臺灣博碩士論文加值系統

本研究以根基於傳統破壞剪為基礎，所進行的省力型破壞剪設計為研究標的。透過電腦輔助工程技術的導入，同步在產品的概念發展過程中，逐步模擬試驗結構設計參數及比較，將分析結果即時回饋設計參數，試圖達到省力型破壞剪結構強度優化的目標。
透過有限元素軟體分析產品結構強度的技術，逐一驗證刀刃及各部零件的設計參數，並藉由驗證過程中的比較，進行各部零件結構強度的設計參數調整，以得到改善優化的解決方案。因為在設計過程中若使用過多的材料會造成成本增加及資源的浪費；不足的材料使用又會降低產品的品質及壽命，更將對企業產生負面影響。
過去，傳統上大部份的產品發展技術知識的累積多在試誤循環中慢慢成長。未來，企業採用可降低這些設計成本及提升競爭力的可行方案中，虛擬化設計分析與製造將會是一個重要選項。

This objective of this study is to design an effort-saving cutting tool based on traditional bolt cutters. The Computer-Aided Engineering approach was implemented in the design process. Based on the concepts of concurrent product development, step-by step simulations were conducted to determine the major design parameters and sensitivity analysis were conducted for the purpose of development an effort-saving cutting tool with optimized cutting edges.
Finite element software was utilized to analyze the strength of the product structure and verify the design parameters of the cutting edges and all the parts. During the comparison and verification, the design parameters related to the structural strengths of the parts were adjusted to achieve improved design. Redundant materials in design may increase of substantially, while using insufficient materials may lead to lower product quality and shorter product life, causing effects on the enterprise.
In the past, the advanced of technology and knowledge for most traditional product development have been accumulated adversary based on trial-and-error approach. However, enterprises can adopt the feasible solution with lower costs to improve their competitiveness. Incorporate with virtual design analysis and manufacturing is an important option.

第一章 緒論 ....................................... 1
1.1 研究背景 ..................................... 1
1.2 研究動機與目的 ............................... 3
1.3 研究標的與範圍 ............................... 4
1.4 研究方法與流程 ............................... 6
第二章 文獻回顧與整理 ............................. 8
2.1工程分析理論 .................................. 8
2.1.1 解析法 .................................. 9
2.1.2 數值法 .................................. 9
2.2文獻回顧 ..................................... 11
2.3 有限元素法簡述 .............................. 14
2.4 ANSYS基本架構與分析流程 ..................... 17
2.5 破壞剪基本簡介 .............................. 21
2.6 行星齒輪機構 ................................ 25
2.6.1 行星齒輪機構的齒數條件 ................. 26
2.6.2 行星齒輪機構的轉速比 ................... 28
第三章 個案實例操作分析 .......................... 31
3.1 破壞剪發展原型概述 .......................... 32
3.2 有限元素分析前處理 .......................... 40
3.2.1 材質選用及設定 ......................... 41
3.2.2 有限元素模型建構 ....................... 44
3.2.3 邊界拘束條件定義 ....................... 46
3.3 初步求解分析 ................................ 48
3.3.1 推力分析 ............................... 49
3.3.2 刀刃組與傳動組應變分析 ................. 50
3.3.3 倍力組應變分析 ......................... 55
3.4 初步分析整理 ................................ 56
第四章 改善與驗證 ................................ 57
4.1 傳動組改善要點 .............................. 58
4.2 倍力組改善要點 .............................. 60
4.3 傳動組改善分析 .............................. 64
4.3.1 整體改善及分析 ......................... 65
4.3.2 刀刃改善及分析 ......................... 66
4.3.3 刀刃軸改善及分析 ....................... 66
4.3.4 推板改善及分析 ......................... 67
4.3.5 推板前軸改善及分析 ..................... 67
4.3.6 推板後軸改善及分析 ..................... 68
4.3.7 推力軸套改善及分析 ..................... 69
4.4 倍力組改善分析與驗證 ........................ 69
4.5 改善結果分析 ................................ 71
第五章 結論與建議 ................................ 75
5.1 結論 ........................................ 76
5.2 建議 ........................................ 77

