中文摘要
由於我國處於四面環海的地帶，因此海上運輸已是維繫我國國家發展的重要命脈，針對船上起重運輸系統之安全性研究是有其必要的。而本論文研究主要目的，係針對船上伸縮臂吊桿結構進行靜態與模態分析，藉由電腦輔助繪圖軟體SolidWorks建構伸縮臂吊桿之整體模型，利用有限元素軟體ANSYS進行模擬分析工作。
本文於三種情形下進行模擬分析，在吊臂傾角53°、伸縮臂最短情況下，針對16種板厚組合結構進行靜態分析，求得結構之最大位移量、各部件之最大等效應力以及安全係數，討論其變化趨勢情形。再以吊臂傾角53°與水平、伸縮臂最長之情況下，診視原始結構之使用安全性；模態分析方面，藉由結構之自然振動頻率與模態振型，可得知結構吸振能力佳，產生共振現象的可能性不高。本文希望藉由上述分析之結果，提供學術界或產業界在做相關研發或設計時有一參考依據，更具實用價值。

Abstract
Maritime transportation is important to national development because of Taiwan is in surrounding seas region. Therefore it is necessary that this research aimed to safety of the crane transportation system.
This research investigated davit structure with a telescopic arm of a ship by means of the static analysis and modal analysis. To achieve the purpose, the researcher used the computer-aided design software Solidworks to set up this structure model. After that, he used finite element analysis software ANSYS to analyze the data.
This research simulated in three situations. In static analysis, the researcher found the maximum displacement, the maximum von Mises stress and factors for safety of the structure in 16 dimensional sets in 53° of inclination at the davit with the telescopic arm being the shortest. After that, he discussed its tendency situation. In addition, he also checked the original structure in 53° of inclination at the davit with the telescopic arm being the longest and horizontal at the davit with the telescopic arm being the longest, respectively. In modal analysis, the researcher found natural frequencies and vibration shapes of the original structure. The structure had good vibration-proof ability and the resonance effect possibility not to be high. Generally, the researcher hoped that this study could provide helpful references for the relevant davit structure designers in the future.

內容目錄

內容目錄 Ⅰ
表目錄 Ⅳ
圖目錄 V
中文摘要 IX
英文摘要 X
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究動機與目的 4
1-4 使用軟體簡介 5
1-5 文章架構 7
第二章 船上伸縮臂吊桿簡介 9
2-1 起重機具之分類 9
2-2 伸縮臂吊桿結構 10
2-3 材料的選用 12
2-4 荷重之計算 13
2-5 強度計算之標準 15
第三章 理論基礎 16
3-1 前言 16
3-2 理論基礎 16
3-2-1有限元素法 16
3-2-2線性元素 17
3-2-3結構分析之矩陣方法 22
3-2-4赫茲接觸理論 24
第四章 有限元素模型與分析流程 28
4-1 前言 28
4-2 基本假設 28
4-3 材料性質 30
4-4 有限元素模型之元素種類 31
4-5 邊界與負載條件的設定 35
4-6 有限元素建構與分析流程 37
第五章 分析結果與討論 39
5-1 前言 39
5-2 不同板厚組合結構之靜態分析 39
5-2-1分析說明 39
5-2-2分析結果 41
5-2-3結果討論 54
5-3吊臂水平與傾角53°、伸縮臂最長之靜態分析 58
5-3-1分析說明 58
5-3-2分析結果 59
5-3-3結果討論 74
5-4 原始結構之模態分析 75
5-4-1分析說明 75
5-4-2分析結果 78
5-4-3結果討論 93
第六章 結論 95
6-1 結論 95
6-2 未來發展方向 97
參考文獻 99







