這單元主題【F-C(S)-A(M)-I-V/C-I】乍看起來，會有點摸不著頭緒，要怎麼應用這樣的思維程序在工程設計分析呢？需要花點工夫熟悉這個理念，相信會讓常在執行設計分析工作的工程師，耳目一新。
將【F-C(S)-A(M)-I-V/C-I】解剖分為兩個部分：一是分析方法的【F-C-A-I-V/C-I】，一是實驗方法的【F-S-M-I-V/C-I】，作個簡單的定義說明如下：
1.
Function：功能/目的。
2.
Analytical approach分析方法：
(1)
CAE(FEA)：電腦輔助工程分析(computer aided engineering, CAE)，有限元素分析(finite element analysis, FEA)。
(2)
Analysis：分析。
2.
Experimental approach實驗方法：
(1)
Sensor：感測器。
(2)
Measurement：量測。
3.
Index：指標、評估指標、性能指標。
4.
Value/Criterion：指標對應的數值；指標對應的允收標準。
5.
Improvement：因應對策及改善作業。
(1)
分析手法：進行虛擬測試(virtual testing, VT)。
(2)
實驗手法：進行試誤法(trial-and-error
method)。
先前的兩個單元：【應用【F-C-A-I-V_C-I】思維程序於工程設計分析：多功能車車架結構的模型驗證與基於結構剛性之輕量化設計】，【應用【F-C-A-I-V_C-I】思維程序於和弦鐵琴片之開發設計分析與聲音特性】，是使用【F-C-A-I-V/C-I】分析方法，分別應用在：車架結構變更設計流程，以及和弦鐵琴片的設計開發。
本單元目標，再針對引用【F-C-A-I-V/C-I】分析方法，及【F-S-M-I-V/C-I】實驗方法，應用於產品設計的思維程序，仍然以具和弦音鐵琴片的開發設計案例，做綜合討論。
1.
Function：功能/目的。目的當然就是設計出一個鐵琴片，經敲擊後，能夠發出如C和弦，三個音階頻率的聲音，也就是，具和弦音鐵琴片之設計開發。
2.
Analytical approach分析方法：
(1)
CAE(FEA)：電腦輔助工程分析(computer aided engineering, CAE)，有限元素分析(finite element analysis, FEA)。採用CAE軟體，進行鐵琴片的數值分析。需要對實際結構，透過分析假設，定義數學模型(mathematical model)，並建構其有限元素模型(finite element model)。
(2)
Analysis：分析。需要進行鐵琴片的振動分析(vibration analysis)，包括：[1]模態分析(modal analysis)，可求得結構的自然頻率(natural frequency)及對應的模態振型(mode shape)。[2]簡諧響應分析(harmonic response analysis)，則可求得結構的頻率響應函數(frequency response function,
FRF)。另外，為了進行鐵琴片的形狀設計，引用貝茲曲線(Bezier curve)的曲線擬合方法，建構最佳化設計(optimum design)的問題定義，包括：設計變數(design variables)，目標函數(objective function)，以及限制條件(constraints)。
3.
Experimental approach實驗方法：
(1)
Sensor：感測器。需要準備對應實驗的量測感測器及頻譜分析儀等設備。當完成了和弦鐵琴片的設計，可以進行加工，取得實體結構的和弦鐵琴片，進行實驗量測。在此，進行了[1]EMA【甚麼是【實驗模態分析】？What is 'Experimental Modal Analysis' (EMA)？】，以及[2]敲擊聲音的量測。
(2)
Measurement：量測。分別對[1] EMA、及[2]聲音量測，安排實驗規劃、實驗方法、進行實驗量測。
3.
Index：指標、評估指標、性能指標。在此，就是和弦鐵琴片的自然頻率及模態振型，可以由分析及實驗的結果，進行比對驗證，確認分析模型的正確性及可靠性。同時，也由實際量測的聲音頻譜，比對和弦鐵琴片的振動模態特性，充分了解鐵琴片的發聲機制。
4.
