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作者:余家杰(2009-06-25);推薦:徐業良(2009-06-29)

9M電動天線升降桅杆結構應力分析」計畫書

勝晟精密機械股份有限公司研製「9M電動天線升降桅杆系統」,包含桅杆本體結構、俯仰旋轉器、天線安裝結構、線束電纜收放結構、桅杆升降控制器、天線位置控制器等系統的細部設計。本計畫將針對勝晟精密機械所設計之桅杆本體結構,於桅杆上升至最高高度可承受靜態負載≧180Kg、受風等效截面積為0.75m2於風速35m/sec之負載條件下,以ANSY進行桅杆結構應力分析,驗證其結構設計是否符合安全規範。

1.     幾何結構與材料特性

1為八節桅桿組結構示意圖,桅杆本體結構重量需≦250Kg,整體結構以單方向碳纖維預浸料,纖維為T-300或相同等級以上碳纖維組成,除第8節碳纖管長度為1345mm,其他1-7節為1327mm,桅桿伸長時保留在上一節長度都為1201mm8節全升至最高全長約為9930mm。桅桿從第1節管至第8節管之直徑分別為262242222202182162142122mm,皆為空心碳纖維管,厚度為5mm。第8節缸1200mm處有一安裝面固定於牆面。

1. 八節桅桿組結構示意圖

碳纖複合材料依據其纖維種類、基材體積比、方向、成形溫度等不同條件下,使複材基層具有截然不同的機械性質,與金屬材料大不相同,具有非均質、異向等特性,當受到拉、壓、彎矩、扭矩時其展現的特性較金屬複雜。本計畫規範使用的碳纖複合材料為T-300碳纖維或相同等級以上碳纖維,樹脂使用環氧樹脂,樹脂含量(wt%): 37 +/- 2,疊層方式是Tape rolling,成形方式是真空釜成形。本計畫之碳纖複合材料性質,至少需包含E11(longitudinal modulus)E22(transverse modulus)G12(in-plane shear modulus)、碳纖維疊層數、厚度、方向等材料性質。

2.     Ansys結構應力分析

本計畫將以有限元素分析軟體ANSYS,對此9M電動天線升降桅杆組進行結構分析,藉以驗證此設計於規定尺寸與負載下(桅杆上升至最高高度≧9M、此時可承受靜態負載≧180Kg、於風速35 m/sec受風等效截面積為0.75m2)不會造成破壞。

此結構應力分析將分為三個執行階段,前處理、求解、後處理,其重點工作如下:

前處理

(1)   確保匯入ANSYS之幾何模型正確

由於ANSYS的前處理器並非專業之繪圖軟體,當匯入SolidWorks之幾何圖檔時,容易產生破面、裂縫,使幾何資訊無法正確建立於ANSYS中。此階段主要工作為於Ansys環境下修改與簡化分析模型,確保幾何資訊正確無誤。

(2)   設定材料性質、元素參數

此階段主要工作為選用適當的有限元素,進而模擬碳纖維複合管,並依據所選用的碳纖維複合材料實際物理性質,設定必須之有限元素參數,如密度、EXEYEZPRXYPRYZPRXZGXYGYZGXZLayer numbersThetaThickness(i,j,k,l)等。相關之材料物理性質須由勝晟精密機械股份有限公司提供,若無法正確取得,此處將依據市售之碳纖維複合材料相關規格以及相關文獻進行設定。

(3)   建立有限元素模型

定義節點、元素將幾何模型轉換為有限元素模型。

(4)   設定分析邊界條件與相關負載

設定模擬結構體和其週遭環境之間的關係,如交互作用的節點,在某些方向是否完全被固定,還是可以自由移動或轉動,實際承受之負載轉換為分析條件等。

求解

(1)   元素收斂分析

有限元素分析模型網格密度的訂定將影響應力集中區域的應力準確性,然而元素、節點數目越多,也會造成模型過大、運算時間過長,此處以「收斂測試(convergence test)」確保有限元素網格密度的正確性。

(2)   求解結構應力與模態

依據設計者定義的有限元素模型(包括節點、元素、負載、和邊界條件的定義),建立出模型的系統方程式,並對其求解。

後處理

(1)   應力分析結果

將應力分析結果加以整理以圖形與數據判斷分析結果是否符合常理、最大應力集中的位置與範圍等結果分析。

(2)   模態分析結果

以圖形顯示振動模態並整理對應的模態頻率,提供設計參考。