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研究生:陳昱成
研究生(外文):YU-CHENG CHEN
論文名稱:自行車模型驗證與響應預測
論文名稱(外文):Model Verification and Response Prediction of Bicycle
指導教授:王栢村
指導教授(外文):Bor-Tsuen Wang
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:有限元素分析實驗模態分析模型驗證響應預測歐盟EN14764規範
外文關鍵詞:Finite Element Analysis(FEA)Experimental Modal Analysis (EMA)Model VerificationResponse PredictionEN 14764 standard
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目前各自行車製造廠也逐漸將電腦輔助工程分析(Computer Aided Engineering, CAE)技術導入設計開發流程,為能提昇競爭,使開發時程亦持續縮短,便能在短時間完成複雜的設計工作,故本文主要針對一部城市車進行有限元素分析和實驗模態分析建立一系統化之自行車設計分析開發流程。本研究首先利用自行車結構組合層次堆疊概念之模型驗證進行理論有限元素分析,求得理論之模態參數,並以實驗模態分析方法求得實際結構之頻率響應函數,經由曲線嵌合軟體得到實際結構之模態參數,包括自然頻率、模態振型及阻尼比,藉此驗證後模型進行響應預測分析;參考歐盟EN14764城市與旅行自行車試驗規範之垂直力衝擊試驗試驗,透過預測結果判斷車架與前叉組合結構受力後變形量與應力強度是否符合規範;以及探討自行車行駛於半正弦波凸起路面之暫態響應分析,瞭解不同速度下座位和輪胎位移響應以及車架結構位移量與應力變化。進而來提高整車之安全性,並建立整合CAD/CAE/CAT之虛擬測試(virtual testing)技術於自行車設計開發分析與試驗,藉由此一系統化技術流程,能有助於提升國內自行車產業在製造技術與創新設計之能力。
Computer aided engineering (CAE) technique has been adapted to product design for increasing industry competitive ability and reducing development efforts. This work integrates both finite element analysis (FEA) and experimental modal analysis (EMA) techniques to perform model verification of bicycle components for product design analysis. The step-by-step model verification of the frame, front fork, and the frame and front fork assembly for the substructures of bicycle is conducted. The FEA is first performed to obtain natural frequencies and mode shapes of the bicycle. The EMA is then carried out for the bicycle to determine structural natural frequencies, modal damping ratios and mode shapes. By the comparison of modal parameters obtained from FEA and EMA, the structural material constants can be updated to get the equivalent FE modal via modal verification process. The EN14764 standard for the vertical impact test of city trekking bicycles is considered. The validated FE model of the frame and front fork assembly structure can then be applied to predict the structural deformation and stress distributions. The transient response analysis of the bicycle running on the half-sine bump is also presented to determine the seat and tire displacement response as well as the frame structural stresses for different bicycle speeds. The integrated CAD/CAE/CAT for virtual testing technique is applied to bicycle components and product design analysis. This work establishes the procedure for design modification, especially for the pre-study of structural model verification and response prediction. The developed methodology can be useful for bicycle industry in manufacturing technology and innovative design analysis.
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 1
1.2文獻回顧 2
1.3全文概述 5
第2章車架與前叉組合件之模型驗證與衝擊試驗響應預測 8
2.1模型驗證與響應預測 8
2.2車架含前叉之模型驗證 9
2.2.1有限元素分析 9
2.2.2實驗模態分析 11
2.2.3結果與討論 12
2.3車架含前叉之響應預測 22
2.3.1試驗與分析模型 22
2.3.2模擬分析結果與討論 25
2.4本章結論 27
第3章自行車行駛於凸起路面模擬分析 28
3.1薄樑模型驗證 28
3.1.1 模型驗證 28
3.1.2有限元素模型 30
3.1.3結果與討論 31
3.2自行車行駛於凸起路面之暫態響應分析 37
3.2.1半正弦凸起路面 37
3.2.2有限元素模型行駛於半正弦波凸起路面 39
3.2.3暫態響應之結果與討論 40

