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研究生:賴昱霖
研究生(外文):LAI, YU-LIN
論文名稱:公路自行車車架疲勞測試分析與剛性分析之多目標最佳化設計
論文名稱(外文):Dynamic Stress Analysis and Multi-Objective Optimization Design of an On-Road Bicycle Frame Under Fatigue and Stiffness Test
指導教授:鄭永長
指導教授(外文):CHENG, YUNG-CHANG
口試委員:孫榮宏李政鋼
口試委員(外文):SUN, RONG-HONGLEE, CHENG-KANG
口試日期:2017-06-29
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:機械與自動化工程系碩士班
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:公路車車架均勻實驗折衷規劃法Kriging插值法GRG演算法
外文關鍵詞:On-Road Bicycle frameUniform designCompromise programmingKriging interpolationGeneralized reduced gradient algorithm
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本研究以公路車車架為例,利用均勻實驗設計法對車架上管、下管與立管進行車架管件厚度及各間段長度尺寸進行設計,並規劃出多因子多水準之實驗設計,利用有限元素分析軟體ANSYS/Workbench對車架進行水平疲勞、垂直疲勞、踏力疲勞與剛性測試分析,並探討車架各設計尺寸對於車架最大等效應力值、剛性測試位移值與車體質量的影響。根據均勻實驗所得的結果,應用Kriging插值法來建立出反應曲面與數學模型,以車架質量與剛性變形量最小化為目的,透過GRG演算法對各子目標求得最佳解後,使用折衷規劃法來求得合成目標函數,運用車架改善目標來找出最佳的權重比,再針對GRG演算法找出符合各項目標所需求之最佳設計參數。
最後由研究結果顯示,經由最佳化設計流程,並透過GRG演算法運算法所求得之車架尺寸其車架各目標分析結果、質量與原始車架設計值相互比較,水平疲勞最大等效應力改善2.12%、垂直疲勞最大等效應力量改善6.73%、踏力疲勞最大等效應力改善1.97%、剛性最大位移量改善1.28%、車架質量改善3.81%,故此次設計達到使公路自行車車架輕量且高強度的設計。

The aim of this paper is to present an integrated procedure for the optimization of dimensions of an on-road bicycle frame under horizontal, vertical and pedaling fatigue test and stiffness simulation. The procedure is composed of uniform design of experiments, explicit dynamics finite element analysis, Kriging interpolation, compromise programming method. The experimental design is used to plan a set of experiments with multiple factors of bike frame size by uniform design. Then, the bicycle frame in each experiment is analyzed by ANSYS/Workbench to obtain the maximum stress and deformation value. Then, Kriging interpolation is applied to construct the surrogate model of permanent deformation, maximum stress and bicycle mass based on the input and output data of experiment simulations. In order to get minimize the mass, maximum stress and permanent deformation of bicycle frame at the same time. First, to compose the each target be a single objective function by compromise programming method with weighting factors. Then, the bicycle frame stiffness simulation and mass is used to find the best weighting factors. Finally, generalized reduced gradient algorithm combine GRG algorithm method applied to find the optimal solution of dimensions of bicycle frame under the goal of minimize the mass, maximum stress and permanent deformation.
From result, after performing the optimization procedure presented in this paper, the improvement rate of the horizontal test of maximum von Mises stress is 2.12%, the vertical test of maximum von Mises stress is 6.73%, the pedal test of maximum von Mises stress is 1.97%, the stiffness of maximum deformation is 1.28%, the mass of bicycle is 3.81%. Generally, successful achieve multi object design of optimization and the lightweight and high strength design of the bicycle frame.
摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 X
符號說明 XIII
第一章 緒論 1
1-1簡介 1
1-2文獻回顧 3
1-2-1自行車相關文獻 3
1-2-2實驗設計與最佳化文獻 4
1-3研究動機與目的 5
1-4研究架構 7
第二章 有限元素分析 9
2-1有限元素分析簡介 9
2-2 ANSY/Workbench簡介 11
2-3 ANSYS/Workbench分析流程 12
2-4車架疲勞試驗模擬分析 14
2-4-1水平疲勞測試法規介紹 14
2-4-2垂直疲勞測試法規介紹 14
2-4-3踏力疲勞測試法規介紹 15
2-4-4剛性測試方式介紹 16
2-4-5自行車模型建立 17
2-4-6材料選擇 18
2-4-7剛性驗證 19
2-4-8邊界條件設定 23
2-4-9網格設定 25
2-4-10動態模擬分析結果 28
第三章 實驗設計與理論研究 31
3-1均勻實驗設計法概論 32
3-2均勻實驗設計理論 33
3-2-1均勻設計表 33
3-2-2均勻實驗設計程序 37
3-2-3實驗結果分析 37
3-3 Kriging插值法 38
第四章 均勻實驗設計與分析 41
4-1參數設計 41
4-2因子特性分析 43
4-2-1水平疲勞測試-因子特性分析 44
4-2-2垂直疲勞測試-因子特性分析 45
4-2-3踏力疲勞測試-因子特性分析 46
4-2-4剛性測試-因子特性分析 47
4-2-5車架質量-因子特性分析 48
4-3均勻設計表選用 49
4-4建立反應曲面與Kriging模型 53
第五章 最佳化分析 59
5-1多目標規劃 59
5-2折衷規劃法理論 60
5-3最佳化設計與分析 62
5-3-1一般化縮減梯度法 62
5-3-2最佳化問題敘述 62
5-3-3最佳化設計流程 66
5-3-4最佳化設計實驗結果 75
5-4因子重要性分析 77
5-4-1水平疲勞測試-因子重要性分析 77
5-4-2垂直疲勞測試-因子重要性分析 78
5-4-3踏力疲勞測試-因子重要性分析 79
5-4-4剛性平台測試-因子重要性分析 80
5-4-5車架質量-因子重要性分析 81
5-5目標函數預測介面 82
第六章 結論 84
6-1結論 84
6-2未來展望 85
參考文獻 86
附錄A水平疲勞測試反應曲面圖 89
附錄B垂直疲勞測試反應曲面圖 92
附錄C踏力疲勞測試反應曲面圖 93
附錄D剛性平台測試反應曲面圖 95
附錄E車架質量反應曲面圖 100
附錄F折衷規劃法與GRG演算法實驗流程 102
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