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基於加工特性之拓樸最佳化應用於工具機結構改善設計與剛性強化

為了解決8506動態的問題，作者張鈞賀 這樣論述：

隨著加工技術的發展，高剛性與輕量化已成為工具機結構設計的重要研究課題，工具機的加工性能與其結構的振動問題息息相關，且工具機結構振動一直是工業界所關心的事件，當一個設計不當的機台被製造出來以後，往往只能在較不佳的切削條件下進行加工。有鑒於此，工具機於結構設計時必須考慮其剛性，並避開工具機加工可能遭遇的激振頻率，以減少系統與環境發生共振的可能性。本研究以清晰的思路將切削加工特性應用於工具機結構之拓樸最佳化設計，並實現工具機輕量高剛之目標。首先，針對組立之整機進行理論模態分析與實驗模態分析，以實驗模態分析之模態參數為基準，對理論模態分析的有限元素整機模型進行簡化與網格收斂化模擬分析。接著，以靜力分

析模擬各接觸介面承受荷重產生的應變與變形量，再利用材料力學公式估算各接觸介面剛性值，並針對地腳接觸介面以試誤法調整其剛性初估值，使理論模態分析結果擬合於實驗模態分析結果。接著，針對鋁合金與氧化鋯進行超音波輔助銑削與磨削實驗，量測工件之表面粗糙、切削振動以及切削力。最後，利用拓樸最佳化分析對整機模型進行結構設計改善，其中以切削振動大小作為選擇拓樸部件之參考依據，並以切削力作為拓樸分析之靜力分析的邊界條件，重新對立柱、底座以及鞍座進行結構改善設計，同時比較整機模型之自然頻率、重量以及剛性之變化。結果顯示，以75%以上重量保留率之拓樸參數作為設計變數，其產生之拓樸結構能使整機之自然頻率與剛性趨於穩定

收斂的表現；利用等效應力分佈結果，對應力較大之結構進行結構強化設計，同時利用拓樸結果模型為參考，對多餘的結構進行輕量化；在模態振型符合的情況下，整機模型的各階模態階數於拓樸後皆提升了2階，使原本的整機模型脫離固有的共振頻率範圍，且各階自然頻率皆有小幅度的上升，最高提升了110.28%，同時在整機模型重量沒有太大的變化下，整機各階剛性皆有大幅度的上升，最高提升了355.97%，證實本研究所提出之拓樸最佳化分析方法與流程具有參考性。