Value/Criterion：指標對應的數值；指標對應的允收標準。所設計的鐵琴片之發聲自然頻率值，就是Value。要設計出具有和弦音的鐵琴片，如C和弦，是Do、Mi、So三個音階的組成，由【音階標準頻率】，可以定義出此三個音階的目標頻率值，也就是Criterion允收標準。
5.
Improvement：因應對策及改善作業。如果，設計的和弦鐵琴片自然頻率，沒能達到音階標準頻率的要求，就要啟動改善作業。另一方面，除了大三C和弦外，也有其他小三、增三、減三和弦，如Cm、Caug、Cdimi等不同形式、不同音階的和弦鐵琴片設計，也要啟動設計變更作業。設計變更、設計改善作業，可以從兩個方向進行：
(1)
分析手法：進行虛擬測試(virtual testing, VT)【模型驗證的意義與虛擬測試之應用】。針對設計現況，由Index – Value –
Criterion的綜合評估，提出改善構想，以分析方法，可以快速預測設計變更的效果。以VT方法進行設計變更分析，可以加速設計變更的作業流程。
(2)
實驗手法：進行試誤法(trial-and-error
method)。在和弦鐵琴片的設計改善，若以實驗方法，進行設計變更，恐怕是曠日廢時，很難達到設計需求。在此，實驗方法僅作為設計驗證的輔助工具。
本單元介紹的【F-C-A-I-V/C-I】分析方法，以及【F-S-M-I-V/C-I】實驗方法的工程設計思維程序，應用於產品開發的實務步驟，建議如下：
1.
Function：明確的定義產品設計的工作目標。本案例目標：設計出具有和弦音的鐵琴片。
2.
Index：定義明確的可量化之評估指標。本案例的評估指標：鐵琴片發聲頻率之結構振動自然頻率。
3.
Criterion：決定對應評估指標Index的允收標準Criterion。本案例的允收標準：如C和弦的Do、Mi、So的標準音階頻率，就是Criterion。
4.
CAE – Analysis：選擇適當的分析工具、分析方法，進行設計分析。本案例的分析方法：分別進行了(1)模態分析、(2)簡諧響應分析、以及(3)結構形狀的最佳化設計分析。
5.
Sensor – Measurement：選擇適當的量測軟硬體設備，要有適當的實驗規劃、量測方法、進行實驗量測。本案例的實驗方法：執行了(1)EMA以及(2)鐵琴片敲擊之聲音量測。
6.
Improvement：設計變更的對策與改善。有了任何的設計變更構想，也要進行對應的改善作業，兩種作業模式：
(1)
實驗方法：一則，以實體實驗方式進行，可以預期將耗費大量的人力、物力及時間，也就是高成本的資源投入。若能就Index – Value –
Criterion的綜合評估，不失為科學性、系統化的設計變更作業方式。
(2)
分析方法：另一則，藉由分析手法，可以引用VT虛擬測試理念，進行設計變更之分析。不過，必須要有準確的、可靠的分析模型與分析技術。
本案例的設計變更目標，有兩項：(1)針對單一和弦鐵琴片的最佳化分析與設計變更。(2)擴展到不同和弦、不同音階的和弦鐵琴片之設計開發。
本單元以和弦鐵琴片的設計開發為例，以【工程設計的新思維：F-C(S)-A(M)-I-V_C-I】為主題，帶入【F-C-A-I-V/C-I】的分析方法及【F-S-M-I-V/C-I】實驗方法的思維程序，再次探討和弦鐵琴片的設計分析實務與應用。希望透過此案例在【F-C-A-I-V/C-I】及【F-S-M-I-V/C-I】思維程序的應用，讓讀者有進一步的了解與體會！
以上個人看法，請多指教！
王栢村
2018.12.05
0 意見:
張貼留言