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振動噪音產學技術聯盟

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「104年度第1次聯盟推動委員會議」活動報導

振動噪音產學技術聯盟舉辦

104年度第1次聯盟推動委員會議」活動報導

(2015/04/20聯盟專員曾麗淑撰)
「振動噪音產學技術聯盟」104年度第1次聯盟推動委員會議2015/04/20(星期一)假高鐵新左營站莫凡彼咖啡館舉辦,由本計畫主持人兼聯盟主席王栢村教授主持,邀集與會來賓包括:北部據點召集人(臺北科大)李春穎教授、中部據點召集人(彰師大)黃宜正教授、南部據點召集人(高苑科大)夏紹毅教授、執行委員頡創公司鄭錦文總經理,共同與會討論聯盟推動工作。

聯盟主席王栢村教授由衷感謝各委員在公務繁忙之際,仍鼎力支援聯盟運作,去(2014)年為聯盟創始年,獲得各委員支援協助,是今年(2015)再獲得第二年的計畫補助的利基之一,今(2015)年仍請各委員不吝指教,共同耕耘「振動噪音產學技術聯盟」的宏觀願景。同時介紹今(2015)年中部據點召集人邀請彰師大機電工程學系黃宜正教授擔任,黃教授致力於機電系統之運動控制、量測、微位移等系統之機械設計、控制器設計與診斷等議題,進行實驗、模擬分析與研究,提供系統整合之機械設備研究,且具有執行政府計畫與產學合作之豐富經驗,未來將於聯盟網站、電子報提供更多黃教授研究相關資訊,也歡迎會員或業界先進對黃教授的研究有需求或興趣,可隨時與聯盟聯繫。

會議中進行聯盟從去(2014)2月創立以來的自我考核與評估,並規劃今(2015)年運作機制,以期能秉持聯盟宗旨【服務、創新、深耕、傳承】,提供振動噪音專業之人才培育、技術交流、設備更新的願景,及達成今(2015)年度目標。執行策略以研討會設攤行銷及辦理外部教育訓練推廣聯盟為主軸,廣邀各界先進的支持及參與,以期開發潛在會員廠商,促進產學合作交流機會。

聯盟會員服務依循去年模式,如T/R類會員採簡化登錄程序,廣邀學術界先進與法人單位加入,作為聯盟產學服務之儲備能量。E類會員之服務,除了聯盟轉載技術文章/電子報的形象行銷,總部(2015)將規劃辦理E類設備廠商產品發表會,媒介設備端廠商與應用端廠商/學研會員/法人單位互動交流,期待可解決應用端廠商設備需求及設備端廠商產品銷售。對於應用端廠商之A類會員,持續提供應用端廠商產學輔導,提供超值諮詢/訪廠/教育訓練服務。

在教育訓練課程上,聯盟(2015)規劃開授振動噪音專業需求面的課程模組,首先推出5/2526【實驗模態分析之實務與應用】專業課程,授實驗模態分析時所需了解與注意的事項,搭配現場實際操作讓學員真實體驗,幫助學員在學習上達到良好學習效果。此項課程為年度重點工作,期許協助培育振動噪音領域專業人才!

會中王栢村主席亦向委員報告「振動噪音產學技術聯盟」聯盟網頁於去(2014)年底進行改版作業,盼讓網路使用者得以快速搜尋到更詳盡、更完整的資訊。如聯盟電子報專區總覽,方便讀者回顧各期電子報,可快速連結查詢有興趣的內容。研發能量專區的技術文章與可技轉技術能量持續更新,提供振動噪音領域的研發技術介紹,並建立線上技術討論專區,期盼未來這兩大專區促進會員間的專業技術交流,以增進會員互動及參與!

