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研究生:蔡宗儒
研究生(外文):TSAI,TSUNG-JU
論文名稱:張式與壓式力規之設計與分析
論文名稱(外文):On the Design and Analysis of Tensile and Compressive Load Cells
指導教授:劉勝安劉勝安引用關係
指導教授(外文):LIU,SHENG-AN
口試委員:劉勝安 陳照忠 李正隆
口試委員(外文):LIU,SHENG-AN CHEN,CHAO-CHUNG LI,ZHENG-LONG
口試日期:2010 11 26
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:機械與自動化工程學系
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:2010
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:力規有限元素分析最佳化應變計
外文關鍵詞:Load cellfinite element analysisoptimizationstrain gauges
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本研究針對張式與壓式力規設計與分析作一探討,分別是小範圍之力規,及中範圍之力規。
張式與壓式力規係利用電腦輔助工程分析體(Solidworks)作網格分割與最佳化分析。張式與壓式力規係利用感測彈性體在受力後產生變形,使得黏貼於感測彈性體上的應變計受張或受壓,藉由其電阻的變化透過所構成的電路,輸出一定的電壓,再反推力量之大小。設計過程中應用有限元素分析與最佳化設計對感測彈性體提供合理的分析程序,及採用全電橋迴路,可使輸出電壓較大,並可補償溫度效應。而設計兩種不同形式的感測彈性體並給予不同的額定施力,除了獲得各類型感測彈性體在其限制條件與容許應力下的最佳尺寸參數數值,可使材料達到輕量化,且可承受未達降伏之最大應力,並且明確指出應變計的最佳黏貼部位。

In this study, the designs and analysis of the tensile/compressive types of load cell for different rated ranges of load were performed. The sensing elements were first designed and modeled in Solidworks, and then subjected to finite element stress and strain analysis. In order to have maximum output sensitivity of the measurements, the design optimization precedures were further implemented. The appropriate locations were selected to have strain gauges attached to form a full Wheatstone bridge from which the load may be calculated.
目錄
封面內頁 
簽名頁 
授權書 .........................................................iii
中文摘要........................................................iv
Abstract.......................................................v
誌謝...........................................................vi
目錄...........................................................vii
圖目錄.........................................................ix
表目錄.........................................................xi
符號說明.......................................................xii

第一章 緒論
1.1前言..................................................1
  1.2壓力與拉力力規的種類....................................3
1.3研究方法與步驟.........................................5
1.4力規的基本特性.........................................6
  1.5文獻回顧..............................................9
1.6研究大綱..............................................10
第二章 壓力與拉力力規的基本原理  
   2.1壓力與拉力力規之感測原理................................12     
2.2力規的基本電路.........................................17
   2.3有限元素法概論.........................................24 
2.4感測彈性體之種類.......................................32
2.5感測彈性體最佳化方法概說................................39
第三章 感測彈性體之最佳化與分析
3.1 感測彈性體之研究動機..................................44
  3.2 張式與壓式力規原型設計與分析...........................44
3.2.1 矩形薄板型體壓(拉)力力規最佳化設計................45
3.2.2 圓板型體壓(拉)力力規最佳化設計...................56

第四章 結論與建議
4.1 結論................................................67
  4.2 建議................................................68
參考文獻.......................................................69

圖目錄

圖(1.4.1)電壓輸出對壓力之特性曲線.................................8
圖(2.1.1)金屬箔片應變計的各種圖案.................................14
圖(2.2.1)惠斯登電橋迴路..........................................17
圖(2.2.2)1/4電橋迴路............................................18
圖(2.2.3)1/2電橋迴路............................................18
圖(2.2.4)全電橋迴路.............................................19
圖(2.2.5)完整的應變計量測電路....................................22
圖(2.3.1)四面體元素圖...........................................27
圖(2.4.1)圓形平板受均勻壓(拉)力時之應變分佈曲線圖..................34
圖(2.4.2)圓形平板的應變計黏貼位置與電路配置圖......................34
圖(2.4.3)彈性環的應變計黏貼位置與電路配置圖........................36
圖(2.4.4)方形柱的應變計黏貼位置與電路配置圖........................37
圖(2.4.5)懸臂樑的應變計黏貼位置與電路配置圖........................38
圖(2.4.6)特殊形式之感測彈性體....................................39
圖(3.2.1)SOLIDWORKS軟體分析流程圖...............................45
圖(3.2.2)矩形薄板型體基本尺寸....................................46
圖(3.2.3)矩形薄板型體分割圖......................................47
圖(3.2.4)受壓之最佳化設計前之應力與應變分佈........................48
圖(3.2.5)受拉之最佳化設計前之應力與應變分佈........................49
圖(3.2.6)執行最佳化設計時目標函數的變動情形........................50


圖(3.2.7)執行最佳化設計時最大應力的變動情形........................51
圖(3.2.8)執行最佳化設計時設計變數t的變動情形.......................51
圖(3.2.9)受壓之最佳化設計後之應力與應變分佈........................53
圖(3.2.10)受拉之最佳化設計後之應力與應變分佈.......................54
圖(3.2.11)應變計黏貼部位與電路配置圖..............................55
圖(3.2.12)圓板型體基本尺寸.......................................57
圖(3.2.13)圓板型體分割圖.........................................57
圖(3.2.14)受壓之最佳化設計前之應力與應變分佈.......................58
圖(3.2.15)受拉之最佳化設計前之應力與應變分佈.......................59
圖(3.2.16)執行最佳化設計時目標函數的變動情形.......................61
圖(3.2.17)執行最佳化設計時最大應力的變動情形.......................61
圖(3.2.18)執行最佳化設計時設計變數t的變動情形......................62
圖(3.2.19)受壓之最佳化設計後之應力與應變分佈.......................64
圖(3.2.20)受拉之最佳化設計後之應力與應變分佈.......................65
圖(3.2.21)應變計黏貼部位與電路配置圖..............................66

表目錄

表(2.1.1)絕緣基材材質與接著劑的組合...............................15
表(2.1.2)多軸應變計之主應力與主應變相關公式........................16
表(2.2.1)惠斯頓電橋型式與理論輸出電壓.............................21
表(3.2.1)矩形薄板型體執行最佳化設計過程之計算值....................52
表(3.2.2)元素其應力與應變之計算值................................55
表(3.2.3)圓板型體執行最佳化設計過程之計算值.......................63
表(3.2.4)元素其應力與應變之計算值................................66

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