研究方法與步驟

本研究將進行電腦輔助設計軟體、有限元素軟體及最佳化軟體的整合 技術開發，並建立一自動化、有效率的振幅放大器最佳化設計系統。先以 簡單的方塊型振幅放大器建立系統流程，再以此系統對京華超音波股份有 限公司所提供的型號 15KSW100w70L130 階梯型塑膠熔接用超音波振幅放大

器（設計尺寸圖如圖 1-7 所示，以下簡稱 15K 原始設計），以及型號 35KEW22w5.5L100 指數型橡膠塑膠切斷用超音波振幅放大器（設計尺寸圖如 圖 1-8 所示，以下簡稱 35K 原始設計），進行最佳化設計。振幅放大器型號 定義請參照附錄 A，因最佳化設計後會改變振幅放大器的幾何尺寸，型號也 依定義隨之改變，故本研究的兩個載具將在以下章節將以 15K 振幅放大器 及 35K 振幅放大器稱之。

圖 1-7：15K 原始設計尺寸圖

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圖 1-8：35K 原始設計尺寸圖

研究步驟主要分為以下四個階段，第一階段為建立參數化幾何模型，

第二階段為縱向模態有限元素分析，第三階段為最佳化設計，第四階段為 最佳化設計原型製作與實驗量測。

（1）建立參數化幾何模型

根據京華超音波股份有限公司所提供的 15K 原始設計及 35K 原始設計 尺寸圖，進行模型的建立，並將振幅放大器幾何外型參數化，當最佳化程

單位：mm

式計算出新的振幅放大器設計變數值，系統將自動修改模型的幾何尺寸，

產生新的幾何模型。

（2）縱向模態有限元素分析

振幅放大器共振頻率特性須與頻率產生器相配合，否則將導致振動系 統特性與振動模態改變，影響超音波振動能量傳遞，本研究中的兩個振幅 放大器都是屬於強力超音波的應用，故振幅放大器取其縱向模態做為共振 模態。將上述建立好之幾何模型，給定材料參數，包含密度、楊氏係數及 蒲松比等。利用 IBM 與法國達梭系統開發的應用軟體 CATIA V5 中結構分析 設計模組內自動產生網格功能產生網格元素。最後針對振幅放大器的縱向 共振模態，利用有限元素分析，分析其共振頻率、振幅分佈、振動方向及 應力分佈，以了解振幅放大器振動時的特性。

（3）最佳化設計

將參數化的幾何外型，選定適當的參數作為最佳化設計時之設計變數，

並給定合理的範圍，將共振頻率以及製造加工時的限制作為限制條件，而 目標函數則選定振幅放大器加工端面的振幅均勻度，以進行最佳化設計。

亦可將次要的目標函數如放大率等，考慮成限制條件，以確保振幅放大器 的工作效率。

（4）最佳化設計原型製作與實驗量測

針對振幅放大器最佳化設計之外型， 委託京華超音波股份有限公 司進行原型製造，並進行共振頻率與振幅量測之實驗，驗證有限元素 分析模擬共振頻率以及振幅特性的準確性。