這個單元來看「虛擬測試」(virtual testing, VT)的理念，應用在高爾夫球桿的設計開發，要進行「虛擬測試」(virtual testing, VT)的結構「設計變更」(design modification)流程，如圖示，主要包括三個步驟：
1.
模型驗證(model verification,
MV)：針對系統結構，分別透過分析與實驗的解析，比對驗證系統模態參數相吻合，以確認結構系統之分析模型的正確性。
2.
響應預測(response prediction,
RP)：引用驗證後的結構系統分析模型，設定外力負荷條件以及邊界狀態，可以進行響應預測，得到設定的性能指標(performance index)。
3.
設計變更(design modification,
DM)：透過模型變更(model modification)，可以對結構系統分析模型，進行如幾何形狀尺寸的設計變更，並進行虛擬測試(virtual testing, VT)。
一支高爾夫球桿，簡單說，會有球頭及碳纖維球桿組合而成，在模型驗證階段，分別對零件層次(component level)的單獨球頭以及碳纖維桿，進行模型驗證程序。其次，對整支高爾夫球桿的組合結構(assembly structure)，也可以說是系統層次(system level)，再進行模型驗證程序。
為什麼要從component level執行模型驗證？能不能直接由system level進行模型驗證呢？
在回答這些問題前，先從一個產品結構系統來說，常是由多個零組件組裝而成，由此觀點可以概分產品結構的三個層次，也必須分別由三個層次依序進行模型驗證：
1.
Component level零部件層次：每個零部件有其幾何(geometry)形狀、尺寸，以及所據以製造的材料(material)。零部件層次的模型驗證，需要建構其分析模型與進行理論分析，因為幾何模型大約都可以明確建構，而材料參數如密度、楊氏係數及普松比等材料機械性質，固然都有參考值，仍需要透過模型驗證程序，才能明確的校正材料參數。
2.
Sub-system level次系統層次：也可以說是次組合結構sub-assembly structure，在此層次的模型驗證意義，在明確界定分析模型的組合介面(Interface)參數。
3.
System level系統層次：當然就是產品結構系統在實際運作情況下的系統狀態，重要的就是系統邊界(boundary)的模擬仿真，
由以上說明，可以知道模型驗證在確認分析的系統模型之可靠度與正確性，包括：幾何(geometry)、材料(material)、邊界(boundary)、以及介面(Interface)，以GMBI提示讀者的注意，分析模型是要模擬仿真實際結構系統的特性，GMBI假設的有效性與確認，就需要模型驗證技術。
本案例之高爾夫球桿模型驗證及虛擬測試的探討步驟概述如下：
1.
Component level的模型驗證：零部件層次概分為球頭及碳纖維桿，分別完成其模型驗證，校正了球頭及碳纖維桿的材料參數。
2.
Sub-system level的模型驗證：針對球頭及碳纖維桿的組裝介面，在分析模型需要對實際的組裝介面參數進行設定與校正。
3.
響應預測response prediction
(RP)：在本例有兩個RP的目標，(1)高爾夫球桿的擊球聲音預測，透過實際的聲音量測與頻譜分析，可以調校分析模型於聲音頻譜的預測，如先前單元介紹【高爾夫球頭振動特性與擊球聲音關聯性】。(2)高爾夫球桿打擊手感預測，透過球頭的振動模態振型，發展打擊能量指標，據以評估如球頭的打擊甜蜜區(sweet spot)。
4.
模型變更model modification、設計變更design modification (DM)：經由模型驗證MV到響應預測RP的分析與實驗的佐證，當然就可以引用分析模型的分析技巧，據以對結構模型的設計變更DM，進行虛擬測試(virtual testing)，反覆RP與DM的循環流程，以達到揮擊聲音及打擊手感的改善。
本單元再次說明結合模型驗證理念，於虛擬測試的產品設計開發，在此回顧一下進行模型驗證的主要3個步驟：
1.
對實體結構的實驗模態分析(EMA)：可以量測得到結構的頻率響應函數，並經由曲線嵌合(curve fitting)，可以擷取得到結構的模態參數，包括：自然頻率、模態振型及模態阻尼比。
2.
對實體結構建立分析模型及對應的模擬分析：主要有兩種分析，包括：理論模態分析求得結構的自然頻率及模態振型；以及簡諧響應分析求得結構的頻率響應函數。
3.
模型驗證比較：分別由頻率域的頻率響應函數，以及模態域的模態參數，作比較探討，以確認分析模型等效於實體結構。
有關模型驗證議題的相關單元，列舉如下：
4.
【結合「CAE」與「EMA」之工程設計與應用：後懸吊扭曲管件結構】，【Integration of CAE and EMA for Engineering Design and Applications：Vertical Auxiliary Table】，分別以實際的「後懸吊扭曲管件結構」以及「振動試驗機的垂直輔助平台」之設計變更流程，探討模型驗證(Model
Verification)的意義與虛擬測試(Virtual
Testing)之應用。
本單元以高爾夫球桿為例，從零部件層次的模型驗證到系統層次的模型驗證，說明高爾夫球桿揮擊聲音及打擊手感的響應預測，以及以虛擬測試方式，進行結構設計變更的作業理念，以達到高爾夫球桿的聲音與手感的改善。希望對讀者在觀察產品結構系統的三個層次及其對應的GMBI模型驗證理念與實務，有進一步的了解與體會！
以上個人看法，請多指教！
王栢村
2018.10.09
0 意見:
張貼留言