沖頭外型最佳化的模擬

前一節探討各元件尺寸對 o-ring 墊圈接觸應力造成的影響，這一 節將探討沖頭各尺寸外型對 o-ring 接觸應力的影響。首先將選定沖頭 的 4 組關鍵尺寸(如圖 4.8 中的(1)(2)(3)(4))，分析對封口的影響(其參 數設定為：固定鋼瓶、o-ring、封片尺寸，一次調整一個沖頭尺寸，

其餘固定)。

0-8圖 4.8 沖頭細部尺寸圖 I. 改變沖頭尺寸 (1) (原尺寸 φ5±0.1mm)

(1)φ5±0.1mm

(2)φ8.1±0.02mm (3)φ8.6±0.02mm

(4)R1.5mm

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其對應的最佳沖頭外型可能也會不同，為了印證此想法，以及找出對 應於特定尺寸組合下最佳的沖頭外型，本研究決定採用最佳化軟體搭 配有限元素軟體進行最佳化模擬。

以最佳化軟體 SmartDO 串聯有限元素軟體 ABAQUS 做沖頭尺寸 之最佳化，由前面的模擬可知，所有的變數包含鋼瓶口的高度、內徑，

o-ring 墊圈的高度和厚度，以及沖頭的四個尺寸，一共有八個尺寸變 數，一開始將此八個尺寸變數選定給最佳化軟體執行模擬時，發現軟 體會偏向改變沖頭以外的尺寸變數(尤其是 o-ring)，沖頭的尺寸變數 幾乎沒有變動；且由於加工精度上的限制以及製造的成本考量，實際 製造出的鋼瓶及 o-ring 墊圈尺寸無法達到最佳化模擬結果的尺寸。因 此後來本研究選定三組固定的鋼瓶口尺寸、o-ring 墊圈尺寸及封片尺 寸來進行沖頭外型最佳化之模擬。由 4.2 節可知，最大接觸應力太小 會造成密封性不佳，太大又會因接觸應力標準差過大，同樣使密封性 不良，因此在最佳化目標之設定上為達到最大接觸應力，給定的限制 為接觸應力標準差小於 3.0(由 4.2 節結果可知接觸應力標準差大於 3.0 漏氣量便會超出標準，不管最大接觸應力多少都一樣)，以及根據 4.2 節模擬 288 組尺寸組合和實驗結果來看，接觸面積需大於 80%方 可達成良好的密封。

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0-19表 4.19 最佳化所選定之三組固定尺寸參數 組別 鋼瓶口高度

(mm)

鋼瓶口內徑 (mm)

o-ring 高度 (mm)

o-ring 厚度 (mm) (I) 3.80 7.55 2.5 1.3 (II) 3.90 7.55 2.3 1.4 (III) 4.00 7.65 2.4 1.5

每一組尺寸之上下界皆做過逐次模擬的測詴，每次模擬將變數的 上界或下界增加 0.5mm~1.0mm 不等，直到模擬無法收斂，或是收斂 解非上下界的值為止。

(I)的尺寸組合，在模擬中 o-ring 墊圈會有突出瓶口、接觸面積卻 又不佳的情形，希望能藉由沖頭最佳化，改善 o-ring 墊圈的填充率以 及突出的情形。

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0-9圖 4.9 固定尺寸參數 I 沖頭最佳化結果

最佳化前 最佳化後

0-10圖 4.10 固定尺寸參數 I 最佳化前後結果接觸應力圖

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0-13圖 4.13 固定尺寸參數 III 沖頭最佳化結果 最佳化前 最佳化後

0-14圖 4.14 固定尺寸參數 III 最佳化前後結果接觸應力圖

0-22表 4.22 固定尺寸參數 III 最佳化前後應力狀態

鋼瓶口高度 (mm)

鋼瓶口內徑 (mm)

o-ring 高度 (mm)

o-ring 厚度 (mm)

最大接觸應力 (MPa)

接觸面積 (%)

標準差

最佳化前 4.00 7.65 2.4 1.50 4.72 93 2.81

最佳化後 6.87 94.06 2.11

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