本研究基於CNC立式高速加工中心機實際開發案例，以MBD(多體動力學)的理論基礎下使用虛擬電腦輔助工程分析技術來針對機台進行虛擬建模和各種分析，用以幫助工具機廠商探討立式高速加工中心機的機台結構可靠性與研發。其研究目的是提出一套標準分析流程輔助機台設計及開發，降低研發工具機成本及風險。
本論文將探討CNC立式高速加工中心機在靜態及動態下的情形，首先在靜態分析上將使用ANSYS WORKBENCH軟體對模型進行撓性化，在進行靜力和模態分析觀察整體結構剛性以及受力情形和變形狀況。接著將使用RecurDyn(Recursive Dynamic)遞歸動態軟體進行動態分析，本研究將使用動態系統實驗室研發的等效系統方法對機臺上的線軌滑塊與滾珠導螺桿進行建模分析，然後再藉由商業化FBG.MT模組進行相互對照驗證，計算出CNC立式高速加工中心機在加工時線軌的受力分佈情形。以此驗證立式高速加工中心機在負載狀況下能承載的最大動態應力與疲勞壽命。

The objective of this research is to perform the actual development process of CNC vertical high-speed machine centers by using virtual computer-aided engineering analysis technology. The virtual modelling and various analyzes of the machine are based on the theoretical basis of MBD (Multibody Dynamics) to explore vertical high-speed machine center’s structure reliability, research and development for the machinery company. Computer-aided engineering analysis technology is used to assist the machine center design with standard operation process, and reduce R&D cost and risk.
This thesis will discuss the analysis of CNC vertical high-speed machining centers under static and dynamic conditions. First, ANSYS WORKBENCH software will be used to perform static and modal analyses under various structural stiffness and force conditions. Secondly, RecurDyn (Recursive Dynamic) software will be used for dynamic analysis. Then, the equivalent system methods developed from dynamic system laboratory will be used to create and analyze the the models of linear guide and ball-screw of the machine centers. Moreover, the commercialized FBGMT module will be used to cross-reference verification of the force distribution on linear guide of the CNC vertical high-speed machine centers during the machining process. These methods can verify the maximum dynamic stress distribution of the machine centers to determine the fatigue life under load conditions.

摘要.........i
Abstract.........ii
誌謝.........iii
目錄.........iv
表目錄.........vii
圖目錄.........xi
符號與簡稱.........xvi
第一章 緒論.........1
1.1 前言.........1
1.1.1 CAE技術在CNC工具機開發中的應用.........1
1.1.2 CAE基本原理方法與應用.........2
1.2 研究目的.........2
1.3 研究方法.........2
1.4 文獻回顧.........4
1.5 論文架構.........6
第二章 研究理論.........7
2.1 ANSYS 靜態分析基礎理論.........7
2.1.1 ANSYS 有限元方法介紹.........7
2.1.2 ANSYS靜力分析理論基礎.........8
2.2 模態分析基礎理論.........14
2.3 多體動力學(MBD)理論.........16
2.3.1 多體系統.........16
2.3.2 剛體力學.........16
2.3.3 多剛體建模理論.........19
2.4 有限元多撓性體(MFBD)理論.........20
2.5 等效彈簧阻尼方法[14].........21
2.6 疲勞破壞理論.........21
2.6.1 平均應力的影響.........21
2.6.2 Coffin-Manson 關係式.........23
2.6.3 應力-壽命曲線(S-N Curve).........23
2.6.4 雨流計數法(Rainflow Counting).........24
2.6.5 Palmgren-Miner疲勞累積損傷理論.........24
第三章 立式高速加工中心機靜態與模態分析.........26
3.1 整機模型介紹.........26
3.2 ANSYS Workbench 邊界條件設置.........27
3.2.1 FEA分析模型介紹.........27
3.2.2 接觸條件設置.........28
3.2.3 邊界條件設置.........33
3.3 整機靜力分析結果.........35
3.4 整機模態分析結果.........44
第四章 立式高速加工中心機動態分析.........52
4.1 使用FBG.MT模組建立動態分析模型.........52
4.1.1 FBG.MT模組介紹.........52
4.1.2 FBG.MT滾珠導螺桿和線軌滑塊建立.........52
4.2 使用等效系統建立動態分析模型.........58
4.3 剛體動力學分析(MBD).........60
4.3.1 邊界約束設定.........60
4.3.2 設置等效彈簧阻尼接頭.........61
4.4 剛體動力學分析(MBD)結果.........63
4.4.1 X軸單軸向驅動MBD分析結果.........63
4.4.2 Y軸單軸向驅動MBD分析結果.........71
4.4.3 XY軸雙軸向驅動MBD分析結果.........79
4.5 剛柔耦合動力學(MFBD)分析.........94
4.5.1 簡化撓性體(RFlex)模型介紹.........95
4.5.2 簡化撓性體(RFlex)模型建立.........96
4.5.3 簡化撓性體(RFlex)模型驗證.........99
4.5.4 剛柔耦合(MFBD)分析模型設置.........101
4.6 剛柔耦合(MFBD)模型分析結果.........102
4.6.1 FBG.MT方法 MFBD分析結果.........102
4.6.2 等效系統方法 MFBD分析結果.........107
第五章 疲勞破壞分析.........112
5.1 材料選擇.........112
5.2 疲勞破壞分析結果數值介紹.........112
5.3 立式高速加工中心機機身線軌破壞分析.........113
5.3.1 應力條件模式.........113
5.4 疲勞破壞分析結果總結.........122
第六章 結論與未來展望.........123
6.1 結論.........123
6.2 未來展望.........124
參考文獻.........125
Extended Abstract.........128

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