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研究生:謝文隆
研究生(外文):Wen-long Hsieh
論文名稱:複合材料高爾夫球桿頭之設計與擊球效果分析
論文名稱(外文):Design and Impact Effect Analysis of CFRP Golf Head
指導教授:吳學鑑
指導教授(外文):Wu,Shyue-Jian
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:機械與機電工程學系研究所
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:98
中文關鍵詞:高爾夫球有限元素
外文關鍵詞:golfANSYSCFRP
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中文摘要
目前高爾夫球桿頭朝著材料輕量化的設計以增加桿頭的體積及打擊甜蜜點的範圍。隨著新材料的進步與應用,高爾夫球頭的材質使用也變得更加的多元化。如今我們試著利用複合材料高比強度的特性,在不失去結構強度的前題下,設計出擊球能力佳及甜蜜點大之桿頭,藉此來提升擊球時能量傳遞及擊球穩定性。本文利用是CAD軟體之優越的模型建構及分析能力,並配合LS-DYNA有限元素求解器來分析高爾夫球桿頭的碰撞問題。在分析過程中,高爾夫球桿頭打擊面上使用了CFRP及Ti二種不同的材料,藉由桿頭厚度的調整,來探討以CFRP為打擊面時之桿頭幾何、打擊效應、應力大小等物理特性的變化。
由碰撞模擬結果可知在相同的打擊面厚度下,以CFRP為打擊面之桿頭在打擊球後,使球帶有向前及向上的速度值會比打擊面為Ti之桿頭時好。當CFRP打擊面厚度為2.4mm~2.6mm時,在打擊初速為45m/s下,打擊後球的速度約可達到68.4~67.8m/s,球的後旋量約2860~2570rpm,此為球飛行時之理想值。甜蜜區在打擊面的垂直方向為-30至25 mm,水平方向為-15至25 mm之間,在相同球速的基礎下,甜蜜區大小比相同厚度之Ti打擊面寛。此時打擊面的最大應力約為800~721MPa,於材料破壞的臨界範圍內,故打擊面厚度值於2.4mm~2.6mm之間為在打擊初速為45m/s下之最佳打擊面厚度。另外在打擊初速為55m/s時,CFRP打擊面最佳的厚度為2.6mm~2.8mm,在打擊初速為35m/s時,CFRP打擊面最佳的厚度則為2.2mm~2.4mm之間。
Abstract
With the innovation of materials, many producers verify their golf heads. To improve the energy transmission and to keep stability while batting, the researcher tried to design golf head with a composite material and enlarge sweet spot zone. In addition, the researcher utilized the CAD software to construct and analyze data. He also applied the finite element of LS-DYNA software to simulate the impact question of a golf club head. Let’s understand the change of geometry, impact effects and stresses of golf head by modifying the thickness of head.
From the result of simulation, the CFRP impact face of a golf head has better velocity of a golf ball after impact than the Ti impact face. When the CFRP thickness of an impact face is 2.4~ 2.6 mm and the initial velocity is 45 m/s, the speed of the ball is 68.4~67.8 m/s and the angular velocity is about 2860~2570 rpm after impact. In a vertical direction, the zone of sweet spot is about –30~25mm distance from the center of golf head face, in horizontal direction about -15~25mm. In the same basis of ball speed, when the face of golf head is CFRP, the zone of sweet spot will be wider than the Ti face. When the impact velocity is 55 m/s, the thickness of face about 2.6~ 2.8 mm is better, in 35 m/s, the thickness of face about 2.2~ 2.4mm is also better.
目錄
中文摘要 i
英文摘要 iii
目錄 v
表目錄 ix
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究動機 5
1-4 使用軟體簡介 6
1-5 高爾夫球桿頭介紹 9
1-5-1高爾夫球桿頭外部名稱 9
1-5-2 高爾夫球桿之幾何名詞及其功能性說明 10
1-5-3 高爾夫球桿頭細部規格 13
1-5-4 高爾夫球飛行時受力狀況 16
1-6 複合材料簡介 17
1-6-1複合材料的組成 17
1-6-2複合材料的分類 17
第二章 理論基礎 19
2-1 前言 19
2-2 理論基礎 19
2-2-1控制方程式(Governing Equation) 19
2-2-2中央差分法(Central difference method) 24
2-2-3時間步驟間隔(Time step control) 25
第三章 有限元素模型建立及分析流程 27
3-1 前言 27
3-2 基本假設 27
3-3 桿頭規格設定 28
3-4 材料設定 29
3-5 ANSYS中之參數設定 31
3-5-1網格元素 31
3-5-2 座標設定 33
3-5-3 碰撞參數設定 34
3-6 分析碰撞步驟說明 34
第四章 結果與討論 37
4-1 前言 37
4-2 桿頭幾何分析 38
4-2-1 桿頭幾何資料 38
4-2-2 桿頭幾何變化分析 40
4-2-2-1打擊面改變對重心位置之影響 40
4-2-2-2 打擊面改變對慣性矩(MOI)之影響 44
4-3 桿頭碰撞動態分析 48
4-3-1 碰撞之結果數據 48
4-3-2 桿頭打撃效果分析 50
4-3-2-1 撞擊後速度分析 50
4-3-2-2 碰撞後球的旋轉量分析 54
4-3-2-3 桿頭打撃面厚度變化與應力之關係 56
4-4 偏移碰撞 57
4-4-1 前言 57
4-4-2 結果數據 60
4-4-3 結果分析 64
4-5 不同出速下之效應 70
4-5-1前言 70
4-5-2打擊數據 70
4-5-3 結果分析 72
4-5-3 特定速度下桿頭之最大應力變化 74
第五章 結論 77
參考文獻 79
附錄 82
參考文獻
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