第四章、 最佳化分析
4.4 模擬與實驗結果比對
1 73.6 76.7 52~92.5 75~110 82~112 224.4 233~318 217~291 高
2 129.0 104.7 198~400 263~373 - 463.2 500~608 - 微
3 219.3 225.9 418~593 408~503 - 904.7 1260~1400 - 微
4 1249.3 1231.2 1030~1090 1140~1120 - 3882.6 - - 微
5 1274.7 1287.1 1390~1460 1560~1590 - 3968.7 - - 微
6 2132.1 2113.3 - - - 4406.5 - - 微
第五章
結論與未來展望
5.1 結論
本研究成功的將平順圖像裝置的原型裝置，利用 ANSYS 的參數化模型的建立 與模態分析，將此裝置的自然頻率模擬出來，且其成果與實驗模態分析的趨勢十 分相近，代表 ANSYS 在正確的參數設定下，可以很精確將待研究物的自然頻率與 模態分析出來。另外，本研究也以參數化的模型進行模態最佳化分析，並達成提 高第一共振頻的達兩倍以上的結果，其結果與實驗單體的測試數據，共振頻率相 當接近。利用 ANSYS 內建的最佳化分析方法，所得到的尺寸參數可有效的提高共 振頻率，且其結果與實體的效果相近。針對本題目的研究過程中所獲得的一些結 論綜整如下：
原型模擬結果：
1. 由原型 shell element 與 solid element 模擬結果可以看出在較低的 前三個模態中，共振發生後會對平順圖像裝置有很大的影響。所以如 果在不進行大規模的設計修改下，提高下方彈片的結構抗扭轉的鋼 性，那麼就可以增加其整體結構的抗振能力，而本研究希望提高第一 振動頻率的目標就是可行的。
2. 經由不同 ANSYS 元素模擬的結果來看，其模態與共振頻率的趨勢是一 致的，shell element 會產生較多平板元素厚度方向較弱的模態，相較 下 solid element 元素結果較為合理。
3. 再者從結果看來大多數的模態發生都與彈片有關，只有少部分與鏡片 載座重新分佈有關，所以提高結構鋼性，進行調整彈片長度、厚度與 外型，應為提高共振頻率簡單且較好的選擇。
原型實驗數據結果：
1. 加速規的重量會加到會運動的鏡片上後，量到的共振頻率，會比將加
速規移至整體載座上低，這說明質量效應對量測結果有稍許影響，以 本例來說最大為 17.2%。但是鏡片上所需注意的頻率都可在基座量測觀 察到，所以往後的量測點都會選擇在基座上。
2. 要避免加速規的質量效應，除了使用適當的加速規外，貼黏的位置必 須是在結構對於質量效應較為不敏感的區域，但是也要多試幾個地方 避免貼在不適當的區域。貼黏加速規與衝擊槌的正確使用，對於穫得 品質較好的回餽信號有絕對的幫助，須要多加練習。
3. 對於加速規本身的動態行為，如果時間允許，應該要能夠多做一些針 對加速規的比對性實驗，讓數據更加有說服力。
4. 由 vibrometer 所得到的振動頻譜，其反應出來為位移的結果，可以直 接說明穿透式平順圖像裝置是否有受到影響，如果位移量短期間突然 變大，就不是可接受的設計。
5. 原型穿透式平順圖像裝置在低頻發現較大的位移量現象發生在頻率 82~112Hz 之間其受干擾的頻率帶蠻大的，且尤其以 85Hz 振動量最劇 烈。將此點定為第一個振動頻率觀察。
6. 振動狀況會被激發的共振頻寬蠻寬的，代表容易受到誘發振動且持續 受干擾的可能性較高，此應為彈片式平順圖像裝置的結構特性。
7. 在較高頻率(>350Hz)的部份並沒有發現較大位移量的現象，蒐尋的過 程中頻率大於 350 以上幾乎不影響，這代表此種設計較不受高頻振動 影響。
綜合原型模擬與實驗數據結論：
1. 模擬結果呈現第一個振動頻率為 76Hz，而實驗一加速規量到的第一振動 頻率的為 92Hz，實驗二 vibrometer 量到的第一個振動頻率是從 82Hz 開 始發生大的振動狀況，模擬與實驗結果誤差率約為 17%，因為分析模型
與實際狀況在研究上很難完全相同，且不同的量測儀器與方法也會有差 異性，但是由於其共振的趨勢相同，此最佳化分析模型的可信度，仍然 可以提供設計者做為改善的參考。