「振動噪音產學技術聯盟」將持續定期召開聯盟推動委員會議,進行自我檢核,以期即時改善、回覆各界先進給予的建議與需求,提升聯盟的服務項目及服務品質,並且持續朝【企業需求導向、客制化專業服務】來推動聯盟之發展,也期許未來各界先進能繼續給予支持與指導。

活動花絮:





應用MATLAB於刀具頻率響應函數之雙頻道頻譜量測模組開發與驗證

    一般來說欲獲得刀具顫振穩定圖(Stability Lobe Diagram, SLD)需要透過刀具頻率響應函數(Frequency Response Function, FRF)才能計算分析得之,因此期望能以低成本、以目標為導向且容易操作之雙頻道量測系統需求。本文目的旨在開發一套訊號擷取之量測模組,透過MATLAB軟體為平台建立人性化介面,配合訊號擷取卡(USB-9234)進行訊號的擷取。未來此量測系統可方便將刀具顫振評估實際量測監測之功能整合。

屏東科技大學機械工程系所  振動噪音實驗室
實驗室主持人:王栢村教授
聯絡信箱:wangbt@mail.npust.edu.tw
聯絡電話:08-7703202 #7017 / 7036
實驗室網站:http://140.127.6.133/lab/

風扇聲音品質指標檢驗規範建立之自動化模組開發

        風扇噪音量測也成為品質驗證的重要指標之ㄧ,然而微小型風扇之噪音品質檢驗,目前多以人工方式,由手感或聽聲音來判斷其噪音量,難免有失客觀,有鑑於此建立一套可量化之量測方法與設備,以檢測風扇之噪音量有其必要性以及實用上之需求。

        利用已開發完成之聲音量測模組,對不同形式風扇 進行聲音特性之評估,以建立適合之聲音品質指標,由控制組風扇之聲音頻譜,訂定聲音品質指標,並自動建立檢驗標準,再以對照組風扇,進行噪音量測與驗證,經反覆驗證,可訂定各風扇之檢驗指標與其檢驗標準,達到生產上之自動化檢測,提升風扇噪音品質

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機車溫車階段之噪音檢測和評估

       本論文旨在模擬實際機車溫車時,探討機車在溫車階段到起步之前之噪音檢測與評估。首先定義溫車時間為200秒,共取機車樣本數22部,從發動引擎開始,持續在怠速狀態下溫車200秒,在加速起步,以精密噪音計紀錄時間域噪音量分佈,並同時記錄八音階頻率響應,以作為進一步評估與分析之參考。機車在定義之溫車階段,有50%樣本數(11部機車)其噪音污染位準過74dBNP,多數機車起步時之瞬間加速噪音亦達80dBA,的確對住宅安寧造成影響。機車噪音頻率域分析結果,將可提供對機車噪音改善之依據。本論文發展之溫車階段之噪音評估方法,可將做為其他車輛之評估以及提供訂定相關環保法規之參考

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施工機械噪音檢測與作業員曝露量之評估

       本論文旨在建立三種施工機械裝載機推土機挖土機噪音量測步驟,包括靜止怠速時聲壓之測定,以及一個工作循環和單一操作型態之噪音測定。藉由量測施工機器在靜止怠速時,半圓球面上十二個量測點之聲壓,可以求得該施工機械之聲能。又分別定義三種施工機械之工作循環,並實地量測施工機械一個工作循環之五分貝均能音量音壓位準以及五種單一操作模態均能音量音壓位準,可用以計算施工機械作業員之曝露量。本論文所建立三種施工機器之噪音量測程序,以及聲能曝露量之分析方法,可對環境噪音及作業員聽力之影響做評估,更可進一步提供工業衛生法令之參考。

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多邊形平板結構之裂縫位置預測

    本文主要探討應用無裂縫破壞與具裂縫破壞之結構模態振型,以預測多邊形平板結構裂縫破壞包括平行四邊形六邊形五邊形L等四種。首先,以有限元素分析無裂縫與具裂縫之多邊形板包括平行四邊形、六邊形、五邊形、L形等四種模型,得到其無裂縫模態振型,再將模態振型資訊由應變能法,結合微分值積法建立之裂縫預測程式進行二維多邊形平板結構的裂縫位置預測。多邊形平板破壞預測程式利用微分值積法求得任意平板模態振型的一次微分二次微分後,經由應變能法運算,可得到多邊形平板裂縫位置裂縫長度預測指標資訊。經由四種不同形狀平板結構的驗證,結果顯示利用此破壞預測方法能有效預測多邊形平板結構之裂縫位置。
    本文利用結構模態振型,探討多邊形平板結構破壞指標,先以有限元素軟體ANSYS 得到無裂縫破壞多邊形板之振型,再建立具有微小裂縫破壞的多邊形板之模型,將得到的振型經由微分值積法計算得到各多邊形平板振型的一次微分二次微分後,將結果代入應變能法,以應變能法計算結構的破壞位置破壞程度化,建立以多邊形平板結構的破壞預測方法。

