精品资料（2021-2022年收藏的）材料力学课本P

1、研究專題應用CAE軟體於微飛行器塑膠套件材力分析及機構分析的研究班級:機電4B 學號:495370305姓名:李相甫指導教授: 楊龍杰摘要 早期微飛行器支架及零件的發展一直都是以較簡單、傳統方法製作，而由於微機電系統的發展，微飛行器便利用微機電系統製作方式使尺寸更為精準、強度更佳之塑膠套件。如今科技發展快速，使得科技產品愈來愈先進，進而使其中的零件愈精密，加上3D CAD 軟體不斷的改進，以滿足電腦繪圖者的要求，透過操作介面的智慧化，進而達到精準、快速完成的模型。而本專題是選用SolidWorks來學習使用，並學習如何繪出零件和組合件並以CAE軟體分析零件所受的應力、應變及其安全係數，找出問題

2、並用理論進行分析解決之。 首先，我們學習各種機械零件設計，並針對SolidWorks 2008軟體所附的光碟進行練習。將楊龍杰教授實驗室所開發拍翼式飛行器的零件用SolidWorks中的CosmosXpress模式進行分析，並先做各項的模擬以找出應力集中且變形量較大的部分加以改善，再用CAD改變材質及增加強度，並以CAE的模擬分析來達到基座的最佳化設計。目 錄目錄 -3第一章 研究方法 -41-1SolidWorks使用學習 -41-2 CosmosXpress分析 -41-3 記錄與結論 -4第二章 有限元素分析方法 -52-1 有限元素法分析 -52-2 FEA結果的解釋 -102-3 V

3、on Mises應力-102-4 主應力-12第三章 執行過程-133-1 SolidWorks 3D繪圖軟體訓練 -133-2 CosmosXpress分析基座受力的應力及位移分析 -133-3 CosmosXpress分析兩機翼的相位差分析 -13第四章 基座工字梁分析 -144-1 COSMOSXpress分析的運算過程 -144-2分析結果 -20第五章 飛行器相位差分析 -44第六章 結論 -49參考文獻 -5131第一章 研究方法l 1-1 SolidWorks使用學習詳讀SolidWorks 2008原廠教育訓練手冊，並練習課本範例及習題，來學習SolidWorks基本零件、組合

4、件與工程圖設計等技術練習內容章節如下:Chp.1 概論Chp.2 草圖繪製Chp.3 基本零件模型Chp.4 複製排列Chp.5 旋轉特徵 Chp.8 薄殼與肋Chp.9 掃出Chp.13 由上而下模型組合法l 1-2 CosmosXpress分析利用SolidWorks內建之CosmosXpress分析的功能去學習分析零件的受力情形和位移以及相位差等物理量。l 1-3 記錄與結論將所學與練習分析做詳細記錄執行過程第二章 有限元素法分析l 2-1 有限元素法分析FEA(Finite Element Analysis)稱為有限元素法分析，是一種以偏微分方程式求解專業問題的數學方法。FEA不是唯一

5、的數值分析工具，其他應用在工業上的數值方法還有：有限差分法(Finite Difference Method)、邊界元素法(Boundary Element Method)與有限體積法(Finite Volume Method)。但由於它的多功能性和高數值效率，FEA在工程分析軟體市場上佔了主要的地位，同時其他的方法被歸類為適合的應用程式。使用FEA，我們可以分析任何外型，利用多種方式來理想化幾何與產生需要精度的結果。FEA是工程分析中一大強力工具，可以處理從非常簡單到非常複雜的問題。任何分析的起始點就是幾何模型，對此模型指定材料性質，定義負載與拘束條件，接著，使用一種以數值近似的方法為基礎工

