臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在發展一套高爾夫球桿之球桿性能指標的評估模式與設計準則，並建立其標準分析作業流程。本論文以有限元素分析軟體導入電腦輔助工程分析(CAE)技術建立理論分析模式，分別進行其理論模態分析求得結構之自然頻率與及其模態振型，以及簡諧響應分析以求得頻率響應函數。另外也將實際高爾夫球桿結構進行完整之實驗模態分析(EMA)，求得實際結構之模態參數，以作為理論分析模型驗證與認證之參考據。完成模型驗證可確認分析模型之正確性，除探討高爾夫球桿結構振動特性之物理意義，可作為設計變更之參考，也將結合CAE與EMA技術導入虛擬測試之整合設計理念，如探討三種不同握把處邊界高爾夫球木桿模態特性之差異及建立以振動特性為基礎之高爾夫球桿之性能指標之評估模式，包括模態振型累加及ODS累加之打擊面型能指標與模態振型累加之握把處性能指標。並也建立應變量測分析的完整流程，利用套裝軟體ANSYS/LS-DYNA模擬高爾夫球以自由落體與球頭碰撞分析，並也實際對球頭進行應變量測。最後，利用上述所建立之理論動態碰撞分析，進行球頭砲擊測試，由理論分析進行應力預測，探討以理論預測球頭受砲擊後的應力分佈與球頭的變形狀況。本文建立之分析及實驗技術，以及虛擬測試之整合技術理念，將可拓展應用到其他產品之設計開發，可縮短研發時程與成本，提昇產品性能與品質。

This work presents the evaluation on performance index of the golf club wood driver and the standard operational procedure for design analysis. This work also introduces computer aided engineering (CAE) technique that utilizes the finite element commercial software to perform theoretical analysis. Both modal analysis and harmonic response analysis are carried out to obtain the structural modal parameters and frequency response functions, respectively. Besides, experimental modal analysis (EMA) is performed to determine the modal properties of the real structure. The experimentally extracted modal data are then used as the reference to proceed model verification and validation (V&V) process. Upon the completion of model V&V, the analytical model can be used to study dynamic characteristics of the golf club wood driver. The integrated design process via virtual testing is also presented to discuss the difference of modal characteristics of the golf club in different boundary conditions. Three types of performance indices of the club base on the vibration characteristics are defined and used to evaluate the club quality. The strain measurement technique is also built up to obtain the surface strain of the hit-surface of the golf club head due to the impact of the free-fall ball. Finally, the high speed ball impact on the golf club head can then be simulated to predict the stress distribution during impact. The proposed analytical and experimental methodology can be beneficial to the design and performance evaluation of golf club. The idea of virtual testing can be enhanced for practical design application.

摘 要 I
Abstract II
誌 謝 III
目 錄 IV
表 目 錄 VII
圖 目 錄 IX

第1章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 全文概述 6
第2章 不同邊界高爾夫球木桿振動與模態特性探討 8
2.1 問題定義與分析目標 9
2.2 有限元素分析 11
2.3 實驗模態分析 13
2.3.1 量測點數規劃 13
2.3.2 實驗儀器架構與進行步驟 15
2.4 結果與討論 17
2.4.1 有限元素分析 17
2.4.2 實驗模態分析 18
2.4.3 模態參數驗證 20
2.4.4 高爾夫球木桿握把處不同邊界模態特性差異 30
2.5 結論 32
第3章 球桿性能指標探討 33
3.1 問題定義與分析目標 34
3.2 球桿性能指標定義 35
3.2.1打擊面性能指標 35
3.2.2握把處性能指標 37
3.3 結果與討論 38
3.3.1 打擊面性能指標 38
3.3.2 模態振型累加之握把處性能指標 54
3.3.3 不同性能指標於高爾夫球桿性能評估使用之優缺點比較 60
3.4 結論 61
第4章 高爾夫球頭碰撞分析 62
4.1 問題定義與分析目標 63
4.2 理論動態碰撞分析 65
4.2.1 高爾夫球材料模組之選用 65
4.2.2 標準試片COR校正分析 68
4.2.3 高爾夫球碰撞分析之物理現象探討 70
4.2.4 高爾夫球以自由落體與球頭之碰撞分析 74
4.3 球頭應變量測試驗 75
4.3.1 實驗儀器與整體架構 75
4.3.2 實驗方法與步驟 77
4.4 結果與討論 78
4.4.1 標準試片COR校正分析 78
4.4.2 高爾夫球碰撞分析之物理現象探討 80
4.4.3 高爾夫球與球頭自由落體之碰撞分析 83
4.5 結論 86
第5章 高爾夫球頭砲擊試驗之模擬 88
5.1 問題定義與分析目標 89
5.2 有限元素分析 90
5.3 破壞分析探討 91
5.4 結果與討論 94
5.4.1 球頭受砲擊之應力分析 94
5.4.2 球頭疲勞破壞分析與安全係數探討 98
5.5 結論 101
第6章 結論與未來建議 102
6.1 結論 102
6.2 建議事項 104
參考文獻 105
作者簡介 108