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環形板之裂縫位預測

    本文利用應變能法(Strain Energy Method, SEM)結合微分值積法(Differential Quadrature Method, DQM)建立二維環形板結構裂縫位置的預測方法。首先,以有限元素軟體ANSYS分析無裂縫環形板模型有裂縫環形板模型,得到其無裂縫模態振型,將模態振型資訊輸入裂縫預測程式進行二維環形板結構的裂縫位置預測。環形板裂縫預測程式利用微分值積法求得環形板模態振型的一次二次偏微分後,由應變能法運算後,可得到環形板裂縫位置的預測指標資訊。結果顯示利用此裂縫預測方法能有效找出實際之裂縫位置。
    本文利用結構模態振型,探討環形板結構之破壞指標,先以有限元素軟體ANSYS 得到未破壞環形板之振型,再建立一具有微小破壞的環形板之模型,將得到的振型經由DQM計算得到各環形板振型的一次微分二次微分後,將結果代入應變能法,以應變能法計算結構的破壞位置破壞程度化,建立以環形板結構的破壞預測方法,希望對環形板結構的振動破壞檢測能有進一步的貢獻。

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螺栓鎖固搭接平板之模擬分析與驗證

    螺栓接合結構常用於機器組件,而螺栓接合之模擬技術是工程分析重要的議題。本文主要探討螺栓鎖固搭接平板,考慮不同平板長度不同螺栓扭矩之鎖緊力。螺栓接合結構之有限元素模型,以三維立方體元素建構平板,以接觸元素對模擬螺栓鎖固搭接平板接觸面,以及以桁架元素模擬螺栓受到扭矩之初始應變效應,並以此有限元素模型進行模態分析,以求得結構的模態參數,包括自然頻率模態振型,分別對無阻尼與具阻尼效應的結構,進行正交複數模態分析。
    本文主要探討螺栓鎖固搭接平板,考慮不同長度及不同鎖緊扭矩之鎖緊力進行模擬分析與驗證,以求得結構的模態參數有無阻尼效應之頻率響應函數,包括自然頻率模態振型頻率響應函數,其中包含Model IModel II,需決定接觸剛度(K)接觸阻尼(C)之數值。


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基座激振懸臂樑之模型驗證與振動教學展示

  本文主要建構懸臂樑含基座理論模型進行模型驗證,並搭配手提式振動示範機實際激振懸臂樑以作為振動教學示範。文中主要以實驗模態分析技術所求得結構之自然頻率及對應模態振型為依據,並以有限元素分析技術建構有限元素模型,進行無加速度規含接觸效應實際夾持邊界懸臂樑的模型驗證,最後以手提式振動示範機實際激振無加速度規懸臂樑並探討其差異。文中所使用實驗方法有聲音量測技術和實驗模態分析技術;在理論分析,首先以無加速度規自由樑理論模型進行模型驗證,以確認樑及加速度規之等效材料參數,接著懸臂樑固定邊界理論模型會以「簡化固定邊界」懸臂樑理論模型和「含接觸效應之實際夾持邊界」懸臂樑理論模型,進行邊界和接觸模擬確認。最後以含接觸效應之實際夾持邊界懸臂樑理論模型以簡諧分析進行響應預測,再以實際激振進行響應預測驗證,使之為振動教學示範教案。
       文以實驗模態分析技術求得結構之自然頻率及對應模態振型為依據,並以有限元素分析技術建構有限元素模型,進行無加速度規含接觸效應實際夾持邊界懸臂樑的模型驗證,最後以手提式振動示範機實際激振有、無加速度規懸臂樑並探討其差異。

