论文范例-高苑科技大学

高苑盃機電光高中職小論文競賽電動機車車架焊接後應力及疲勞CAE分析作者：涂○○○○高職機三甲班張○○○○高職機三甲班指導老師：夏○○老師壹、前言由於機車具有輕便及機動性佳等優點，早已是台灣日常生活不可或缺的交通工具，平均每年大約有65至70萬輛的需求規模，而機車相關產業的發展亦已逾半世紀，從原先高度仰賴進口的代工組裝型式發展至到目前已近100%自製率的成熟產業，國內機車業者歷經無數次激烈競爭與挑戰。而消費者在歷經多年來的使用經驗後，對電動機車產品品質的要求也越來越高，除了一般的性能、安全、舒適外，耐用性也是一個重要的指標。一般而言，電動機車行駛於道路時，由於道路之高低起伏，使車體承受大小不同的反覆作用力。雖然力量不至於馬上造成車輛產品損壞，但在長期的使用下，會不斷的累積損傷的能量，當累積損傷達到材料的上限時，便造成破壞。隨著幾十年來CAE技術的發展，在現今已發展出許多種類的技術，其中包括有限元素法、邊界元素法、有限差分法等。每一種方法各有其應用的領域，而其中以有限元素法應用的領域較廣，其中包含結構動力學、熱力學、流體力學、電磁學等(江銘傑，2006)。在1960年，FiniteElementMethod便開始被應用於結構分析方面的計算，之後有限元素法便快速的在各種工程和物理學科方面發展(KobayashiS.,OhSoo-Ik,&AltanT.,1989)。卓進興利用有限元素法模擬機車車體結構的模式，包含機車結構的動態與靜態分析以及車體結構的最佳化設計(卓進興，2003)。在動態方面利用電腦求出其結構的自然振頻，並與模態實驗作驗證，以確保電腦模型的可靠性。在靜態方面則利用模擬車體結構受力變形的情形，以求出車架結構所需加強之部份。最後，利用最佳化設計的方法，針對全模組之結構給予參數化之設計，並且給定結構振幅最小化之設計目標，在此目標下，求出結構的最佳化設計。Robin討論機車設計包含完整的實驗測試以及虛擬的原型測試，使用了數種分析方法應用於金屬及複合材料元素。最後並詳細的討論了新型態的機車吸振連接器的最佳化設計過程，考慮了摩擦力以及車體在賽車場控制的模擬(TuluieR.,&EricksenG.S.,2000)。材料疲勞問題的研究起源很早，自人類使用各種機械構件以來，疲勞問題即隨之產生，但直到十九世紀中期，人們才開始注意這個問題的危害性，並逐步加以控制改善。圖2電動機車車架實際分析模型前軸(Front)：前避震(單支)K值6370N/m；輪胎：K值98000N/m；透過彈簧並聯與串聯，經計算導入CAE之軸向勁度為11374N/m。後軸(Rear)：後避震K值17640N/m；輪胎：K值98000N/m；透過彈簧串聯，經計算導入CAE之軸向勁度為14949N/m。2、網格設定電動機車車架在分析過程中所使用的網格類型如下所述，其分格的結果可參考圖2所示：全車架結構分析採用的是均為6節點三角形殼元素(6nodestriangularelement)，薄殼元素中的每個節點具有六種自由度，即三向平移及三向旋轉。其網格品質由兩項尺度來決定，一是元素大小(ElementSize)，另一項是元素的公差，兩者在設定時以一定比例(1:0.03)自動調整；為確認採用元素大小所造成的模擬運算誤差，分別以不同元素大小(50,40,30,25,20mm)，進行車架(無負載)之自然振動頻率分析。經分析獲得5種元素尺寸的前4個自然頻率，其節點數與頻率大小如圖3所示：圖3收斂趨勢由圖3中可看出收斂趨勢，以前4個自然頻率來說，至節點數6269達收斂，因此後續的分析皆以此作為分析基準。3、材質參數其中車架部份為純碳鋼(SPHC)，若為空車架時重約16.34kg，含各項元件如輪胎、馬達變速箱、電源轉換器及電瓶後空車重為98.66kg，當考慮一位駕駛者約75kg後，實車重為173.76kg。（三）焊接疲勞分析車架所使用的焊材為TM-70，降伏強度為545MPa，因原廠未提供此材料的疲勞性質，故依含碳量及拉伸強度相近的JISS25C之疲勞性質做分析。其高週疲勞性質為：應力範圍截距：1594MPa斜率轉換位置：2.15×106cycles疲勞限範圍：504MPa焊接疲勞分析係由實際路試取得車架振動資料，導入分析軟體而獲得其使用壽命，其實施過程如下：設定使用路面：依照本電動機車於實際使用時，駕駛路面的比例分為：A.Belgium路面時速20km/hrB.Belgium路面時速40km/hrC.柏油路面時速20km/hrD.柏油路面時速40km/hrE.碎石子路面時速20km/hr每種路面行駛比例均占20%，分析的總里程數為50,000km。