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1、论文范例-高苑科技大学 作者： 日期：2017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
2、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CAE技術的發展，在現今已發展出許多種的技術，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域，而其中以有限元素法應用的域較廣，其中包含結構動學、熱學、體學、電磁學等(江銘傑，2006)。在1960，Finite Element Method開始被應用於結構分析方面的計算，之後有限元素法快速的在各種工程和物學科方面發展(Kobayashi S., Oh Soo-Ik, & Altan T., 198
3、9)。卓進興用有限元素法模擬機體結構的模式，包含機結構的動態與靜態分析以及體結構的最佳化設計(卓進興，2003)。在動態方面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。在靜態方面則用模擬體結構受變形的情形，以求出架結構所需加強之部份。最後，用最佳化設計的方法，針對全模組之結構給予化之設計，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討機設計包含完整的實驗測試以及虛擬的原型測試，使用種分析方法應用於屬及複合材元素。最後並詳細的討新型態的機吸振接器的最佳化設計過程，考慮摩擦以及體在賽場控制的模擬(Tuluie R., & Erickse
4、n G. S., 2000)。材疲問題的研究起源很早，自人使用各種機械構件以，疲問題即隨之產生，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。1954，Coffin及Manson建塑性應變造成材損傷的，及由於熱應和高應振幅負荷引起的材疲問題(Coffin L.F., 1954; Manson S.S., 1954)。研究中分別各自提出發生疲破壞時的負荷反向次與塑性應變幅的經驗關係；此關係被稱之為Manson-Coffin關係法則，它是根據塑性應變描述疲所應用最廣泛的方法。1993年，Canfield和Villaire曾提出與汽車相關的壽命試驗(Canfield R.E
5、., & Villaire M.A., 1993)。上述雖然有多篇文獻針對車輛之有限元素及疲勞實驗進行分析，唯對車架間的焊接處理所產生的影響較少相關資料可供參考，故本研究重點將在導入CAD設計與CAE分析過程中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。貳、正文一、基礎理論（一）工程分析方法有限元素原主要是將結構分割成同大小、種之區域用同域的需求，推導出每個元素之作用方程式，組合整個系統的元素，構成系統方程式，最後將系統方程式求解。以靜態負載之強分析為，元素方程式可以表示為：Kq=F(1)其中K為勁矩陣，主要是表示節點負荷F與節點自由之位移q之間的相關性。是線性問題，則當結構物之K矩
6、陣由各元素之勁矩陣組合完成時，能進求解步驟；是非線性問題，則需要透過增以反覆計算的概，藉由斷修正新K矩陣，直到解獲得收斂為止。所以有限元素法之內容，包括分割網格化、元素方程式之矩陣構成、全域方程式之組成、邊界條件之設定，外之散化、方程式之求解、收斂性及誤差分析、以及相關物之後處等。（二）疲勞壽命分析疲是存在於結構受動態或規性變動應(如橋樑、航空器和機械件)時的一種長時間反覆應或應變循環之破損形式。一般輛除承受靜態負荷之外，常遭遇到動態負荷，如駛時的振動循環負荷等。在這些情況之下，破損可能發生於其應值低於靜態負載之抗或伏強的情形下。疲為通常可分為低週次疲與高週次疲個區段，其疲特性與物機構皆完全相
7、同。（三）應力 - 壽命曲線(S-N Curve)一般評估材壽命的方法是使用應-壽命曲線，也就是材之應值與循環週期相關的一條曲線。通常此條曲線的建方法如下：將相等振幅之負荷S施加於試片上，直到試片疲斷而停止試驗，然後紀當時之循環次N，以如此試驗方式在同大小等級的負荷振幅之下，分別重複次以建應-壽命曲線。應-壽命曲線也可以用伸負荷、旋轉彎矩或是循環彎曲等同試驗取得，同的負荷方式將獲得同的結果。二、研究方法與步驟（一）模型建立本研究選用的車架為其易電動車科技所提供的車架，根據其尺寸來繪製3D車架模型如圖1所示，利用SolidWorks繪圖軟體來建立電動機車車架3D模型，過程中須注意每個重要座標點之
8、位置尺寸是否正確。因車架結構較為複雜，模型有必要作適度的簡化，既忽略外型尚不重要的複雜幾何形狀。圖1 電動機車車架模型（二）有限元素分析1、焊接元素在本分析的標的物中所使用的銲材為TM-70，其材料的降伏強度為545Mpa，假設焊接的情形相當完美(意即斷裂不發生在鋼材熔接處)，在本分析中所使用的焊接元素為SolidWorks Premium所內建的邊線熔接連結器。其焊接元素設定位置如圖2中黃色點所示。另分析模型中未考量暫態時間響應，故僅針對彈簧及輪胎之軸向勁度進行設定，其設定值為：圖2 電動機車車架實際分析模型(1) 前軸(Front)：前避震(單支)K值6370N/m；輪胎：K值98000N
9、/m；透過彈簧並聯與串聯，經計算導入CAE之軸向勁度為11374N/m。(2) 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：(1) 全車架結構分析採用的是均為6節點三角形殼元素(6 nodes triangular element)，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。(2) 其網格品質由兩項尺度來決定，一是元素大小(Element Size)，另一項是元素的公差，兩者在設定時以一定比例(1:0
10、.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16.34 kg，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98.66 kg，當考慮一位駕駛者約75 kg後，實車重為173.76 kg。（三）焊接疲勞分析車架所使用的焊材為T
11、M-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JIS S25C之疲勞性質做分析。其高週疲勞性質為：1. 應力範圍截距：1594MPa2. 斜率轉換位置：2.15106 cycles3. 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：1. 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
12、占20%，分析的總里程數為50,000km。2. 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。3. 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：4. 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20 km/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6 Belgium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
13、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
14、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(Load Factor)=11. 疲勞壽命(Load Factor)=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。2. 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
