臺灣博碩士論文加值系統

磨床工具機之結構設計必須達到剛度高、穩定性高以及振動低的標準，因此解決機台結構問題是必要性的。本論文利用CAE軟體ABAQUS，進行磨床工具機之結構剛度以及模態特性的有限元素分析，並且以模態實驗做為分析驗證比較。
本論文使用結構最佳化設計軟體TOSCA進行磨床結構的拓樸優化設計，最後經由分析得到優化結果：整機結構重量由5.14 tonne下降至4.63 tonne，下降9.92%；應力由0.759Mpa下降至0.237Mpa，下降68.77%；位移量由1.3μm下降至0.936μm，下降28%；剛性由153.85 MNm-1提升至213.68 MNm-1，提升39%；模態頻率提升16~34%。由比對結果可以判斷磨床機結構經由本研究達到輕量化以及降低應力之目標，並可將結果提供差異參考使用。

Grinding machine tool structural design should meet the standards of high rigidity, high stability and low vibration. Thus, it is necessary to solve the machine structural problem. This paper used the CAE software ABAQUS to conduct the finite element analysis of the grinding machine tool, structural rigidity and modal properties with modal experiments as the auxiliary of modal property analysis.
Then, the structural optimization design software TOSCA was employed in the grinder structural topology optimization design. Finally, the results before and after optimization were analyzed and evaluated. The weight of the structure fell from 5.14 ton to 4.63 ton, reducing by 9.92%; the stress fell from 0.759Mpa to 0.237Mpa, reducing by 68.77%; the displacement fell from 1.3μm to 0.936μm, reducing by 28%; rigidity increased from 153.85 MNm-1 to 213.68 MNm-1 by 39%; the modal frequency increased by 16~34%. The comparison results suggested that the proposed method can reduce the weight of the grinder structure and stress. The results can serve as a reference in the research of natural frequency.

中文摘要 …………………………………………………………… i
Abstract …………………………………………………………… ii
誌謝 …………………………………………………………… iii
目錄 …………………………………………………………… iv
表目錄 …………………………………………………………… vi
圖目錄 …………………………………………………………… vii
第一章 緒論……………………………………………………… 1
1.1 前言……………………………………………………… 1
1.2 研究動機與目的………………………………………… 2
1.3 文獻回顧………………………………………………… 4
1.4 研究方法………………………………………………… 7
1.5 論文架構………………………………………………… 8
第二章 理論基礎………………………………………………… 9
2.1 有限元素法……………………………………………… 9
2.1.1 有限元素分析軟體ABAQUS …………………………… 9
2.2 結構剛度研究…………………………………………… 11
2.2.1 剛度定義………………………………………………… 11
2.2.2 楊氏係數比較…………………………………………… 11
2.3 材料的機械性質………………………………………… 11
2.4 von-Mises降伏準則……………………………………… 13
2.5 材料彈性行為…………………………………………… 13
2.6 振動理論基礎…………………………………………… 14
2.6.1 模態分析………………………………………………… 14
2.6.2 振動介紹………………………………………………… 15
2.6.3 多自由度振動系統……………………………………… 16
2.7 拓樸最佳化……………………………………………… 18
2.7.1 結構最佳化介紹………………………………………… 18
2.7.2 最佳化軟體TOSCA……………………………………… 20
第三章 磨床機結構剛性分析…………………………………… 22
3.1 模型建立………………………………………………… 24
3.2 分析步驟與方法………………………………………… 31
3.2.1 選用求解器類型………………………………………… 31
3.2.2 材料設定………………………………………………… 33
3.2.3 網格建立與劃分………………………………………… 34
3.2.4 接觸形態………………………………………………… 40
3.2.5 約束條件………………………………………………… 41
3.2.6 邊界條件………………………………………………… 44
3.3 結果與討論……………………………………………… 47
3.3.1 結構應力研究…………………………………………… 47
3.3.2 結構位移研究…………………………………………… 51
第四章 磨床機模態分析與實驗………………………………… 53
4.1 模態數值分析…………………………………………… 55
4.2 模態實驗分析…………………………………………… 55
4.2.1 實驗儀器設備規格……………………………………… 56
4.2.2 實驗步驟方法…………………………………………… 58
4.3 分析結果比對與討論…………………………………… 62
第五章 結構拓樸最佳化設計…………………………………… 67
5.1 拓樸最佳化前置分析設定……………………………… 68
5.2 拓樸最佳化設計………………………………………… 71
5.2.1 設計響應………………………………………………… 71
5.2.2 目標函數………………………………………………… 72
5.2.3 限制目標………………………………………………… 72
5.2.4 凍結區域………………………………………………… 73
5.2.5 材料厚度尺寸…………………………………………… 74
5.2.6 拔模限制………………………………………………… 74
5.2.7 對稱性…………………………………………………… 75
5.3 拓樸最佳化結果………………………………………… 76
5.4 最佳化設計前後評估…………………………………… 81
5.4.1 結構剛性評估…………………………………………… 81
5.4.2 自然頻率評估…………………………………………… 84
第六章 結論…………………………………………………… 87
參考文獻 …………………………………………………………… 90
Extended Abstract …………………………………………………………… 92
簡歷 …………………………………………………………… 95

[1]許昌權，2011，“磨床機結構之優化設計”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文。
[2]張鎔崴，2009，“工具機及主軸系統結構分析與振動量測實務”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文。
[3]宋孟儒，2010，“工具機系統特性與銑削動態之研究”，國立虎尾科技大學創意工程與精密科技研究所，碩士論文。
[4]陳玉純，2011，“紡織用併條機上蓋三維無縫彎管成形之最佳參數研究”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文。
[5]蘇崑熙，2003，“使用ANSYS之機械結構動態分析”，私立中原大學機械工程系，碩士論文。
[6]王亦朝，2011，“高速主軸動態特性之分析與診斷”，國立虎尾科技大學創意工程與精密科技研究所，碩士論文。
[7]李鉦譁，2011，“高速主軸結構特性與微霧潤滑供油穩定性之研究”，國立虎尾科技大學創意工程與精密科技研究所，碩士論文。
[8]李冠賢、張熹華、王宜明，2010，“龍門式高速加工機頭座結構對整機剛性之影響”，精密機械與製造科技研討會論文集，墾丁，台灣，5月。
[9]黃麗萍，2002，“開孔結構體之補強分析”，國立台灣大學機械工程學研究所，碩士論文。
[10]陳建昌，2002，“多階段拓樸最佳化設計”，國立中正大學機械工程研究所，碩士論文。
[11]士盟科技股份有限公司，http://www.simutech.com.tw/html/front/bin/ptlist.phtml?Category=163483。
[12]陳長有等編著，2007，機械材料實驗，全華圖書，台北。
[13]余煥騰、陳適範，2003，金屬塑性加工學，修訂二版，全華圖書，台北。
[14]黃運琳，2009，機械振動概論與實務，五南圖書，台北。
[15]江致毅，2009，“五軸工具磨床振動分析模式”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文。
[16]FE-DESIGN，TOSCA，http://www.fe-design.de/en/products/tosca-structure/。
[17]愛發股份有限公司，2007，Abaqus實務入門引導，全華圖書，台北。
[18]童景隆，2009，“兒童安全座椅之衝撞模擬測試與改良設計分析研究”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文。
[19]林繼永，2005，“振動磨削技術應用於陶瓷材料加工之研究”，國立雲林科技大學機械工程系碩士班，碩士論文。
[20]Ansel C. Ugurl，2005，機械設計，陳建廷譯，滄海書局，台北。