表目錄
表2-1、行星型的轉速比計算 .......................................................................... 28
表2-2、太陽型的轉速比計算 …...................................................................... 29
表3-1、倍力組行星齒輪主要參數表 .............................................................. 35
表3-2、主要零件材料性質 .............................................................................. 42
表3-3、刀刃材料性質 ...................................................................................... 43
表4-1、螺紋調整前後對照表 .......................................................................... 59
表4-2、倍力組行星齒輪主要參數變更表 ...................................................... 62
表4-3、改善前後應力分析值對照表 .............................................................. 72
表4-4、改善前後變形量分析值對照表 .......................................................... 73
表4-5、破壞剪材積與重量改善對照表 .......................................................... 74


圖目錄
圖1-1、傳統槓桿式破壞剪 ................................................................................ 2
圖1-2、產品研究發展流程圖.............................................................................. 3
圖1-3、省力型破壞剪架構簡化圖 .................................................................... 5
圖1-4、破壞剪發展原型之電腦立體彩現圖 .................................................... 5
圖1-5、研究流程圖 ............................................................................................ 7
圖2-1、工程分析方法之分類 ............................................................................ 8
圖2-2、元素的種類 .......................................................................................... 16
圖2-3、ANSYS分析處理作業流程圖 ............................................................. 20
圖2-4、槓桿原理圖示 ...................................................................................... 21
圖2-5、美國聯邦總務署規範之破壞剪種類 .................................................. 22
圖2-6、破壞剪常見用途 .................................................................................. 23
圖2-7、電動型破壞剪圖例，CEMANCO BC-16 .............................................. 24
圖2-8、行星齒輪機構的構造 .......................................................................... 25
圖2-9、選用齒輪的條件 .................................................................................. 26
圖2-10、行星齒輪機構的類型 ........................................................................ 28
圖3-1、破壞剪原型模組說明剖視圖 .............................................................. 31
圖3-2、原型基本外觀尺寸圖 .......................................................................... 33
圖3-3、倍力組行星齒輪組合機構分解說明 .................................................. 33
圖3-4、倍力組之力矩配置設定圖示 .............................................................. 34
圖3-5、傳動組與刀刃組機構分解說明 .......................................................... 36
圖3-6、傳動組之連桿機構簡化圖 .................................................................. 37
圖3-7、螺旋起重原理圖示 .............................................................................. 38
圖3-8、刀刃作用力臂尺寸說明 ...................................................................... 39
圖3-9、原型特徵簡化前後比較圖 .................................................................. 40
圖3-10、自動網格生成之有限元素模型 ........................................................ 44
圖3-11、破壞剪原型之有限元素模型 ............................................................ 45
圖3-12、倍力組之有限元素模型 .................................................................... 46
圖3-13、受切物棒材自由體圖 ........................................................................ 47
圖3-14、受力後之刀刃端內側Force Reaction 分析面設定 ........................... 49
圖3-15、傳動作用力與反作用力初步分析 .................................................... 49
圖3-16、整體變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 .................................... 51
圖3-17、刀刃變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 .................................... 51
圖3-18、鋼筋裁斷運作機制與斷面圖 ............................................................ 52
圖3-19、刀刃軸變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 ................................ 52
圖3-20、推板變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 .................................... 53
圖3-21、推板前軸變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 ............................ 53
圖3-22、推板後軸變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 ............................ 54
圖3-23、推力軸套變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 ............................ 54
圖3-24、倍力組變形量趨勢與應力分佈之初步分析圖 ................................ 55
圖3-25、倍力組作用力與反作用力計算分析 ................................................ 56
圖4-1、初始推力角調整前後對照圖 .............................................................. 60
圖4-2、倍力組之力矩值調整圖 ...................................................................... 61
圖4-3、改善後之破壞剪發展模型 .................................................................. 63
圖4-4、改善後之破壞剪有限元素模型 .......................................................... 64
圖4-5、傳動作用力與反作用力改善分析 ...................................................... 65
圖4-6、整體變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 ...................................... 65
圖4-7、刀刃變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 ...................................... 66
圖4-8、刀刃軸變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 .................................. 66
圖4-9、推板變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 ...................................... 67
圖4-10、推板前軸變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 ............................ 68
圖4-11、推板後軸變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 ............................ 68
圖4-12、推力軸套變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 ............................ 69
圖4-13、改善後之行星齒輪組有限元素模型 ................................................ 70
圖4-14、倍力組變形量趨勢與應力分佈之改善分析圖 ................................ 70
圖4-15、倍力組作用力與反作用力計算分析 ................................................ 71

