葉仲基臺灣大學：生物產業機電工程學研究所詹弘彥Chan, Hung-YenHung-YenChan2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52844本論文主要是利用電腦輔助設計分析之整合性軟體I-DEAS作為主要工作平台，以分析生物產業用之振動篩選機，模擬其受到振動馬達產生振動時之狀態。 分析方法是將振動篩選機利用I-DEAS繪製出實體圖，再運用I-DEAS之有限元素分析模組分析其固有頻率與模態振形。再進一步的討論動態模擬分析，分析的項目則有振動馬達作用力、橡膠彈簧之彈簧常數、振動馬達安裝角度及振動馬達安裝於重心與其他位置之比較等，將所模擬出之狀態作為日後業者設計該種振動篩選機時之重要參考依據。 經由I-DEAS軟體計算出結果後，可以得到所需之模態參數與動態模擬之結果，其結果顯示，當馬達作用力與馬達安裝角度調整至最大值時，可得最大之位移與速度值，但是橡膠彈簧之彈簧常數的增加會使振動篩選機產生之位移與速度遞減，且振動馬達安裝於重心時並不能得到最佳振動效果。The main purpose of this thesis is to study the vibration properties of an oscillating sieve, using the CAE software package I-DEAS, for computer-aided design and analysis. We used the I-DEAS simulation module to simulate the oscillating sieve, which is excited by two vibration motors. In the study, analysis methods are divided into two parts－modal analysis and dynamic simulation analysis. The modal analysis used the finite element method by means of the I-DEAS simulation module. The reason for this is to obtain natural frequencies and mode shapes from the system. The dynamic simulation analysis includes four parameters: the force of vibration motors, the spring constant of rubber springs, the installed angle of vibration motors, and the installed position of vibration motors. The results of the I-DEAS simulation analyses have found out the first eight natural frequencies and mode shapes. When the forces, together with the installed angles of vibration motors were increased, displacement and speed were increased. However, displacement and speed were decreased when the spring constants were increased. When the vibration motors were installed at their gravity center, oscillating performance was not optimal.目錄 頁次 致謝…………………………………………………………………………… ii 摘要 ………………………………………………………………………… iii Abstract……………………………………………………………………… iv 圖目錄……………………………………………………………………… viii 表目錄……………………………………………………………………… xiii 第一章 緒論…………………………………………………………………… 1 1-1 前言 ……………………………………………………………………… 1 1-2 研究背景 ………………………………………………………………… 1 1-3 研究目的 ………………………………………………………………… 2 第二章 文獻探討……………………………………………………………… 4 2-1 有限元素法之發展 ……………………………………………………… 4 2-2 有限元素法工程上之應用 ……………………………………………… 6 2-3 有限元素法之基本架構 ………………………………………………… 8 2-4 振動篩選機之驅動方式 ………………………………………………… 9 2-5 振動器介紹……………………………………………………………… 14 2-6 旋轉不平衡之理論……………………………………………………… 17 第三章 理論分析 …………………………………………………………… 20 3-1 模態分析之理論………………………………………………………… 20 3-2 動態分析之理論………………………………………………………… 23 第四章 設備與方法 ………………………………………………………… 25 4-1 I-DEAS軟體簡介………………………………………………………… 25 4-2有限元素分析流程 ……………………………………………………… 28 4-3 振動篩選機之簡介……………………………………………………… 32 4-4 欲分析振動篩選機之初始設計規格…………………………………… 34 4-5 建立振動篩選機之實體模型…………………………………………… 35 4-6 實體模型之模態分析方法……………………………………………… 40 4-7 實體模型之動態模擬分析方法………………………………………… 47 第五章 結果與討論 ………………………………………………………… 63 5-1 模態分析結果…………………………………………………………… 63 5-2 動態分析結果…………………………………………………………… 68 5-3 討論……………………………………………………………………… 96 第六章 結論與建議………………………………………………………… 102 6-1 結論 …………………………………………………………………… 102 6-2 建議 …………………………………………………………………… 104 參考文獻 …………………………………………………………………… 105 附錄一 ……………………………………………………………………… 108 附錄二 ……………………………………………………………………… 125 附錄三 ……………………………………………………………………… 146 附錄四 ……………………………………………………………………… 163 圖目錄 頁次 圖2-1 視窗介面架構 ………………………………………………………… 5 圖2-2 主程式與對話盒視窗關係 …………………………………………… 6 圖2-3 機構各模組與模組組合後之振動模態振形 ………………………… 7 圖2-4 振動篩選機驅動方式 ………………………………………………… 9 圖2-5 曲柄搖桿……………………………………………………………… 10 圖2-6 快回…………………………………………………………………… 11 圖2-7 空間機構……………………………………………………………… 11 圖2-8 曲柄搖桿機構………………………………………………………… 12 圖2-9 振動器平面構造……………………………………………………… 15 圖2-10 振葉細部構造 ……………………………………………………… 15 圖2-11 振動馬達作動時之振動方向 ……………………………………… 16 圖2-12旋轉不平衡造成的諧調擾動 ……………………………………… 18 圖2-13 旋轉不平衡強迫振動的無因次振幅及相角正切值 ……………… 18 圖4-1 有限元素分析之流程………………………………………………… 31 圖4-2 振動篩選機主要尺寸………………………………………………… 32 圖4-3 振動篩選機各部位名稱……………………………………………… 33 圖4-4 振動篩選機之振動方向……………………………………………… 34 圖4-5 振動馬達安裝角度之示意圖………………………………………… 35 圖4-6 振動篩選機之前視圖………………………………………………… 37 圖4-7 振動篩選機之上視圖………………………………………………… 37 圖4-8 振動篩選機之側視圖………………………………………………… 38 圖4-9 振動篩選機之下視圖………………………………………………… 38 圖4-10 振動篩選機之斜視圖 ……………………………………………… 39 圖4-11 振動篩選機之爆炸圖 ……………………………………………… 39 圖4-12 Solid-Parablic Tetrahedron……………………………………… 42 圖4-13 實體模型網格化 …………………………………………………… 43 圖4-14 橡膠彈簧 …………………………………………………………… 44 圖4-15 橡膠彈簧尺寸 ……………………………………………………… 45 圖4-16 支承拘束 …………………………………………………………… 46 圖4-17 振動量測分析點 …………………………………………………… 47 圖4-18 去除底座之振動篩選機實體前視圖 ……………………………… 50 圖4-19 去除底座之振動篩選機實體側視圖 ……………………………… 50 圖4-20 去除底座之振動篩選機實體斜視圖 ……………………………… 51 圖4-21 彈簧元素安裝位置 ………………………………………………… 51 圖4-22 Solid-Parablic Tetrahedron……………………………………… 52 圖4-23 Translation spring element……………………………………… 53 圖4-24 動態模擬實體網格化 ……………………………………………… 54 圖4-25 動態模擬之拘束條件設定 ………………………………………… 55 圖4-26 振動馬達作用力示意圖 …………………………………………… 57 圖4-27 振動馬達作用力之施力位置示意圖 ……………………………… 57 圖4-28 橡膠彈簧之彈簧元素安裝示意圖 ………………………………… 58 圖4-29 振動馬達作用力方向與安裝角度之關係 ………………………… 59 圖4-30 振動篩選機重心位置之側視圖 …………………………………… 61 圖4-31 振動篩選機重心位置之前視圖 …………………………………… 61 圖4-32 振動馬達安裝位置示意圖 ………………………………………… 62 圖5-1 振動篩選機第一個模態振形………………………………………… 64 圖5-2 振動篩選機第二個模態振形………………………………………… 65 圖5-3 