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研究生: 葉明學
Yeh, Ming-Hsueh
論文名稱: 運用有限元素法於光學機構震動分析
Vibration Analysis of Optical Mechanism Using Finite Element Method
指導教授: 趙隆山
Chao, Long-Sun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系碩士在職專班
Department of Engineering Science (on the job class)
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 104
中文關鍵詞: 光學機構有限元素模型振動模態分析激振響應疲勞測試
外文關鍵詞: Optical Mechanism Finite Element Model, Vibration Modal Analysis, Vibration Response, Fatigue Testing
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  • 本文提出一種簡化有限元素模型模式來研究車燈整體及局部之振動行為,此有限元素模型可作為車燈前端設計的規格分析資料。本研究使用有限元素分析對車燈進行共振模態與頻率響應分析,再利用電磁振動機對實燈做正弦掃描振動測試,找出其動態特性,並對實驗與有限元素分析進行驗證;對於車燈模型建構採取小導角與花紋取消以及非結構類組合零件省略等模型簡化原則,並藉由調整有限元素模型邊界條件及網格與實驗激振頻譜進行驗證;結果顯示,有限元素模型調整的訣竅為車體對板件之固定點選擇與設計、整體燈各零件的組合對應力分配影響,以此可規劃出等效有限元素網格模型;而在模型網格數規劃,由不同燈種模擬數據歸納出,一百萬網格數是一個兼顧準確度跟運算效率的選項。
    本研究亦進行車燈在實車與治具安裝方式上響應測試比較與設計改善,研究結果顯示,作有限元素頻率響應模擬時,車燈不連接治具,直接使用車燈模組,模擬後結構耐久更接近實際振動測試結果。透過分析本研究車燈模擬響應結果,發現運算時若使用直接積分法,相較於模態法,對網格劃分不良的模型,會有運算失真的可能性,故反之可將其運用於網格完整模型,節省處理跟模擬運算時間,以降低設計成本。

    Optical mechanisms must possess static and dynamic stability to maintain relative positions between optical components and to ensure the image qualities of optical systems. Based on finite element analyses, this study applies modal analyses to improve the rigidity of an opto-mechanical structure. Firstly, a swept sine vibration test is performed to study the dynamic characteristics and natural frequencies of the opto-mechanical structure. Then, a reliable finite element model is built, based on which finite element modal analyses are performed to improve design parameters. Finite element modal analyses of the main structure are performed to improve their rigidity, respectively. Finally, feasible solutions are proposed to attain an increased natural frequency and improved rigidity.

    中文摘要 I 英文摘要 II 致謝XIX 目錄 XX 表目錄XXIII 圖目錄 XXIV 第一章 緒論1 1.1 前言1 1.2 車燈結構零件組成2 1.3 研究背景與目的3 1.3.1 車燈耐久規範4 1.3.2車燈振動規範4 1.3.3 研究目的5 1.4 文獻回顧6 1.5 論文架構8 第二章 基本理論9 2.1 機械振動9 2.1.1 振動物理量9 2.1.2 結構振動種類 10 2.1.3 共振11 2.2 單自由度具阻尼系統響應11 2.3 多自由度系統16 2.4 有限元素法簡介18 2.4.1 基本要件19 2.4.2 理論基礎23 第三章 研究內容與方法26 3.1 研究規劃26 3.1.1有限元素振動模擬26 3.1.2振動實驗28 3.2有限元素工程分析工具29 3.2.1網格生成29 3.2.2有限元素運算29 3.2.3結果顯示30 3.3實驗設備簡介 31 3.3.1頻率響應實驗設備31 3.3.2模態量測設備33 3.4車燈各零件常用材料性質說明34 第四章 有限元素分析跟振動實驗結果與討論36 4.1分析模型組合最佳化36 4.2屬性構建37 4.3邊界條件設定38 4.4求解方式與後處理40 4.5網格獨立性測試41 4.6.1有限元素模擬數據與燈具耐久實驗的判讀43 4.6.1.1 H式機車頭燈44 4.6.1.2 N式汽車頭燈47 4.6.1.3M式機車尾燈50 4.6.2結果討論54 4.7.1拘束邊界條件對分析結果之影響55 4.7.2結果討論58 4.8.1配合實測環境修正邊界條件59 4.8.2結果討論68 4.9.1模態法跟直接積分法所求得解的差異性69 4.9.2結果討論78 4.10.1邊緣導圓角對模態跟應力的影響94 4.10.2結果討論96 4.10.3針對支撐肋設計的結構強化效果96 4.10.4結果討論99 第五章 結論與建議100 5.1結論100 5.2未來研究方向101 參考文獻 103

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