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研究生:劉錦隆
研究生(外文):LIU, JIN-LONG
論文名稱:高速鐵路轉轍器檢測桿應力分析與改善設計
論文名稱(外文):Stress Analysis and Improvement Design of High-Speed Railway Detector Slides in Switch Machine
指導教授:鄭永長
指導教授(外文):CHENG, YUNG-CHANG
口試委員:鄭永長孫榮宏李政鋼
口試委員(外文):CHENG, YUNG-CHANGSUN, RONG-HONGLI, ZHENG-GANG
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:105
中文關鍵詞:轉轍器檢測桿等效應力Kriging插值法均勻實驗設計GRG演算法
外文關鍵詞:Switch machineDetector slideUniform designCompromise programmingKriging interpolationGeneralized reduced gradient algorithmANSYS/Workbench
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本研究以S700K高速鐵路轉轍器檢測桿對象,根據GB/T 25338.1-2010 [1] 疲勞試驗標準,並利用均勻實驗設計法對檢測桿的固定槽長度尺寸及位子進行設計,並規劃出一系列的模擬實驗,使用有限元素分析工具ANSYS/Workbench進行檢測桿的模擬分析,並探討上、下檢測桿的設計尺寸對於最大等效應力(von Mises stress)的影響。根據均勻實驗設計數據結果,應用Kriging插值法建立反應曲面以及數學代理模型,以最大等效應力(von Mises stress)作為目標函數,透過GRG演算法對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。
檢測桿經過均勻實驗設計得到的改善組合,與原始設計相互比較下,上、下檢測桿的最大等效應力分別改善5.66%與8.55%,經由最佳化設計流程,並透過GRG演算法運算法所求得最大等效應力分別改善10.77%與16.65%,經由模型驗證誤差為2.10%,符合誤差基準值3%以內,讓檢測桿提高強度的實驗設計得以實現。最後根據實驗結果,以MATLAB建立查詢介面,依據輸入的參數值進行最大等效應力預測。

The aim of this paper is to present an integrated procedure for the optimization of dimensions of high-speed railway detector slide on switch machine. The procedure is composed of uniform design of experiments, finite element analysis, Kriging interpolation, compromise programming method. The experimental design is used to plan a set of experiments with multiple factors of the detector slide by uniform design. Then, the detector slide in each experiment is analyzed by ANSYS/Workbench to obtain the von Mises stress value. Then, Kriging interpolation is applied to construct the surrogate model of von Mises stress value based on the input and output data of experiment simulations. In order to get minimize the von Mises stress value of detector slide at the same time. First, to compose the each target be a single objective function by compromise programming method with weighting factors. Then, generalized reduced gradient algorithm combine GRG algorithm method applied to find the optimal solution of dimensions of the detector slide under the goal of minimize the von Mises stress.
From result, after performing the optimization procedure presented in this paper, the improvement rate of the upper detector slide fixed test of von Mises stress is 10.77%, the lower detector slide fixed test of von Mises stress is 16.65%, successful achieve multi object design of optimization the detector slide.

摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 X
符號說明 XII
第一章 緒論 1
1-1 轉轍器簡介 1
1-2 文獻回顧 5
1-2-1 轉轍器相關文獻 5
1-2-2 均勻實驗與最佳化演算法的應用 6
1-2-3 Kriging空間插值法的應用 7
1-3 研究目的及方向 8
1-4 論文結構 10
第二章 有限元素分析 12
2-1 有限元素法理論簡介 12
2-2 有限元素法分析步驟 13
2-3 HyperWorks – HyperMesh前處理簡介 14
2-4 ANSYS/Workbench簡介 16
2-5 ANSYS分析流程 16
2-6 轉轍器檢測桿模擬分析 19
2-6-1 轉轍器檢測桿作動介紹 19
2-6-2 轉轍器檢測桿模型建立 22
2-6-3 元素選擇 24
2-6-4 材料選擇 24
2-6-5 接觸問題設定 25
2-6-6 邊界條件設定 28
2-6-7 疲勞試驗標準與施力設定 29
2-6-8 網格收斂性分析 29
2-6-9 ANSYS/Workbench分析結果 31
第三章 實驗設計與研究理論 33
3-1 均勻實驗設計法簡介 34
3-2 均勻設計表應用 35
3-3 Kriging空間插值法 38
第四章 均勻實驗設計與分析 42
4-1 參數設計 42
4-2 因子特性分析 44
4-3 均勻設計表選用 48
4-4 均勻實驗設計結果 52
4-5 建立反應曲面與Kriging模型 52
第五章 最佳化設計 55
5-1 多目標規劃 55
5-2 折衷規劃法 56
5-3 最佳化設計與分析 58
5-3-1 一般化縮減梯度法 58
5-3-2 最佳化問題敘述 59
5-3-4 最佳化設計流程 60
5-3-5 最佳化設計實驗結果 69
5-4 因子重要性分析 71
5-4-1 上檢測桿固定測試-因子重要性分析 71
5-4-2 下檢測桿固定測試-因子重要性分析 72
5-5 目標函數預測介面 73
第六章 結論 76
6-1 結論 76
6-2 未來展望 77
參考文獻 79
附錄A 上檢測桿固定測試反應曲面圖 82
附錄B 下檢測桿固定測試反應曲面圖 85
附錄C 折衷規劃法與GRG演算法實驗流程 88

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