3.3 本章結論 48
第4章自行車之次結構與整車組合結構之模型驗證 49
4.1數學模型化 50
4.2有限元素模型 52
4.3實驗模態分析 54
4.4結果與討論 55
4.5本章結論 77
第5章 結論與未來建議 78
5.1結論 78
5.2未來建議 79
參考文獻 80
作者簡介 82



表目錄
表1-1、本論文整體架構 6
表2-1、FEA與EMA自然頻率誤差百分比與模態振型保證指標及實驗阻尼比 16
表2-2、車架之FEA與EMA模態振型比較對照表 17
表2-3、車架與前叉之FEA與EMA模態振型比較對照表 20
表2-4、三角衝擊力接觸時間對應之外力大小 25
表2-5、模擬EN14764垂直力衝擊試驗之數據總表 25
表3-1、立體與薄樑之模型自然頻率誤差百分比與模態振型保證指標 33
表3-2、立體與薄樑之模型模態振型比較對照表 34
表3-3、不同速度行駛於凸起路面之狀況條件 40
表3-4、自行車各部位於車速20公里位移量之收斂性總表 41
表3-5、自行車各部位於不同時速之位移變化 42
表3-6、自行車各部位於不同車速之位移量總表 44
表3-7、自行車架各部位之最大應力情況 45
表3-8、自行車架各部位於不同速度之最大應力總表 47
表4-1、原車架與含各零組件理論分析之自然頻率誤差百分比及模態振型保證指標 60
表4-2、車架含各零組件之實驗與理論分析之自然頻率誤差百分比 70
表4-3、整車FEA與EMA之自然頻率誤差百分比與模態振型保證指標及實驗阻尼比 74
表4-4、整車FEA與EMA之模態振型比較對照表 74



圖目錄
圖2-1、模型驗證流程圖 8
圖2-2、設計變更流程圖 9
圖2-3、實體結構圖 10
圖2-4、有限元素模型 10
圖2-5、實驗儀器架構圖 11
圖2-6、車架、前叉、車架與前叉之分割及編號情形 12
圖2-7、實驗與理論頻率響應函數之同點比較 14
圖2-8、實驗與理論頻率響應函數之不同點比較 15
圖2-9、垂直力衝擊試驗規範 24
圖2-10、數學模型圖 24
圖2-11、衝擊力三角波形示意圖 24
圖2-12、垂直力衝擊試驗之有限元素模型 24
圖2-13、垂直力衝擊試驗分析之位移圖 26
圖2-14、彎曲試驗分析之應力分部圖 26
圖3-1、自行車實際結構示意圖 29
圖3-2、車架含前叉數學模型 30
圖3-3、車架含前叉有限元素模型 31
圖3-4、立體與薄樑之模型頻率響應函數比較 33
圖3-5、橡膠減速墊引用[16] 37
圖3-6、半正弦波凸起路面數學模型 39
圖3-7、行駛於凸起路面狀況示意圖 39
圖3-8、前、後輪胎之位移輸入時間域示意圖V=5(km/hr) 41
圖4-1、次結構與組合結構之分析流程圖 49
圖4-2、整車數學模型化示意圖 51
圖4-3、整車有限元素模型示意圖 53
圖4-4、整車實驗架構示意圖 54
圖4-5、整車實驗分割及編號情形 55
圖4-6、原車架與含各零組件之實驗頻率響應函數比較 57
圖4-7、原車架與含各零組件之實驗與理論之頻率響應函數比較 64
圖4-8、整車實驗與理論之頻率響應函數比較 73



參考文獻
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18. 王栢村,劉旭峯,邱黃正凱,2008,「車輛行駛於不同路面狀況之底盤負載條件預測」,2008中華民國第十三屆車輛工程學術研討,台北,論文編號:F_011。
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22. EN 14766, 2005, Mountain Bicycles – Safety Requirements and Test Methods, European Committee for Standardization.
23. EN 14781, 2005, Racing Bicycles – Safety Requirements and Test Methods, European Committee for Standardization.
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25. 王栢村,謝宗廷,曾國睿,2010,「自行車前叉之模型驗證與彎曲試驗模擬分析」,2010中華民國第十五屆車輛工程學術研討,台灣台南,論文編號:I-009。






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