表目錄
表2-1 風力係數之分類 14
表3-1 加權函數的選擇 18
表4-1 鋁合金[5083-H116]組成成份及機械性質表 30
表4-2 不?袗?[316L] 組成成份及機械性質表 30
表4-3 奧斯田鐵系不?袗?[SUS316]組成成份及機械性質表 31
表4-4 MC尼龍機械性質表 31
表4-5 黃銅[C2801]組成成份及機械性質表 31
表4-6 SOLID45元素性質表 33
表4-7 CONTA174元素性質表 33
表4-8 TARGE170元素性質表 34
表4-9 SURF154元素性質表 34
表5-1 結構板厚尺寸規格表 40
表5-2 板厚尺寸(a=8)系列之等效應力(MPa)範圍表 48
表5-3 板厚尺寸(a=6)系列之等效應力(MPa)範圍表 49
表5-4 板厚尺寸(a=4)系列之等效應力(MPa)範圍表 49
表5-5 板厚尺寸(a=3)系列之等效應力(MPa)範圍表 50
表5-6 板厚尺寸(a=8)系列之安全係數表 51
表5-7 板厚尺寸(a=6)系列之安全係數表 51
表5-8 板厚尺寸(a=4)系列之安全係數表 52
表5-9 板厚尺寸(a=3)系列之安全係數表 52
表5-10板厚組合之最大等效應力(MPa)與安全係數( )表 53
表5-11板厚組合結構之最大位移量 53
表5-12 原始結構之等效應力(MPa)範圍表 73
表5-13 原始結構之自然頻率比較表 78
圖目錄
圖2-1 伸縮臂吊桿結構說明圖 10
圖2-2 伸縮臂吊桿結構工程視圖 10
圖3-1 二節點之線性元素 18
圖3-2 彈簧之受力與位移情形 23
圖3-3 多組彈簧之受力與位移情形 23
圖3-4 兩物體接觸示意圖 25
圖4-1 吊臂於最大傾角53°、伸縮臂最短長度之狀態 29
圖4-2 吊臂於最大傾角53°、伸縮臂最長長度之狀態 29
圖4-3 吊臂於水平型態、伸縮臂最長長度之狀態 29圖4-4 (吊臂水平)結構之有限元素模型 32
圖4-5 (吊臂傾角53°)結構之有限元素模型 32
圖4-6 (吊臂水平)結構邊界與負載示意圖 36
圖4-7 (吊臂傾角53°)結構邊界與負載示意圖 36
圖4-8 模擬分析流程圖 38
圖5-1 吊臂主體外殼板厚示意圖 40
圖5-2 伸縮臂外殼板厚示意圖 41
圖5-3 吊臂傾角53°、伸臂最短之位移量分佈圖 41
圖5-4 吊臂傾角53°、伸臂最短之等效應力分佈圖 42
圖5-5 吊臂傾角53°、伸臂最短(吊臂主體)之等效應力分佈圖 42
圖5-6 吊臂傾角53°、伸臂最短(旋轉座)之等效應力分佈圖 43
圖5-7 吊臂傾角53°、伸臂最短(底座)之等效應力分佈圖 43
圖5-8 吊臂傾角53°、伸臂最短(尼龍墊)之等效應力分佈圖 44
圖5-9 吊臂傾角53°、伸臂最短(黃銅墊)之等效應力分佈圖 44
圖5-10 吊臂傾角53°、伸臂最短(伸縮臂)之等效應力分佈圖 45
圖5-11 吊臂傾角53°、伸臂最短(油壓缸連桿)之等效應力分佈圖 45
圖5-12 吊臂傾角53°、伸臂最短(旋轉驅動齒輪與軸)之等效應力
分佈圖 46
圖5-13 吊臂傾角53°、伸臂最短(連結軸)之等效應力分佈圖 46
圖5-14 吊臂傾角53°、伸臂最短(ψ19墊片)之等效應力分佈圖 47
圖5-15 吊臂傾角53°、伸臂最短(ψ19螺栓)之等效應力分佈圖 47
圖5-16 吊臂傾角53°、伸臂最短(ψ12螺栓)之等效應力分佈圖 48
圖5-17 不同板厚組合結構部位之最大等效應力變化趨勢圖 50
圖5-18 部件示意圖(一) 55
圖5-19 部件示意圖(二) 56
圖5-20 吊臂水平、伸臂最長之位移量分佈圖 59
圖5-21 吊臂水平、伸臂最長之等效應力分佈圖 60
圖5-22 吊臂水平、伸臂最長(吊臂主體)之等效應力分佈圖 60
圖5-23 吊臂水平、伸臂最長(旋轉座)之等效應力分佈圖 61
圖5-24 吊臂水平、伸臂最長(底座)之等效應力分佈圖 61
圖5-25 吊臂水平、伸臂最長(尼龍墊)之等效應力分佈圖 62
圖5-26 吊臂水平、伸臂最長(黃銅墊)之等效應力分佈圖 62
圖5-27 吊臂水平、伸臂最長(伸縮臂)之等效應力分佈圖 63
圖5-28 吊臂水平、伸臂最長(油壓缸連桿)之等效應力分佈圖 63
圖5-29 吊臂水平、伸臂最長(旋轉驅動齒輪與軸)之等效應力
分佈圖 64
圖5-30 吊臂水平、伸臂最長(連結軸)之等效應力分佈圖 64
圖5-31 吊臂水平、伸臂最長(ψ19墊片)之等效應力分佈圖 65
