两种构型空中输送机桁架结构之CAE 分析与比较 - 宜兰大学.PDF

兩種構型空中輸送機桁架結構之CAE 分析與比較 國立宜蘭大學生物機電學系 吳剛智 邱奕志 張文傑 國立臺灣大學生物產業機電工程學系 馮丁樹 關鍵詞[ ] 桁架 (gantry) 、有限元素法(finite element method) 、結構分析(structure analysis) 一、 前言 鋼桁架空中輸送機為國內育苗作業常用的搬運系統；然而文獻中該類桁架的結構特性分析卻 不多見。傳統的桁架具有強固但厚重的結構型態（圖 1）。另有一種由臺灣大學生物產業機電工程 學系與宜蘭大學生物機電學系合作研發，以標準商品化鋼管構成的新型輸送機桁架構型，則以達到 構材取得容易（便宜），減輕重量，方便附設系統維修與操作為設計標的（圖2 ，以下簡稱新型桁 架）。之前已有對新型桁架結構之研究分析；本研究之目的在以CAE有限元素法分析傳統桁架的結 構特性，並與新型桁架做比較。 二、 材料與方法 傳統桁架以 S45C有孔鋼板與角鋼繫條構成（如圖 1），並以6m 為一段，可多段連結成長跨距 桁架使用。本研究以軟體 IDEAS建立其電腦模型（圖 3 ），並進行有限元素模擬分析。分析中將其 簡化成簡支樑模式，靜態分析其單位長重，對應負荷之應力與變形，並求取其無外加負載，及假設 其上佈滿稻苗與苗盤（均勻分佈負載）時的最大跨距長度；再與新型桁架比較。結構之破壞以最大 剪應力破壞理論，安全因素 2 （材料最大應力不得大於1.23x108 N/m2 ）；同時桁架最大形變不得超 過 20cm （考慮實際操作狀況）為檢驗準則。 三、結果與討論 圖 4 為電腦分析結果結果的例子。傳統桁架應力最大處在兩端，而變形最大處則位於桁架中 央（詳細表列與其他圖示結果限於篇幅無法在此羅列）。分析結果對照比較先前新桁架的研究分析 結果列如下表： 表 1 傳統構型與台大宜蘭新構型桁架結構特性之比較 探討特性 傳統構型 台大宜蘭新構型 單位長度重量（kg/m） 37.5 26.0 空桁架最大單跨距（m） 18 30 全負載最大單跨距（m） 18 24 全負載時負載重與結構重之比 1：1.405 1：0.975 -3 -2 全負載時最大形變量（m） 8.02 X 10 4.98 X 10 結果顯示，對兩種構型而言，應力上限；而非形變，限制了桁架的長度。桁架本身重量相對 於負載為其操作時的主要負荷。新構型桁架較輕巧，可具有較大之單跨距。而傳統型剛度大，對相 同負載之形變較小。以上乃僅就桁架本體結構之分析結果；若桁架上附加其他裝置則須另外考慮。 圖 1 作業中之傳統型空中輸送機（左）與電腦實體模型（右） 圖 2 作業中之新型空中輸送機 圖 3 傳統桁架電腦模型 圖 4 電腦分析結果之例