论文比赛范例-高苑科技大学-机械与自动化系.DOC

2016高苑盃機電光高中職專題競賽 電動機車車架焊接後應力及疲勞CAE分析 作者： 涂○○ ○○高職 機三甲班 張○○ ○○高職 機三甲班 指導老師： 夏○○ 老師 壹、前言 由於機車具有輕便及機動性佳等優點，早已是台灣日常生活不可或缺的交通工具，平均每年大約有65至70萬輛的需求規模，而機車相關產業的發展亦已逾半世紀，從原先高度仰賴進口的代工組裝型式發展至到目前已近100%自製率的成熟產業，國內機車業者歷經無數次激烈競爭與挑戰。而消費者在歷經多年來的使用經驗後，對電動機車產品品質的要求也越來越高，除了一般的性能、安全、舒適外，耐用性也是一個重要的指標。一般而言，電動機車行駛於道路時，由於道路之高低起伏，使車體承受大小不同的反覆作用力。雖然力量不至於馬上造成車輛產品損壞，但在長期的使用下，會不斷的累積損傷的能量，當累積損傷達到材料的上限時，便造成破壞。 隨著幾十年來CAE技術的發展，在現今已發展出許多種類的技術，其中包括有限元素法、邊界元素法、有限差分法等。每一種方法各有其應用的領域，而其中以有限元素法應用的領域較廣，其中包含結構動力學、熱力學、流體力學、電磁學等(江銘傑，2006)。在1960年，Finite Element Method便開始被應用於結構分析方面的計算，之後有限元素法便快速的在各種工程和物理學科方面發展(Kobayashi S., Oh Soo-Ik, Altan T., 1989)。卓進興利用有限元素法模擬機車車體結構的模式，包含機車結構的動態與靜態分析以及車體結構的最佳化設計(卓進興，2003)。在動態方面利用電腦求出其結構的自然振頻，並與模態實驗作驗證，以確保電腦模型的可靠性。在靜態方面則利用模擬車體結構受力變形的情形，以求出車架結構所需加強之部份。最後，利用最佳化設計的方法，針對全模組之結構給予參數化之設計，並且給定結構振幅最小化之設計目標，在此目標下，求出結構的最佳化設計。Robin討論機車設計包含完整的實驗測試以及虛擬的原型測試，使用了數種分析方法應用於金屬及複合材料元素。最後並詳細的討論了新型態的機車吸振連接器的最佳化設計過程，考慮了摩擦力以及車體在賽車場控制的模擬(Tuluie R., Ericksen G. S., 2000)。 材料疲勞問題的研究起源很早，自人類使用各種機械構件以來，疲勞問題即隨之產生，但直到十九世紀中期，人們才開始注意這個問題的危害性，並逐步加以控制改善。1954年，Coffin及Manson建立了塑性應變造成材料損傷的理論，及由於熱應力和高應力振幅負荷引起的材料疲勞問題(Coffin L.F., 1954; Manson S.S., 1954)。研究中分別各自提出發生疲勞破壞時的負荷反向次數與塑性應變幅的經驗關係；此關係被稱之為Manson-Coffin關係法則，它是根據塑性應變來描述疲勞所應用最廣泛的方法。1993年，Canfield和Villaire曾提出與汽車相關的壽命試驗(Canfield R.E., Villaire M.A., 1993)。 上述雖然有多篇文獻針對車輛之有限元素及疲勞實驗進行分析，唯對車架間的焊接處理所產生的影響較少相關資料可供參考，故本研究重點將在導入CAD設計與CAE分析過程中同時考慮焊接元素對應力分佈及疲勞壽命評估所造成的影響。 貳、正文 一、基礎理論 （一）工程分析方法 有限元素原理主要是將結構分割成不同大小、種類之區域利用不同領域的需求，推導出每個元素之作用力方程式，組合整個系統的元素，構成系統方程式，最後將系統方程式求解。以靜態負載之強度分析為例，元素方程式可以表示為： (1) 其中[K]為勁度矩陣，主要是表示節點負荷{F}與節點自由度之位移{q}之間的相關性。若是線性問題，則當結構物之[K]矩陣由各元素之勁度矩陣組合完成時，便能進行求解步驟；若是非線性問題，則需要透過增量理論以反覆計算的概念，藉由不斷修正更新[K]矩陣，直到解獲得收斂為止。所以有限元素法之內容，包括分割網格化、元素方程式之矩陣構成、全域方程式之組成、邊界條件之設定，外力之離散化、方程式之求解、收斂性及誤差分析、以及相關物理量之後處理等。 （二）疲勞壽命分析 疲勞是存在於結構受動態或規律性變動應力(例如橋樑、航空器和機械零件)時的一種長時間反覆應力或應變循環之破損形式。一般車輛除了承受靜態負荷之外，更常遭遇到動態負荷，如行駛時的振動循環負荷等。在這些情況之下，破損可能發生於其應力值低於靜態負載之抗拉或降伏強度的情形下。疲勞行為通常可分為低週次疲勞與高週次疲勞兩個區段，其疲勞特性與物理機構皆完全不相同。 （三）應力 - 壽命曲線(S-N Curve) 一般評估材料壽命的方法是使用應力-壽命曲線，也就是材料之應力值與循環週期數相關