
圖3-8 手握邊界理論分析之模態振型........................40
圖3-9 固定邊界實驗模態分析之模態振型.....................44
圖3-10 手握邊界實驗模態分析之模態振型.....................44
圖3-11 固定邊界木棒之頻率響應函數與關聯性函數圖............46
圖3-12 固定邊界鋁棒之頻率響應函數與關聯性函數圖............47
圖3-13 固定邊界合成棒之頻率響應函數與關聯性函數圖..........47
圖3-14 手握邊界木棒之頻率響應函數與關聯性函數圖............48
圖3-15 手握邊界鋁棒之頻率響應函數與關聯性函數圖............48
圖3-16 手握邊界合成棒之頻率響應函數與關聯性函數圖..........49
圖4-1 球棒構造示意圖...................................68
圖4-2 打擊處性能指標示意圖.............................70
圖4-3 握把處性能指標示意圖.............................70
圖4-4 木棒於自由及手握邊界之振型圖及模態振型累加圖........89
圖4-5 鋁棒於自由及手握邊界之振型圖及模態振型累加圖........89
圖4-6 合成棒於自由及手握邊界之振型圖及模態振型累加圖......90
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