6、具，我們離散這些要分析的模型，而此離散的過程，就是一般所稱的建立網格，將幾何切割成相當小與簡單形狀的實體，此小實體稱為有限元素法。元素稱為”有限”是為了強調他們事實上不是無限小的，而是相對於整個模型尺寸而言是相當的微小。使用有限元素法時，FEA求解器針對包含組合件的整個模型中個別元素的簡單解，以數值近似求出所要求的解答。從FEA軟體的觀點來看，每個FEA應用程式需要三個步驟：l 前處理(Preprocessimg)分析類性(靜態、熱傳、頻率等等)，材料性質，定義負載與拘束條件，並將模型切割成有件元素。l 求解(Solution)計算所需要的結果。l 後處理(Postprocessing)解析結

7、果。從FEA方法論的觀點來看，我們列出下面的FEA步驟：(1) 建立數學模型。由零件或組合件模型為主的幾何開始，此幾何必須可以被切割成正確且適當為小的有限元素。所謂的小，並不是參考元素的尺寸，而是網格中元素的數目，此必要條件有重要的含意，我們必須確保CAD幾何模型真正的網格化，且產生的網格可以提供所要數據的正確性。除了讓模型可以切成網格的單一目的，而適當的做CAD幾何的理想化及簡單化，這是非常重要的。常常我們簡化模型會讓它正確地網格化，但產生的網格數目卻太大，進而造成分析速度非常緩慢。模型簡單化考慮到較簡單的網格與較短的運算時間。成功的網格建立非常依賴模型的品質，如同FEA軟體所提供的精密網格

8、工具一樣。將一個尚未建立網格的可網格化幾何，我們定義好材料性質、負載、支撐與拘束條件，並提供我們希望分析的類型訊息。此程序完成的數學模型的準則。(2) 建立有限元素模型我們藉由一個離散的過程將數學模型分割成有限元素，這稱為建立網格。離散化視覺上會顯示出幾何的網格。不過負載與支撐也是離散的，在模型已經分割成網格後，這些負載與支撐才會附加在有限元素的網格上。(3) 求解有限元素模型。(4) 解析結果。FEA分析方法流程如圖21所示。CosmosXpress的FEA分析方法流程如圖22。負載條件拘束條件簡化幾何數學模型FEA模型FEA結果理想化CAD幾何分析類型數值求解離散化(建立網格)材料性質圖

9、22 FEA分析方法流程圖。分析類型材料性質拘束條件負載條件CAD幾何FEA模型FEA結果圖 22 用CosmosXpress的FEA分析方法流程圖。l 2-2 FEA結果的解釋FEA的結果提供了結構分析中的位移、應變與應力，也提供熱分析中的溫度、溫度梯度與熱通量，其中，位移的準則是十分明顯且容易確定，應力則否。我們為了確保應力在一個可以接受的範圍範圍內，而執行應力分析，為了評估應力結果，我們必須了解機構的潛在破壞，如果一個零件遭到破壞了，哪一個應力分量是破壞的主因？在這裡我們侷限討論於Von Mises應力與主應力(Principal stress)概要上的不同，這兩者都是使用在驗證結構安全

10、性的基本應力測量法。l 2-3 Von Mises應力Von Mises應力，也稱為Huber應力，是針對一般3D狀態的應力，計算其六個應力分量的測量法。如圖2-3，在一個立方體元素的每個面上都有兩個見應力分量與正向應力分量作用著。由於平衡的需要，故，圖2-3 應力元素Von Mises應力方程式可以用整體座標系統定義的應力分量表示成：l 2-4主應力應力狀態也可以被描述成由三個主應力分量所構成：，其方向是正向於元素應力立方的面，如圖2-4。則Von Mises應力可以表示成：圖2-4 主應力元素Von Mises應力是一個非負數的純量。當Von Mises應力到達降伏應力時，材料恰為降伏。安

11、全係數在安全係數的規定下，必須大於1，故Von Mises應力必須小於材料的降伏應力。第三章 執行過程l 3-1 SolidWorks 3D繪圖軟體訓練 o 零件：1. 複製排列2. 旋轉特徵3. 薄殼與肋4. 掃出o 組合件：嵌合與模塑o 建立工程圖l 3-2 CosmosXpress分析基座受力的應力及位移分析l 3-3 CosmosXpress分析兩機翼的相位差分析第四章 基座工字樑分析由此專題中，我們考慮飛行器在下降時，基座底部會受到向後的作用力，以及馬達在旋轉時會成基座左右的震盪，所以我們改變基座的材料以及受力方向來取得最佳的材料。l 4-1 COSMOSXpress分析的運算過程(