實際路試加速規放置位置：本次路試放置加速規位置共計四點，分別是車前避震器上支架、電池座旁支架、坐墊下方支架及後避震器旁支架。路試過程中各點均使用X-Y雙軸加速規，所獲得資料如圖4所示：透過校正並轉換成以重力加速度值為表示方式，五種路面的加速度值中的Belgium路面在時速20km/hr的負載變動情形如圖5所示。圖4雙軸加速規放置於後避震器旁支架圖5雙軸加速規四點量測結果圖6Belgium路面時速20km/hr三、結果與討論（一）自重分析與全負載分析自重分析的入力為整體機車的自重99kg，轉換成重力近似990N，經分析所獲得的圖形如圖7所示。由圖中可以看出最大應力值(除去形狀及邊界條件所造成的分析奇異點)為103.768MPa，材料的降伏應力為220.594Mpa，經計算其安全係數為2.126，可判定該車架結構承受自重的情況下是安全的。全負載分析的入力為整體機車自重，加上兩位搭乘人員的重量1500N，總計2490N。經分析所獲得的圖形如圖8所示，最大應力發生在剛性支撐處，依FEM的分析特性可知該處的應力集中係由簡化條件所造成(該處原為連桿接合處，並非剛性支撐)；依此可忽略該處不計，最大應力值為182.795MPa，發生在後座椅部分，而車架材料的降伏應力為220.594Mpa，故經計算其安全係數為1.207，可判定該車架結構在兩位承載人員的情況下仍是安全的。圖7車架自重分析後應力分布情形圖8車架全負載分析後應力分布情形（二）焊接疲勞分析以機車車輛自重並搭乘75kg之人員進行耐久疲勞分析，所獲得損傷及壽命如圖9所示：圖9疲勞壽命(LoadFactor)=1疲勞壽命(LoadFactor)=1時，經計算分析獲得本車架(除邊界條件施加點)的焊接強度之全部壽命為施加負載歷程曲線(50,000km)的2048倍，意即以此負載條件下，車架不會損壞。重複計算各疲勞壽命(LF=2,3)至LF=3時，分析軟體出現應力超過S-N曲線的警語，該顯示意指進行疲勞分析時，當增加負載因子至3時，分析軟體告知材料中發現疲勞現象，此時透過分析結果可探查出其材料壽命值。經計算分析獲得在此負載條件下，本車架(除邊界條件施加點)的焊接強度之全部壽命為施加負載歷程曲線(50,000km)的2.558倍，意即以此負載條件下，焊接點經此歷程數後開始損壞。參、結論配合電動機車廠的實車大小及相關的設計參數，經由工程繪圖(CAD)及分析軟體(CAE)計算後，可獲得下列結論：一、車架結構間之焊接經由有限元素分析軟體內邊線熔接連結器的處理，可用來做整車的設計分析。二、電動機車車架不論在車架自重或承受負載的情形下，其安全因數分別為2.126及1.207，未超過其車架材質之降伏強度，故可認定該車架結構的設計是安全的。三、分析自重、負載及焊接疲勞的同時，也能針對三軸向彎曲力矩做應力分析，進而獲得整體車架受力後的位移情形，並取得自然及配重後的頻率分布。四、配合五種不同路面測試結果，可計算出在一倍負載比例時，電動機車車架的焊接強度之壽命為施加負載歷程曲線(50,000km)的2048倍，顯示車廠所設計的車架應可滿足一般使用者之日常需求。本研究過程中藉由CAD設計與CAE分析，可同時考慮焊接元素對應力分佈及疲勞壽命評估所造成的影響，其結果可提供廠商在設計新型電動機車或改良時作為參考用。肆、引註資料江銘傑(2006)。機車鋁合金車架之應力分析與結構最佳化。國立交通大學機械工程研究所：碩士論文。KobayashiS.,OhSoo-Ik,&AltanT(Eds.).(1989).Metalformingandthefinite-elementmethod.OxfordUniversityPress.卓進興(2003)。機車車體結構分析與最佳化設計之研究。大葉大學機械工程學系：碩士論文。TuluieR.,&EricksenG.S.(2000).Raceingmotorcycledesignprocessusingphysicalandvirtualtestmethods.SAETechnicalPaper.CoffinL.F.(1954).Astudyofeffectsofcyclicthermalstressesonaductilemetal.TransactionsoftheAmericanSocietyofMechanicalEngineers,76,931-950.MansonS.S.(1954).Behaviorofmaterialsunderconditionsofthermalstress.NationalAdvisoryCommissiononAeronautics,Report1170,Cleveland:LewisFlightPropulsionLaboratory.CanfieldR.E