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模型驗證工具程式發展與結構模型更新之應用

    本文應用數值運算軟體MATLAB撰寫模型驗證分析工具,介紹一般進行模型驗證理念及方法,並說明模型驗證模組的使用方法。模型驗證模組包含模態保證指標計算模組自然頻率誤差計算模組頻率響應函數繪圖模組,此模組用於比對模態參數,如自然頻率模態振型頻率響應函數曲線,透過此模組可大量縮減實驗及理論模態參數比對之後處理時間。文中以實際結構講解模型驗證分析工具,應用於模型更新中之模態參數比對,確認更新後分析模型能更等效於實際結構,模型驗證分析工具模組更能用於比對實驗之重現性及重複性。
   本文應用數值運算軟體MATLAB撰寫模型驗證分析模組,該模組包含進行模型驗證時常進行的模態保證指標(MAC)運算模組、自然頻率誤差運算模組及頻率響應函數繪圖模組。透過模態保證指標的運算可快速比對模態振型間的直交性自然頻率誤差模組可將MAC值較高之模態挑出,並計算其理論分析實驗所得自然頻率誤差,以方便確認是否為相同模態;FRF繪圖模組可快速繪製FRF曲線圖

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入風口直徑對離心式風扇噪音之影響

    本文主要是藉由改變下吸風口直徑,以實際實驗量測研究探討離心式風扇噪音變化。先經由CNC加工製成風扇樣品,再於風洞半無響室環境,量測得到風扇樣品之風量靜壓性能曲線聲音品質指標。結果顯示,在一些特定的上、下吸風口直徑的組合下,其風量靜壓可分別提升了10.54%15.27%SPLLoudness Prominence Ratio等聲音品質指標也分別降低了4.21%11.84% 54.89%總而言之,藉由不同入風口直徑搭配應用,可使得風扇之整體性能獲得提昇,且對於聲音品質也會有所改善,本研究成果可作為筆記型電腦離心式散熱風扇設計之參考。
實驗主要重點在於變更離心式風扇上下吸風口尺寸,來探討對於風扇噪音的影響為何,並輔以風扇的解熱能力作為參考。

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端銑刀有限元素模型驗證與振動模態特性探討

    為了得到銑削時其響應之模擬,適當且準確的有限元素模型便是相當必要的,故本文目的在建立可拋棄刀片端銑刀有限元素模型,模型則以ANSYS有限元素分析軟體進行建構。首先分別建構刀具在自由挾持邊界情況下之有限元素模型,並運用實驗模態分析(Experimental Modal Analysis, EMA)技術得到刀具於自由邊界振動特性。結果顯示於挾持邊界之刀具其自然頻率有明顯降低之現象。藉由模態參數比對之結果可以確定所建構之有限元素模型等效於實際結構,未來更可特別在挾持邊界之有限元素模型進行其他分析,如頻率響應函數(Frequency Response Function, FRF)之模擬及切削響應之預測。
    運用EMAFEA方法對可拋棄刀片端銑刀進行模型驗證,藉此得到等效於實體結構之有限元素模型,經由實驗分析之結果可得到端銑刀之模態參數,可進一步瞭解端銑刀之振動特性,未來更可藉由實驗所量測之頻率響應函數進行加工製程時穩定顫振圖形之預測。

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多自由度系統實體模型驗證及僅自由振動響應之模態分析方法驗證

    本文主要是採用有限元素分析配和實驗模態分析,對一多自由度系統之實體進行模型驗證,並以僅自由振動響應模態分析(Modal Analysis by Free Vibration Response Only,MAFVRO)方法對多自由度系統實體進行驗證。首先以對多自由度系統進行理論振動分析,以獲得理論之模態參數,並再以有限元素分析之模態分析簡諧響應分析,分別可獲得雙自由度系統之自然頻率模態振型頻率響應函數,並與理論振動分析實驗模態分析所獲得之模態參數進行比對,進而以MAFVRO方法對多自由度系統進行驗證。實驗結果成功的驗證了多自由度系統之實體,以及成功的應用MAFVRO方法來驗證雙自由度系統之實體,未來可應用於其他連續系統。
    本文之主要之目的在對一多自由度系統之實體進行模型驗證,並應用MAFVRO方法[5-7]驗證雙自由度系統之實體模型。