12、1)打開COSMOSXpress圖4-1 COSMOSXpress介面(2) 定義材料：選擇POM Acetal共聚物圖4-2 COSMOSXpress介面-材料選擇(3) 定義拘束：在基座裝置馬達及碳棒的地方給予拘束。圖4-3 COSMOSXpress介面-定意拘束(4) 定義負載：先定義材料底部的孔，受到相後負載1N圖4-4 COSMOSXpress介面-定義負載(5) 執行分析圖4-5 COSMOSXpress執行分析(6) 結果報告：選擇產生HTML報告可以得到應力分布、位移分布、變形形狀的報告圖4-6 COSMOSXpress結果(7) 由HTML報告中，我們可以得到以下資訊：a.

13、檔案資訊b. 材料c. 負載和拘束資訊d. 專題屬性e. 結果 (a) 應力 (b) 位移 (c) 變形f. 附錄(8) 檢視結果：擷取我們要的資料材料、應力分布圖、位移分布圖圖4-7 應力分布圖：紅色區域顯示最大應力為7.201×106 (Pa)圖4-8位移分布暨模型變形圖：紅色區域顯示最大位移為8.763×10(mm)l 4-2分析結果l POMCase 1(工字梁) (a)(b)(c)(d)(e)圖4-9 POM Case 1受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 1分析結果：質量估算= 0.52g向

14、後的負載：最大應力= 7.201×106 (N/)撓度= 8.763×10 (mm)向右的負載：最大應力= 8.443×106 (N/)撓度= 1.187×10 (mm)Case 2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-10 POM Case 2受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 2分析結果：質量估算= 0.54g向後的負載：最大應力= 7.216×106 (N/)撓度= 8.889×10 (mm)向右的負載：最大應力= 7.471×106

15、 (N/)撓度= 8.277×10 (mm)Case 3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-11 POM Case 3受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 3分析結果：質量估算= 0.54g向後的負載：最大應力= 8.168×106 (N/)撓度= 7.014×10 (mm)向右的負載：最大應力= 7.782×106 (N/)撓度= 1.103×10 (mm)Case 4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-12 POM Case 4受力應力及撓度

16、結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 4分析結果：質量估算= 0.56g向後的負載：最大應力= 8.164×106 (N/)撓度= 7.125×10 (mm)向右的負載：最大應力= 7.605×106 (N/)撓度= 7.944×10 (mm)表4-1四種Case設計樣式的基座比較表質量估算(g)向後負載的撓度(mm)向右負載的撓度(mm)Case 1(工字梁)0.528.763×10-21.187×10-1Case 2(工字梁+肋條)0.548.889×10-28.2

17、77×10-2Case 3(無工字梁)0.547.014×10-21.103×10-1Case 4(無工字梁+肋條)0.567.125×10-27.944×10-2(a)(b)(c)圖4-13四種Case設計樣式的基座比較圖表(a)質量比較；(b)向後負載撓度；(c)向右負載撓度l ABSCase 1(工字梁) (a)(b)(c)(d)(e)圖4-14 ABS Case 1受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 1分析結果：質量估算= 0.52g向後的負載：最大應力= 7.30

18、6×106 (N/)撓度= 7.385×10-2 (mm)向右的負載：最大應力= 8.416×106 (N/)撓度= 9.944×10-2 (mm)Case 2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-15 ABS Case 2受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 2分析結果：質量估算= 0.54g向後的負載：最大應力= 7.289×106 (N/)撓度= 7.492×10-2 (mm)向右的負載：最大應力= 7.589×1012 (N/)撓度=