振動篩選機第三個模態振形………………………………………… 65 圖5-4 振動篩選機第四個模態振形………………………………………… 66 圖5-5 振動篩選機第五個模態振形………………………………………… 66 圖5-6 振動篩選機第六個模態振形………………………………………… 67 圖5-7 振動篩選機第七個模態振形………………………………………… 67 圖5-8 振動篩選機第八個模態振形………………………………………… 68 圖5-9 F＝2,000N、K＝174,440N/m時之Dx-T關係圖 …………………… 70 圖5-10 F＝2,000N、K＝174,440N/m時之Dy-T關係圖…………………… 70 圖5-11 F＝2,000N、K＝174,440N/m時之X與Y方向D-T比較圖………… 71 圖5-12 振動馬達作用力與振動篩選機最大位移量之曲線關係圖 ……… 72 圖5-13 F＝2,000N、K＝174,440N/m時之Vx-T關係圖…………………… 73 圖5-14 F＝2,000N、K＝174,440N/m時之Vy-T關係圖…………………… 74 圖5-15 F＝2,000N、K＝174,440N/m時之X與Y方向V-T比較圖………… 74 圖5-16 振動馬達作用力與振動篩選機最大速度之曲線關係圖 ………… 75 圖5-17 F＝4,655N、K=50,000N/m時之Dx-T關係圖 ……………………… 77 圖5-18 F＝4,655N、K=50,000N/m時之Dy-T關係圖 ……………………… 77 圖5-19 F＝4,655N、K=50,000N/m時之X與Y方向D-T比較圖 ………… 78 圖5-20 橡膠彈簧之彈簧常數與振動篩選機最大位移量之曲線關係圖 … 79 圖5-21 F＝4,655N、K=50,000N/m時之Vx-T關係圖 ……………………… 80 圖5-22 F＝4,655N、K=50,000N/m時之Vy-T關係圖 ……………………… 81 圖5-23 F＝4,655N、K=50,000N/m時之X與Y方向V-T比較圖 ………… 81 圖5-24 橡膠彈簧之彈簧常數與振動篩選機最大速度之曲線關係圖 …… 82 圖5-25 F＝4,655N，馬達安裝角度0度時之Dx-T關係圖………………… 84 圖5-26 F＝4,655N，馬達安裝角度0度時之Dy-T關係圖………………… 84 圖5-27 F＝4,655N，馬達安裝角度0度時之X與Y方向D-T比較圖……… 85 圖5-28 振動馬達安裝角度與振動篩選機最大位移量曲線關係圖 ……… 86 圖5-29 F＝4,655N，馬達安裝角度0度時之Vx-T關係圖………………… 87 圖5-30 F＝4,655N，馬達安裝角度0度時之Vy-T關係圖………………… 88 圖5-31 F＝4,655N，馬達安裝角度0度時之X與Y方向V-T比較圖……… 88 圖5-32 振動馬達安裝角度與振動篩選機最大速度之曲線關係圖 ……… 89 圖5-33 振動馬達安裝於位置1（重心）時之Dx-T關係圖 ……………… 91 圖5-34 振動馬達安裝於位置1（重心）時之Dy-T關係圖 ……………… 91 圖5-35 振動馬達安裝於位置1（重心）時之X與Y方向D-T比較圖………92 圖5-36 振動馬達安裝於重心與其他位置之振動篩選機最大位移量之比較圖……………………………………………………………………………… 93 圖5-37 振動馬達安裝於位置1（重心）時之Vx-T關係圖 ……………… 94 圖5-38 振動馬達安裝於位置1（重心）時之Vy-T關係圖 ……………… 95 圖5-39 振動馬達安裝於位置1（重心）時之X、Y方向V-T比較圖……… 95 圖5-40 振動馬達安裝於重心與其他位置之振動篩選機最大速度之比較圖……………………………………………………………………………… 96 表目錄 頁次 表2-1 振動器依安裝位置分類……………………………………………… 13 表2-2 振葉安裝角度與振動力關係………………………………………… 16 表4-1 振動篩選機之初始設計規格………………………………………… 35 表4-2 模態分析用之材料性質……………………………………………… 45 表4-3 I-DEAS模態分析方法介紹…………………………………………… 47 表5-1 振動篩選機之固有頻率與振形……………………………………… 64 表5-2 振動馬達作用力對於振動篩選機最大位移量之對照……………… 71 表5-3 振動馬達作用力對於振動篩選機最大速度之對照………………… 75 表5-4 橡膠彈簧之彈簧常數對振動篩選機最大位移量之對照…………… 78 表5-5 橡膠彈簧之彈簧常數對振動篩選機最大速度之對照……………… 82 表5-6 振動馬達安裝角度與振動篩選機最大速度之對照………………… 85 表5-7 振動馬達安裝角度對振動篩選機最大速度之對照………………… 89 表5-8 振動馬達安裝於重心與其他位置對振動篩選機振動最大位移量之對照 …………………………………………………………………………… 92 表5-9 振動馬達安裝於重心與其他位置對振動篩選機最大速度之對照… 96 表5-10 振動馬達作用力對振動篩選機最大位移與速度之對照 ………… 99 表5-11 彈簧常數對振動篩選機最大位移與速度之對照 ………………… 99 表5-12 振動馬達安裝角度對振動篩選機最大位移與速度之對照……… 100 表5-13 振動馬達安裝於重心與其他位置對振動篩選機最大位移與速度之對照 ……………………………………………………………………… 101en-US振動篩選機模態分析動態模擬分析Oscillating sieveModal analysisDynamic simulation analysisthesis