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僅自由振動響應之模態分析方法應用於連續系統

         本文主要是應用一嶄新之模態參數擷取方法,僅自由振動響應之模態分析(Modal Analysis by Free Vibration Response Only, MAFVRO)方法,利用此 MAFVRO方法應用於連續系統結構,以驗證其可行性。文中以懸臂樑為例,利用理論暫態響應分析所獲得懸臂樑自由振動響應代入MAFVRO方法以預測懸臂樑結構之模態參數,並以理論模態分析所獲得之模態參數進行比對,以驗證MAFVRO方法可應用於樑結構。透過MAFVRO方法可如同傳統實驗模態試驗,能成功預測獲得連續系統模態參數,未來可應用MAFVRO方法於結構之健康監測或是破壞預測等應用。 

          本文應用MAFVRO方法對連續系統進行探討,其中顯示MAFVRO方法之優點為所建立之數值方法更為簡易直接、破除待測物需靜止之限制以及省去昂貴之頻譜分析儀等量測設備。


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陸地車輛動態行駛品質分析

       本文旨在探討陸地車輛行駛品質分析模擬技術與所需相關背景之整理與介紹。除了說明各種動態分析之目的與類型,並針對車輛行駛品質分析之方法步驟評估方式作介紹,分析過程中所必需之振動問題解析技術,以及車輛行駛品質之特性均分別探討,最後以一全聯車之行使品質分析實例,闡述評估步驟。本文有利於從事車輛行駛品質分析之參考依據,相關之振動分析問題亦值得未來再深入探討。

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高屏溪攔河堰放水路閘門壽命評估

  本文主要是對高屏溪攔河堰放水路閘門進行壽命評估,首先對放水路閘門進行實驗模態分析以得到結構系統模態參數,包括自然頻率阻尼比振型等,藉以驗證有限元素模型,再由確認之模型進行閘門承受靜水壓力時之應力分析,與實驗量測之應力進行比較分析,並以有限元素分析推估高水位時閘門之應力狀態,以及與原始設計計算書比對結果,發現原始設計明顯保守。另外,也進行閘門於不同開度之放流實驗,同時量測記錄閘門之變動應力平均應力,再以古德曼之疲勞破壞評估圖,推估閘門之安全性。經實驗模態分析有限元素分析之驗證可得到正確之有限元素模型,再以有限元素法進行高水位之應力分析,得到閘門在靜力及疲勞分析均無安全顧慮閘門壽命是無虞的,並驗證了原始計算書﹝3﹞之合理性。本論文結合理論分析實驗模態分析,比傳統計算方法更嚴謹。本文之評估方法將可應用到其他類似結構,而模態參數將可運用於建立線上非破壞檢測系統


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軌道車輪之模型驗證與振動特性分析

       本文旨在對軌道車輛鋼輪,進行理論有限元素分析實驗模態分析,首先利用三維立體元素建構鋼輪的有限元素模型,進行模態分析獲得理論模態參數,接著進行實驗模態分析利用實驗來確認模態參數,包括自然頻率模態振型阻尼比,鋼輪的理論有限元素模型能透過調整楊氏係數,以實驗得到的模態參數為基礎,來驗證其等效性,本文也用流程圖來介紹模型驗證的方法及步驟,鋼輪的振動特性可以透過完整的說明 來瞭解,而驗證過的鋼輪模型可以使用在未來的研究上,例如輪軌接觸問題及輪軸分析等。


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軌道車輪聲音輻射與振動特性之關聯性探討

        本文旨在探討軌道車輛鋼輪之振動特性聲音輻射的關聯性,首先簡介鋼輪之有限元素分析實驗模態分析,同時說明鋼輪之振動模態特性,另外,藉著衝擊鎚敲擊鋼輪輪圈區域,以麥克風量測及加速度計分別量測鋼輪之聲音及振動頻譜,以瞭解鋼輪聲音輻射振動頻譜之間的關聯性,結果顯示受衝擊力鋼輪之聲音頻譜鋼輪振動模態有直接之相關性,並與軸向及徑向振動模態特性有關,藉由本文之實驗量測分析探討,嘗試瞭解鋼輪聲音輻射之機制及其與振動模態之影響,未來將有助於高速鐵路或捷運系統噪音問題之瞭解。