19、 6.943×10-2 (mm)Case 3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-16 ABS Case 3受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 3分析結果：質量估算= 0.54g向後的負載：最大應力= 8.320×106 (N/)撓度= 5.92×10-2 (mm)向右的負載：最大應力= 8.765×106 (N/)撓度= 9.267×10-2 (mm)Case 4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-17 ABS Case 4受力應力及撓度結果(

20、a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 4分析結果：質量估算= 0.56g向後的負載：最大應力= 8.315×106 (N/)撓度= 6.015×10-2 (mm)向右的負載：最大應力= 7.463×106 (N/)撓度= 6.673×10-2 (mm)表4-2四種Case設計樣式的基座比較表質量估算(g)向後負載的撓度(mm)向右負載的撓度(mm)Case 1(工字梁)0.527.385×10-29.944×10-2Case 2(工字梁+肋條)0.547.492×10-26.

21、943×10-2Case 3(無工字梁)0.545.92×109.267×10-2Case 4(無工字梁+肋條)0.566.015×106.673×10-2(a)(b)(c)圖4-18四種Case設計樣式的基座比較圖表(a)質量比較；(b)向後負載撓度；(c)向右負載撓度l PA66Case 1(工字梁) (a)(b)(c)(d)(e)圖4-19 PA66 Case 1受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 1分析結果：質量估算= 0.52g向後的負載：最大應力= 7.306&

22、#215;106 (N/)撓度= 7.385×10-2 (mm)向右的負載：最大應力= 8.416×106 (N/)撓度= 9.944×10-2 (mm)Case 2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-20 PA66 Case 2受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 2分析結果：質量估算= 0.54g向後的負載：最大應力= 7.289×106 (N/)撓度= 7.492×10-2 (mm)向右的負載：最大應力= 7.589×1012 (N/)撓度=

23、6.943×10-2 (mm)Case 3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-21 PA66 Case 3受力應力及撓度結果(a)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 3分析結果：質量估算= 0.54g向後的負載：最大應力= 8.320×106 (N/)撓度= 5.92×10 (mm)向右的負載：最大應力= 8.765×106 (N/)撓度= 9.267×10-2 (mm)Case 4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-22 PA66 Case 4受力應力及撓度結果(a

24、)分析零件；(b)向後應力；(c)向後撓度；(d)向右應力；(e) 向右撓度Case 4分析結果：質量估算= 0.56g向後的負載：最大應力= 8.315×106 (N/)撓度= 6.015×10-2 (mm)向右的負載：最大應力= 7.463×106 (N/)撓度= 6.673×10-2 (mm)表4-3四種Case設計樣式的基座比較表質量估算(g)向後負載的撓度(mm)向右負載的撓度(mm)Case 1(工字梁)0.527.385×10-29.944×10-2Case 2(工字梁+肋條)0.547.492×10-26.9

25、43×10-2Case 3(無工字梁)0.545.92×10-29.267×10-2Case 4(無工字梁+肋條)0.566.015×10-26.673×10-2(a)(b)(c)圖4-23四種Case設計樣式的基座比較圖表(a)質量比較；(b)向後負載撓度；(c)向右負載撓度表 44 POM與PA66的材料性質比較表1 MaterialPropertyPOM(Dupont 900P)PA66(Dupont 101L)ABSDensity (g/cm3)1.421.141.26Tensile strength (MPa)708230Elonga

26、tion (%)17256Heat distortion temperature ()162200220Tensile modulus (GPa)3.33.12.7Flexural modulus (GPa)3.02.84Water absorption (%)1.8-2.01.50.15-0.2HardnessR120R108R115第五章 飛行器相位差分析此專題中，我們以COSMOSMotion進行機構分析，藉由改變左右其中一邊的齒輪與中央齒輪的配合，進而改變兩機翼的相位差，而在拍翼式的飛行器中，我們要選擇相位差最小的方案來使用。2MAV_360MAV_360i圖5-1分析模組分析結果l MAV_360表5-1齒數與左右機翼相位差齒數左右翼相位差齒數左右翼相位差25.272243.1411.962441.79618.442639.5824.392836.251029.73032.11234.263227.151437.