1.尹春和，盧廷鉅，2003，「應用有限元素法於高爾夫球頭恢復係數之分析」，2003台灣地區ANSYS用戶應用論文集，斗南，第43-49頁。
2.王栢村、黃瑞光，2000，「不同球頭對高爾夫球桿振動特性及品質之探討」，中華民國振動與噪音工程協會第八屆，屏東，第209-216頁。
3.王栢村，洪研庭，劉文全，2003，「碳纖維高爾夫球桿材料機械性質探討」，中華民國振動與噪音學會第十一屆學術研討會，基隆，第63-69頁。
4.王栢村，吳國禎，2004，「高爾夫球木桿之模態分析」，中華民國振動與噪音學會第十二屆學術研討會，台北，論文編號A3-2。
5.邱佑宗，1998，「高爾夫球頭甜區計算」，中華民國第廿二屆全國力學會議論文集，台南市，第114-126頁。
6.吳學鑑，蕭翰林，2000，「高爾夫碰撞現象之分析」，第十七屆機械工程研討會論文集，高雄市，第939-945頁。
7.林昆正，2004，「應用CAE於高爾夫球桿之設計分析與實驗驗證之探討」，碩士論文，國立屏東科技大學，屏東。
8.徐川洋，2003，「高爾夫球桿品質指標之評估與探討」，碩士論文，國立屏東科技大學，屏東。
9.黎煥生，1994，「高爾夫球桿頭與球之碰撞分析及球桿頭之設計」，碩士論文，國立中山大學，高雄。
10.劉健鋒，黃必偉，劉立晟，2001，「高爾夫球桿振動品質指標之探討」，2001年國立屏東科技大學論文集，國立屏東科技大學機械工程系，第16-1~16-16頁。
11.璩春暉，蔡鋒儒，劉建志，2002，「高爾夫球木桿振動品質特性分析」，2002年國立屏東科技大學論文集，國立屏東科技大學機械工程系，第12-1~12-11。
12.謝裕忠，1995，「高爾夫球頭電腦輔助分析技術慨論」，工業材料，第104期，第114-126頁。
13.Friswell, M. I., Smart, M. G. and Mottershead, J. E., 1997, “Updating Finite Element Models of Golf Clubs,” Proceedings of the 15th International Modal Analysis Conference, Vol. 1, pp. 155-161.
14.Hocknell, A., Mitchell, S. R., Jones, P. and Rothberg, S. J., 1998, “Hollow Golf Club Head Modal Characteristics: Determination and Impact Applications,” Experimental Mechanics, Vol.38, pp.140-146.
15.Iwata, M., Okuto, N. and Satoh, F., 1990, “Designing of Golf Club Heads by Finite Element Method (FEM) Analysis,” Proceedings of the First World Scientific Congress of Golf 9 , pp.274-279.
16.Jones, R., 1990, “Computer Based Methods for the Design and Manufacture of Golf Clubs,” Proceedings of the First World Scientific Congress of Golf , pp.282-285.
17.Knight, C. E., Leonard, R. G., Wicks, A. L. and Blough, T., 1997, “A Study of the Dynamic of Golf Clubs,” Proceeding of the 15th International Modal Analysis Conference, Vol.2, pp. 1752-1757.
18.Knight, C. E., Leonard, R. G., Neighbors, J. and Wicks, A. L., 1998, “Golf Swing ‘Signatures’ on a Mockup Ball-Striking Machine,” Proceedings of the 17th International Modal Analysis Conference, Vol. 2, pp. 509-512.
19.Mase, T., 2002, “A Virtual Golf Robot for Golf Equipment Simulation,” Proceedings of the 7th International LS-DYNA Users Conference, Michigan, pp. 17.23-17.32.
20.Mase, T., Nelson, E., Brennan, J. and Pettibone, B., 2002, “USGA Rule 4-1e Optimization of a Golf Driver Head Using LS-DYNA and Altair HyperStudy,” Proceedings of the 7th International LS-DYNA Users Conference, Michigan, pp. 5.1-5.8.
21.Merkel, R. C. and Tom, B., 1998, “Dynamic Characterization and Comparison of Golf Clubs,” Proceedings of the 17th International Modal Analysis Conference, pp. 513-517.
22.Ming, A. and Kajitani, M., 2003 “A New Golf Swing Robot to Simulate Human Skill – Accuracy Improvement of Swing Motion by Learning Control,” Mechatronics, Vol.13, pp.809-823.
23.Milne, R. D. and Davis, J. P., 1992, “The Role of the Shaft in the Golf Swing,” Journal of Biomechanics, Vol. 25, No. 9, pp. 975-983.
24.Okubo, N. and Simada, M., 1990, “Application of CAE (Computer Aided Engineering) to Golf Club Dynamics,” Proceedings of the First World Scientific Congress of Golf 9 -13 , pp.270-273.
25.Swider, P., Ferraris, G. and Vincent, B., 1994, “Theoretical and Experimental Dynamic Behavior of a Golf Club Made of Composite Material,” The international Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis, Vol. 9, pp. 57-69.
26.Suzuki, S. and Inooka, H., 1998, “A New Golf-Swing Robot Model Utilizing Shaft Elasticity, ”Journal of Sound and Vibration, Vol. 217, pp. 17-31.
27.Van Gheluwe, B., Deporte, E. and Ballegeer, K., 1990, “The Influence of the Use of Graphite Shaft on Golf Performance and Swing Kinematics,” Proceedings of the World Scientific Congress of Golf 9-13th, pp.258-263.
28.Winfield, D. C. and Teong, E. T., 1996, “Optimization of the Clubface Shape of a Golf Driver to Minimize Dispersion of Off-Center Shots,” Computers & Structures, Vol. 58, pp.1217-1224.