圖5-32 吊臂水平、伸臂最長(ψ19螺栓)之等效應力分佈圖 65
圖5-33 吊臂水平、伸臂最長(ψ12螺栓)之等效應力分佈圖 66
圖5-34 吊臂傾角53°、伸臂最長之位移量分佈圖 66
圖5-35 吊臂傾角53°、伸臂最長之等效應力分佈圖 67
圖5-36 吊臂傾角53°、伸臂最長(吊臂主體)之等效應力分佈圖 67
圖5-37 吊臂傾角53°、伸臂最長(旋轉座)之等效應力分佈圖 68
圖5-38 吊臂傾角53°、伸臂最長(底座)之等效應力分佈圖 68
圖5-39 吊臂傾角53°、伸臂最長(尼龍墊)之等效應力分佈圖 69
圖5-40 吊臂傾角53°、伸臂最長(黃銅墊)之等效應力分佈圖 69
圖5-41 吊臂傾角53°、伸臂最長(伸縮臂)之等效應力分佈圖 70
圖5-42 吊臂傾角53°、伸臂最長(油壓缸連桿)之等效應力分佈圖 70
圖5-43 吊臂傾角53°、伸臂最長(旋轉驅動齒輪與軸)之等效應力
分佈圖 71
圖5-44 吊臂傾角53°、伸臂最長(連結軸)之等效應力分佈圖 71
圖5-45 吊臂傾角53°、伸臂最長(ψ19墊片)之等效應力分佈圖 72
圖5-46 吊臂傾角53°、伸臂最長(ψ19螺栓)之等效應力分佈圖 72
圖5-47 吊臂傾角53°、伸臂最長(ψ12螺栓)之等效應力分佈圖 73
圖5-48 單擺系統示意圖 77
圖5-49 船上伸縮桿吊臂結構纜繩作業範圍示意圖 77
圖5-50吊臂傾角53°、伸臂最短之第1模態振型(f=2.297Hz) 78
圖5-51 吊臂傾角53°、伸臂最短之第2模態振型(f=5.098Hz) 79
圖5-52 吊臂傾角53°、伸臂最短之第3模態振型(f=14.278Hz) 79
圖5-53 吊臂傾角53°、伸臂最短之第4模態振型(f=14.835Hz) 80
圖5-54 吊臂傾角53°、伸臂最短之第5模態振型(f=19.675Hz) 80
圖5-55 吊臂傾角53°、伸臂最短之第6模態振型(f=23.239Hz) 81
圖5-56 吊臂傾角53°、伸臂最短之第7模態振型(f=34.078Hz) 81
圖5-57 吊臂傾角53°、伸臂最短之第8模態振型(f=35.573Hz) 82
圖5-58 吊臂傾角53°、伸臂最短之第9模態振型(f=46.636Hz) 82
圖5-59 吊臂傾角53°、伸臂最短之第10模態振型(f=54.385Hz) 83
圖5-60 吊臂水平、伸臂最長之第1模態振型(f=1.974Hz) 83
圖5-61 吊臂水平、伸臂最長之第2模態振型(f=2.295Hz) 84
圖5-62 吊臂水平、伸臂最長之第3模態振型(f=9.121Hz) 84
圖5-63 吊臂水平、伸臂最長之第4模態振型(f=11.569Hz) 85
圖5-64 吊臂水平、伸臂最長之第5模態振型(f=15.878Hz) 85
圖5-65 吊臂水平、伸臂最長之第6模態振型(f=18.624Hz) 86
圖5-66 吊臂水平、伸臂最長之第7模態振型(f=19.839Hz) 86
圖5-67 吊臂水平、伸臂最長之第8模態振型(f=25.664Hz) 87
圖5-68 吊臂水平、伸臂最長之第9模態振型(f=27.651Hz) 87
圖5-69 吊臂水平、伸臂最長之第10模態振型(f=31.625Hz) 88
圖5-70吊臂傾角53°、伸臂最短之第1模態振型(f=1.520Hz) 88
圖5-71 吊臂傾角53°、伸臂最短之第2模態振型(f=2.576Hz) 89
圖5-72 吊臂傾角53°、伸臂最短之第3模態振型(f=8.150Hz) 89
圖5-73 吊臂傾角53°、伸臂最短之第4模態振型(f=11.113Hz) 90
圖5-74 吊臂傾角53°、伸臂最短之第5模態振型(f=14.855Hz) 90
圖5-75 吊臂傾角53°、伸臂最短之第6模態振型(f=16.037Hz) 91
圖5-76 吊臂傾角53°、伸臂最短之第7模態振型(f=16.768Hz) 91
圖5-77 吊臂傾角53°、伸臂最短之第8模態振型(f=18.694Hz) 92
圖5-78 吊臂傾角53°、伸臂最短之第9模態振型(f=19.959Hz) 92
圖5-79 吊臂傾角53°、伸臂最短之第10模態振型(f=25.672Hz) 93

參考文獻

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22. ANSYS contact option：https://www.drd.com/
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