中文文獻
[1] 李定穎，2004，〝應用虛擬產品發展技術於晶圓保持件之整合設計〞，碩士論文，朝陽科技大學設計研究所。
[2] 李志豐，1996，〝鋁合金輪圈之減重設計〞，碩士論文，成功大學機械工程研究所。
[3] 周卓明，2011，《電腦輔助工程分析實務》，全華圖書，新北、台灣。
[4] 林聖泉，2011，《工程分析與最佳化設計》，東華書局，台北、台灣，pp.16-32。
[5] 林緯輯，2006，〝小型油壓鋼剪之研究〞，碩士論文，國立成功大學工程科學研究所。
[6] 柏恆仁，1990，〝二維彈塑性體受力變形分析〞，碩士論文，中央大學機械工程研究所。
[7] 翁嘉駿，2005，〝工具機動件結構最佳化設計與分析〞，碩士論文，中原大學機械工程學系。
[8] 陳弘霖，2007，〝鐵皮剪刀刃形狀研究〞，碩士論文，國立中興大學機械工程學系。
[9] 康淵、陳信吉，2007，《ANSYS入門》，全華圖書，新北、台灣，pp.2-15。
[10] 黃昌圳，2005，《有限元素法在電機工程上的應用》，全華圖書，新北、台灣。
[11] 蔡國忠，2011，《ANSYS/Workbench有限元素分析及工程應用》，易習圖書，新北、台灣。
英文文獻
[12] A. Mimaroglu, O. F. Yenihayat and E. Avci, 1996, “Numerical analysis of fracture in ceramic coatings subjected to thermal loading”, Materials and Design, Vol. 17, pp. 283-287.
[13] Bennett J. A., and Botkin M. E., 1985, “Structural Optimization Approach with Geometric Description and Adaptive Mesh Refinement”, AIAA Journal, Vol. 23, pp. 458-464.
[14] Botkin M. E., 1982, “Shape Optimization of Plate and Shell Structures”, AIAA Journal, Vol. 20, pp.268-273.
[15] Cheu T. C., 1990, “Procedures for Shape Optimization of Gas Turbine Disks”, Computers and Structures, Vol. 34, pp. 1-4.
[16] Dirk Vollmer, Ulrich Meyer, Ulrich Joos, Andras Vegh and Jozsef Piffko, 2000, “Experimental and finite element study of a human mandible”, J. Cranio-Maxillofacial Surgery, Vol. 28, pp. 91-96.
[17] Hsu Y.L., Sheppard S. D. and Wilde D. J., 1992, “Explicit approximation method for 2-D shape optimization under displacement constraint”, Advances in Design Automation, pp. 43-49.
[18] Huei-Huang, Lee, 2010, Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 12, GOTOP INFORMATION INC, Taipei, Taiwan.
[19] Iwata, K., Osakada, K., Terasaka, Y., 1984, “Process Modeling of Orthogonal Cutting by the Rigid-Plastic Finite Element Method”, ASME Journal of Engineering Material and Technology, Vol. 106, pp. 132-138.
[20] Kamiya N. and Kita E., 1990, “Boundary Element Method for Quasi-harmonic Differential Equation with Application to Stress Analysis and Shape Optimization of Helical Spring”, Computers and Structures, Vol. 37, pp. 81-86.
[21] L. E. Lee and D. W. Shaffer, 1951, “The theory of plastic applied to a problem of machining”, Trans. ASME J. Appl. Mech., Vol.118, pp. 405-413.
[22] Mahmood M. S. and Davood R., 2003, “Analysis and optimization of a composite leaf spring”, Composite Structures, Vol. 60, pp. 317-325.
[23] M. Eugene Merchant, 1945, “Mechanics of the metal cutting process I: Orthogonal Cutting and a Type 2 Chip”, J. Appl. Phys., Vol.16, pp.267-308.
[24] Zhu B., Rao B., Jia J.,and Li Y., ”Shape optimization of Arch Dam for Static and Dynamic Loads”, J. Structural Engineering, Vol. 108, pp. 2996-3015, 1992.
網路文獻
[25] 電動型破壞剪圖例，CEMANCO, http://www.cemanco.com
[26] 有限元素分析，維基百科，http://wikipedia.tw
[27] 線上材料常數資料庫，MatWeb，http://www.matweb.com/index.aspx
[28] 齒輪設計相關資料，MITCalc Web，http://www.mitcalc.com