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南化水庫與高屏溪攔河堰聯通管路結構振動量測與分析

        本文是以對南化水庫與高屏溪攔河堰聯通管路結構,進行實驗模態分析 (Experimental Modal Analysis),利用衝擊槌與加速度計進行實驗量測,經由頻譜分析儀可以得到此結構於具有實際邊界之振動模態參數,包括自然頻率阻尼比模態振型,並求得其模態特性(bending modes)。首先,針對實驗的可靠性進行評估,包括 FRF 累加圖形FRF 曲線嵌合ODS 振型曲線嵌合後之振型比對,可以了解實驗的可靠性是足夠的。再討論經由曲線嵌合軟體所求得的模態參數進行討論,比較從不同狀態下(滿管與空管)進行之模態分析所得到之結果, 但由於點數不足所以以高頻處的模態振型比較就較無法看出。總而言之,整個實驗結果仍在合理範圍之內,故所求得的模態參數可靠度在合理之範圍內,利用此實驗結果之數據可以對預防結構之共振現象而作為其參考依據。


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大客車車體結構剛性與應力分析

        由於國內大客車車體結構的振動與噪音問題普遍嚴重,本研究針對成運汽車製造公司生產之客運車 型 BH 117 之車體結構進行振動分析與實驗。分析方法採用電腦輔助工程設計與分析(CAD/CAE)建立車體五片結構,包括:前後擋結構、左右側邊結構、以及 車頂結構,然後以有限元素分析軟體 ANSYS 進行振動分析。分析模型分別採用樑元素殼元素進行比對,分析結果再與實驗模態分析進行驗證比對。實驗模態分析是採用衝擊鎚分別激振車體的五片結構,以加速度規量取結構的動態響應,然後以頻譜分析儀進行分析,擷取車體結構的自然頻率與振型。驗證後之 五片結構分析模型進行焊接組裝的模擬,組裝後之完整車體結構可以進行結構振動分析,探討各種型車條 件下的車體振動行為,以及各種不同焊道比例對車體結構振動行為的影響。

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一般化阻尼系統之僅自由振動響應模態分析方法之發展與應用

          本文主要是發展以結構之自由振動響應求得模態參數之方法,並針對一般化阻尼結構進行分析。首先假設系統自由度之位移響應加速度響應皆可量測求得,透過不同之數值微積分方法可以得到結構之加速度以及速度響應矩陣,將獲得之響應矩陣帶入發展之方法中,將可以求得結構之模態參數,同時針對 不同感測器選擇所發展之數值微積分方法加以介紹說明,以使得發展之一般化阻尼系統之MAFVRO方法可適用於不同感測器模式,最後介紹以一般化阻尼 系統之MAFVRO方法進行模態參數預測之流程與程式發展架構。文中以3個及10個自由度系統數值分析結果,與理論分析結果比較,來驗證一般化阻尼系 統之MAFVRO方法之適應性以及可行性。透過發展 的方法可以成功的以輸出響應資料求得離散系統 。

屏東科技大學機械工程系所  振動噪音實驗室
實驗室主持人:王栢村教授
聯絡信箱:wangbt@mail.npust.edu.tw
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大客車車體結構焊接之模擬與分析-(I) 結構剛性分析

       本研究採用電腦輔助工程分析(CAE)技術探討大客車車體結構之焊接模擬與分析以及對結構剛性的影響,比較四種焊接方式對車體結構剛性的影響,包括:全焊、標準焊、焊道長度比25.1%、16.7%,並探討車輛在行駛中所遭遇的各種負載情況包括:彎曲剛性扭轉剛性、急減速與急轉彎所產生之慣性力等條件之作用下四種焊接結構產生之最大von Mises 應力與變形。本分析模型包括車體鋼骨結構、底盤大樑結構、地枕結構、引擎與變速箱、油箱以及焊道。車體結構之材料採用SPS30鋼管,焊接材料採用廣泰KM-56實心焊線(直徑1.0 mm、20 kg級,相當於AWS ER70S-6),焊接後焊道之材料機械性質則由拉伸試驗獲得。本研究對象為成運汽車所製造之國光號,型號BH-120-01。

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