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研究生:張克平
研究生(外文):Ke-ping Chang
論文名稱:應用結構健康監測方法於機車車架之研究
論文名稱(外文):The Application of Structural Health Monitoring Method on the Vehicle Frame
指導教授:李春穎李春穎引用關係
口試委員:林有鎰蕭俊祥
口試日期:2012-07-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:製造科技研究所
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:結構健康監測機車車架有限元素法模態分析模態保證準則特徵靈敏度反式法
外文關鍵詞:Structural Health MonitoringVehicle FrameFinite Element MethodModal AnalysisModal Assurance CriterionInverse Eigensensitivity Method
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本文研究主旨在於應用結構健康監測方法於機車車架損傷檢測,檢測機車車架是否有損傷、損傷之程度大小及損傷之位置。本研究先以一簡單矩形模型為例,以驗證本研究結構健康監測方法所建立程式之正確性。首先是以ANSYS軟體指令建立一矩形模型,再由Matlab程式設計軟體之寫入指令將模型指令、材料參數、網格劃分、分析類型及結果檔輸出內容等ANSYS指令寫入並建立一記事本檔案。經由Matlab程式呼叫指令執行ANSYS之批次分析路徑,再由Matlab程式讀取結果檔,以進行模態保證準則(MAC)計算及結構健康監測(SHM)方法之分析,其包括是否有損傷、損傷程度的大小與損傷位置之判斷。而本研究之主旨結構健康監測應用於機車車架之研究,其方法亦與上述方法相同,僅模型更換。由模態保證準則計算之結果可驗證在無損傷及有損傷之間的模態相關性,以確認所對應之自然頻率及其值的變化。在結構健康監測部分,經由特徵靈敏度反式法將特徵值及特徵向量代入進行計算,可得到損傷程度及損傷位置,以提供結構損壞評估及須補強的位置之參考依據。

In this thesis, the main objective is the application of structural health monitoring method in the motorcycle frame to detect damage of the motorcycle frame, the extent of damage size and damage location. Firstly, a simple rectangular model was employed in the structural health monitoring method to verify the methodology and the developed program. The rectangular model was built using ANSYS software programming mode, and then the associated model instructions were written by Matlab programming software, including material parameters, meshing, analysis type and results output file. The command file was established in a Notepad file format. Through the Matlab programming is the structural analysis was executed in ANSYS batch path and result file was read by the Matlab program. The corresponding modes among the calculated undamaged and damaged structures were identified by using the modal assurance criteria (MAC) calculation. Subsequently, the natural frequencies and modal vectors were employed in the structural health monitoring (SHM) scheme to infer the possible structural damages, including whether there is damage, the damage size and damage location. With the verified programming scheme, the study moved onto that structural health monitoring of a motorcycle frame. By using the first five modes of the frame model, the structural health monitoring method based on the inverse eigensensitivity algorithm successfully predicted the simulate damages embedded in the motorcycle frame. In addition, the sensitivity analysis on the motorcycle frame also provided the information how to reinforce the structure effectively.

摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iv
表目錄 viii
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究目的 2
1.3 論文架構 3
第二章 文獻回顧與基礎理論 4
2.1 文獻回顧 4
2.1.1有限元素法之相關文獻 4
2.1.2 結構健康監測方法之相關文獻 5
2.2 基礎理論 7
2.2.1有限元素法之模態分析理論 7
2.2.2 特徵靈敏度反式法 10
2.2.3 系統方程式的解 17
2.2.4模態保證準則 18
第三章 研究方法及步驟 19
3.1有限元素分析 19
3.1.1 有限元素分析軟體ANSYS介紹 19
3.1.2模型建立 21
3.1.3元素之選用 23
3.1.4材料參數之建立 25
3.1.5 網格劃分 26
3.1.6 修改元素材料性質 29
3.1.7 模態分析 30
3.2 Matlab程式設計軟體 31
3.2.1 Matlab 軟體介紹 31
3.2.2 本研究結構健康監測分析之流程 31
3.2.3 Matlab軟體寫入ANSYS指令並建立一記事本檔案 32
3.2.4 Matlab軟體寫入呼叫ANSYS執行批次分析 33
3.2.5 Matlab讀取ANSYS結果檔之各模態的自然頻率與特徵向量 33
3.2.6 寫入模態保證準則之計算公式 35
3.2.7 寫入結構健康監測之S矩陣公式填入 35
3.2.8 寫入結構健康監測之r矩陣公式填入 35
3.2.9 寫入結構健康監測之計算公式 35
第四章 結果與討論 36
4.1 矩形模型無損傷與損傷之自然頻率比較 36
4.1.1矩形模型的無損傷與單一元素損傷之自然頻率比較 36
4.1.2矩形模型的無損傷與兩元素損傷之自然頻率比較 39
4.2矩形模型之模態保證準則計算結果 39
4.2.1 矩形模型無損傷與實際損傷單一元素之MAC計算結果 39
4.2.2 矩形模型無損傷與實際損傷兩元素之MAC計算結果 43
4.3 矩形模型之結構健康監測計算結果 45
4.3.1 矩形模型實際損傷單一元素之結構健康監測計算結果 45
4.3.2矩形模型實際損傷兩元素之結構健康監測計算結果 50
4.4機車車架無損傷與損傷之自然頻率比較 53
4.4.1機車車架的無損傷與單一及兩元素損傷之自然頻率比較 53
4.5機車車架之模態保證準則計算結果 54
4.5.1機車車架無損傷與實際損傷單一元素之MAC計算結果 54
4.5.2機車車架無損傷與實際損傷兩元素之MAC計算結果 60
4.6機車車架結構健康監測之計算結果 61
4.6.1機車車架實際損傷單一元素之結構健康監測計算結果 61
4.6.2機車車架實際損傷兩元素之結構健康監測計算結果 70
第五章 結論 73
5.1 結論 73
5.2未來展望與工作 73
參考文獻 74
附錄A:MATLAB軟體寫入ANSYS程式指令及執行批次分析 77
附錄B:MATLAB讀取ANSYS結果檔 84
附錄C:寫入模態保證準則計算公式 89
附錄D:結構健康監測S矩陣之填入 93
附錄E:結構健康監測r矩陣之填入及寫入結構健康監測計算公式 96


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