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研究生:蘇立嘉
論文名稱:應用田口方法之車用頭枕支架最佳化設計
論文名稱(外文):Optimal Design of Vehicle Headrest Bracket
指導教授:黃宜正黃宜正引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
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:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:車用頭枕支架頸部鞭甩傷害有限元素方法田口品質工程
外文關鍵詞:Vehicle headrest bracketNeck whiplash injuryFinite element methodTaguchi method
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摘要
依現今的社會發展,車輛的常使用性伴隨著安全性的規範問題,本研究主要的目的,在於研究不同頭枕的支架造型,對於衝擊能量的吸收程度,進行電腦模擬測試藉由較良好的設計結果來降低頸部傷害的風險,由於在車輛事故發生的比例中,後撞或是追撞為車禍事故中比例最高者,事故發生後所產生的傷害稱頸部鞭甩傷害,由於傷害較不明顯且致死率不高,所以往往被世人所忽略,導致對於車輛頭枕的選擇有了錯誤認知,但該類的傷害往往伴隨著潛伏期長且併發症多,因此耗費的社會及個人成本甚鉅。
  現今台灣的相關法規(車輛安全檢測基準NO.50-1頭枕)針對頭枕安全訂定出一套測試標準,其中的一項為模擬乘員頭部在遭受碰撞時所承受衝擊能量的要求,本研究以頭枕安全之測試標準對汽車用座椅頭枕支架結構造型進行探討,並利用有限元素軟體(ABAQUS)對於乘員的頭部衝擊行為進行分析。
  研究的方法可分為四個階段,第一階段先選定幾組的市售的頭枕支架造型,建立有限元素模型,並利用暨有的商業產品取得相關的材料特性,進行實驗模擬,並取得能量吸收值(支架能量吸收相當於對頭部之衝擊能量消散),第二階段利用第一階段的模擬結果相互比較,第三階段利用比較結果選出較好的支架造型並進行改良,利用田口品質工程方法,以直交表(Orthogonal Array)進行實驗配置,取得最佳化模型數據,第四階段以此最佳化結果進行實驗模擬分析,結果顯示利用田口品質工程方法取得的頭枕支架造型能量吸收能力為最佳,提供日後設計新型頭枕參考的依據。



Base on today’s society developments, the demand for frequently vehicular use needs the safety regulation. The purpose of this study is to determine the absorptions ability of the different shapes of headrest brackets with the same impact energy. Numerical simulation tests are conducted to find a bettering design for lowering the risks of possible neck injuries. As the rear-ended collisions are the highest ratio among the vehicle accidents, the whiplash injury is obvious. Due to low fatality rate, such injury was ignored by the public. As a result, the misunderstanding for the selection of the vehicle headrest was created. This social cost is expensive.

The Taiwan’s regulation No. 50-1 has set up the vehicle safety testing standards for the headrest. One of it is the impact energy requirement of passenger’s head during collision. Base on the test standards of the headrest safety, this study discusses the bracket structures and shapes for the car seat headrest. The finite element software ABAQUA is utilized to perform the numerical analysis.

This thesis is divided into four categories. The first one is to select several commercial headrest brackets for establishing basic finite element models. Numerical simulation is conducted to obtain the energy absorption capability for each headrest bracket. The second phase is to compare the simulation results from the above. The third phase is to find the key parameters of different shaped brackets by using the Taguchi Method. The Orthogonal Array is conducted for verifying the best model data. The final phase is to perform the analysis based on the model obtained from the Taguchi Method. The simulation results demonstrate the designed headrest bracket carries the good energy absorption characteristics.