2. 想要作到模擬的模型與實際結構的行為完全相符的狀況，除了模型模擬 要盡量按照實際的狀況、正確的邊界條件與完整的材料材料參數外，對 於實驗時量測點的選擇也是相當重要的因素，不佳的量測點會使實驗數 據不完整。
3. 由模擬與實驗一結果中可以知道除了有低頻的供振的振動問題外，可能 在高頻的部份也會有同樣的問題。但實際以 vibrometer 量測位移量，則 並未出現高頻振動現象，這說明增強下方彈片勁度，來增高結構共振頻 率，是一個有效的解決方案。
4. 由實驗二的結果來看，82~112Hz 之間其受干擾的頻率範圍蠻大的，所以 可能被激發共振的可能行就大增。尤其應用上因為振動源為喇叭振動，
在低頻的振動能量大，影響就更劇烈，將第一自然頻率推高避免共振影 響，並改善設計有其必要性。
5. 雖然從模擬中得到很多高頻的模態(大多是彈片的模態)，但是實際上量 測得到的結果並沒有太大的影響，這說明實際工件行為與模擬間可能有 一定的差異性，而數值解是將所有可能的模態都列出來，但是因為環境 條件不同，只產生某幾個有影響性的模態。
6. 由模擬結果於實驗結果看來，模態分析的結果有一致性，但是實驗與模 擬間仍然存在一些差異性，這些訊號雜訊產生因素可能和量測的手法與 實驗的儀器有關。例如加速規本身動態特性與黏貼位置，衝擊槌敲擊的 方法與方向都是要注意的。
綜合最佳化模擬與實驗數據結論：
1. 對於支撐彈片進行最佳化尺寸的結果，增加彈片厚度對於增高結構共振 頻率的貢獻最為顯著，其第一自然頻率可以提昇 2 倍，對於穿透式平順 圖像裝置的抗振能力提升很多。
2. 雖然第一共振頻率有相當程度提高，由最後模態升高後的結果來看，對 於低頻的改善還是有限，其可能被激發共振的頻率帶蠻寬的，這個特性 為此種設計的特點，最佳化後這個特性不變，未來可以真對此點再做分 析與優化。
3. 由頻率曲線看來此種結構設計的自然頻率偏低,為較軟的設計，很難將第 一模態自然頻率大幅度提高，所以要達成更高的第一自然頻率可能須要 更大幅變更設計。
4. 由模擬的結果可以看出，對提升共振頻率最有效率的方式是增加彈片厚 度，但是在電力系統固定而推力已限定的狀況下，不可能無限制增強彈 片的勁度提升共振頻率，所以此種最佳尺寸設計已經是目前設計的最佳 化設計。
5. 因為數值模擬可以算出無限多的解，但是實際上的結構不可能會有這樣 的狀況，所以最準確的結果還是要仰賴儀器的量測做基準。
6. 由模擬結果於實驗結果看來，模態分析與最佳化分析的結果有一致性，
但是實驗與模擬間仍然存在一些差異性，這些訊號雜訊產生因素可能和 量測的手法與實驗的儀器有關。例如加速規本身特性與黏貼位置，衝擊 槌敲擊的方法與方向都是要注意的。
7. 不管是以接觸式的衝擊槌測試或是非接觸式的 vibrometer 測試，兩者對 於第一共振現象量測值的誤差率很小，說明兩種實驗都可將結果呈現出 來。而其中又以非接觸式的試驗最為方便，它可以直接利用音圈馬達模 擬外界的振動源，不管是實驗上或者是將來生產的問題確認功能上，都 是很好的量測方式。
8. 基本上，穿透式平順圖像裝置彈片以上的動件與下方整體基座在振動上 是完全不同的，實驗中量測到與關心的振動都是因為上方動件所產生 的。由實驗二中這兩者的差異性很容易分辨出，這也使得改善設計的範 圍縮小了很多。
5.2 未來展望
此次研究最佳化的重點擺在對彈片尺寸的最佳化，對整體尺寸的質量最佳化 著墨較少。依照在模擬的過程中的經驗，適度的減少上方轉動件質量的大小與分 佈對於提高共振頻率也有一定的效果，只是其效果沒有改變結構勁度來的高，這 點由公式推導的過程中，很明確的可以知道，但是往後還是希望可以繼續往這方 面著手最佳化。
因為目前穿透式平順圖像裝置的主要架構已經固定，且在電子控制與能量消 耗、音圈馬達的磁力大小與噪音規範的限制下，無法再做大幅度的設計變更去提 高共振頻率，這是在本研究最佳化過程中，遇到較為可惜的地方，希望往後的設 計這部份可以加強。
所謂最佳化設計的概念，其實應該早就已經自然存在每個設計者的思維中，
也許並未成為設計者對設計問題思考模式的主軸，但是如果在設計之初可以加以 思考，必定可以使設計更加完善，借由本研究的整個過程所穫得的經驗，筆者更 加肯定最佳化設計的重要性。
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