目 錄
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究目的 5
1-3論文架構 7
第二章 汽車頭枕試驗標準簡介 9
2-1後撞過程描述 9
2-2 安全座椅設計 12
2-3 汽車頭枕試驗介紹 14
2-3-1 頭枕尺度簡介 14
2-3-2 頭枕結構強度簡介 16
2-3-3 頭枕能量吸收簡介 17
第三章 能量吸收驗證系統 19
3-1 暨有的頭枕能量吸收驗證系統說明 19
3-1-1 測試件安裝 19
3-1-2 試驗儀器說明 19
3-2 頭枕支架結構能量吸收試驗說明 20
3-2-1 商業試驗方向 20
3-2-2 商業試驗方法 21
3-2-3 車輛測試中心內部衝擊實驗設備及測試結果 21
3-2-4 暨有的商業衝擊試驗結果 23
3-2-5 暨有商業模擬分析結果 25
第四章 模擬分析與結果 28
4-1 研究步驟 28
4-2 有限元素軟體 ABAQUS簡介 30
4-3 模擬分析及比對測試結果 31
4-3-1分析步驟要點說明 31
4-3-2 初步結果分析 33
第五章 田口式方法之最佳化模擬分析 44
5-1 田口式品質工程概述 44
5-2 田口品質工程設計、分析與最佳參數選擇 45
5-2-1 損失函數 45
5-2-2 參數設計 47
5-3 田口方法應用於頭枕幾何支架造型 50
5-3-1 最佳參數選擇的步驟 50
5-3-2 最佳參數組合之評估 50
5-4 關鍵效應因素之評估 65
5-4-1 計算SN比 65
5-4-2 建立回應表 66
第六章 結論 69
6-1 結論 69
參考文獻 71
附錄一 73
附錄二 76
附錄三 85

表目錄
表 3-1 暨有的商業衝擊試驗結果 23
表 3-2 最佳化的控制因素及水準 27
表 4-1輸入材料參數表 32
表 4-2 頭枕支架模擬測試的實驗結果 42
表 5 1 損失函數的計算 46
表 5 1 回應表 50
表 5 2 控制因素及水準說明表 52
表 5-4 直交表 52
表 5 5 模擬分析實驗數據 62
表 5-6 因子反應表 63
表 5-7 分析數據與SN比 66
表 5-8 單一控制因素平均回應值 67
表 5-9 頭枕支架回應表 67

圖目錄
圖 2.1 後撞過程示意圖 10
圖 2.2 後撞初期頭頸運動示意圖 11
圖 2.3 合適的頭枕位置示意圖 14
圖 2.4 高度判定 15
圖 2.5 寬度判定 16
圖 2.6 頭枕結構強度測試流程 17
圖 2.7 頭部模型之加速度計配置位置 18
圖 2.8 頭枕能量吸收測試示意圖 18
圖 3.1 能量吸收驗證系統示意圖 20
圖 3.2 衝擊試驗全圖 22
圖 3.3 高速攝影機 22
圖 3.4 試驗流程圖 24
圖 3.5 衝擊加速度-時間曲線圖 25
圖 3.6 加速度值比較圖 26
圖 3.7 水平位移值比較圖 26
圖 3.8 暨有商業頭枕支架造型 27
圖 4.1 研究流程圖 29
圖 4.2 頭枕支架造型基本尺寸規範 31
圖 4.3 材料應力-應變曲線 32
圖 4.4 市售頭枕支架的樣品形式 33
圖 4.5 支架與球體中心位置示意圖 34
圖 4.6 球體運動方向示意圖 34
圖 4.7 頭枕支架模擬測試示意圖 35
圖 4.8 頭枕支架模型1模擬結果 36
圖 4.9 頭枕支架模型2模擬結果 37
圖 4.10 頭枕支架模型3模擬結果 38
圖 4.11 頭枕支架模型4模擬結果 39
圖 4.12 頭枕支架模型5模擬結果 40
圖 4.13 頭枕支架模型6模擬結果 41
圖 5.1 控制因素示意圖 51
圖 5.2 項次1分析結果 53
圖 5.3 項次2分析結果 54
圖 5.4 項次3分析結果 55
圖 5.5 項次4分析結果 56
圖 5.6 項次5分析結果 57
圖 5.7 項次6分析結果 58
圖 5.8 項次7分析結果 59
圖 5.9 項次8分析結果 60
圖 5.10 項次9分析結果 61
圖 5.11 項次10分析結果 64


參考文獻
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[21]http://www.iihs.org/.

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