中央大學機械工程學系學位論文
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自動化特徵辨識在工業上的應用廣泛，特別是CAM以及CAE相關的應用。在CAE應用方面，為了提昇網格的品質，在建立網格時特定的幾何特徵(Hole、Fillet、Rib、Chamfer等)時常需要以人工的方式對網格進行調整，因而浪費大量時間。其中，混接面(Blend face)特徵在複雜網格建構中容易產生品質不良的狹長網格，更會造成在特徵辨識上使拓樸結構複雜化導致其他特徵辨識的困難。因此，本研究以B-rep資料結構為基礎，針對實際CAD模型中的混接面特徵，開發一自動化混接面辨識技術，並改善過去辨識中所會碰到的問題，最後提供相關資訊給相關特徵辨識與CAE分析進行後續應用。程序當中，使用者可修改閾值條件，藉由判斷各面的平滑連續性等條件篩選出混接面，並將結果加以分類。最後將以多組實際案例與商用軟體CADdoctor進行互相驗證，以證明本研究的正確性與嚴謹性。
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柴式長晶法(Czochralski method, CZ)是目前常用來生長高品質單晶的方法之一，在近年來，這項晶體生長技術已經應用於大尺寸藍寶石單晶生長。為了確保晶體生長品質，我們必須深入了解CZ長晶爐內熔湯的流動行為與熱傳機制。 對於大尺寸晶體生長，受限於爐體溫度過高，無法以實驗直接進行量測，且過於費時，因此我們使用數值模擬的方式，更有效率的來對長晶參數進行製程改善，以減少實驗所耗費的時間與成本。本研究運用以有限元素法(FEM)為基礎的套裝軟體COMSOL Multiphysics，針對大尺寸藍寶石晶體生長之熱流場、固液界面形狀以及熱應力分佈，進行深入研究。 本研究結果發現，熔湯的流場型態由浮力渦流所主導，溫度場中的等溫線會受到強烈的浮力對流影響而扭曲變形，其強度隨著加熱器功率調降而降低；固液界面形狀會隨著晶身長度越長而越凸向熔湯；坩堝的旋轉會增強浮力渦旋的強度，加強熱對流的傳遞；晶體的旋轉會使固液界面下方熔湯受離心力作用，產生一強制渦流，將更多的熱量傳輸至固液界面。坩堝與晶體的反向旋轉，能降低晶體凸出率，使固液介面較為平坦。坩堝與晶體之間，在不同晶體的生長階段時，有著最佳的轉速配合。在熱應力方面，晶體內的熱應力會隨著晶體生長的尺寸增加而上升，增加長晶的困難度。此外，當固液界面越為平坦時，其徑向溫度梯度越低，因此晶體內的熱應力隨著凸出率越低而有顯著的下降。
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液態透鏡有重量輕、體積小、易配置空間、可變焦、不怕破裂等優點，可以應用在許多需要成像的設備上，如手機、顯微鏡及相機等。液態透鏡是以改變透鏡形狀來達到可變焦之目的，有許多驅動機制可以選擇，其中以電驅動力調控較具發展潛力，這是以電壓來控制透鏡形狀。電驅動力調控有兩種方式，分別為電濕式與介電式，本研究以介電式液態透鏡作為研究之題目。 本研究使用有限元素法的套裝軟體COMSOL，模擬介電式液態透鏡的暫態行為與流場，數值方法使用層流兩相流-等位函數法(level set method)去追蹤介面，同時耦合流場的連續方程式、動量方程式及靜電場的帕松方程式。模擬結果得到電壓與接觸角的變化與實驗文獻趨勢相符，電場的分佈與電極圖案與介電常數有關，本研究中模擬採用同心圓電極，因此電場會沿著半徑方向r強弱交替，此外，在介電常數大的液體中其電場強度會相對較小，在介電常數小的液體中則有相對較大的電場。使用1000Hz交流電電壓，透鏡介面處可能會因為電壓來回震盪而產生振動，模擬結果高頻率電壓造成的相對偏差只在4%以下，這可能是實驗文獻中選擇高頻率電壓的原因。另外，交流電會造成介電力隨時間而變化，因此，流場會隨介電力不同而交替變化，由介電力與表面張力交互主導流場流動。峰值電壓時為介電力主導著流場，液體朝內流動產生渦旋擠壓著介面；零電壓時為表面張力主導著流場，液體會朝外流動有回復的趨勢，此外，低電壓及高電壓準穩態的暫態流場也有些差異。
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目前最常使用的長骨骨折固定方式是在骨髓腔植入骨髓內釘，但由於骨髓內釘在植入過程中會變形，難以固定式鑽孔導引器輔助鑽孔，因此目前多依賴大量的C-arm X光影像輔助醫師進行鑽孔，所累積的輻射劑量對醫護人員以及病患健康都存著潛在的傷害。因此發展一可使用少量X光影像, 成本又相對低的骨髓內釘鑽孔導引系統是有其需要性。 本研究以C-arm影像結合高效率透視N點攝影機姿態估計方法(EPnP)進行定位板相對於C-arm影像坐標系的空間姿態估計，並拍攝兩組不同角度之骨髓內釘C-arm影像，利用雙角度攝影空間定位技術計算出骨髓內釘長軸方向及遠端固定孔中心位置。接著依據C-arm拍攝時的投影模式，將骨髓內釘模型置放在上述計算得到的骨髓內釘位置，並繞自軸旋轉，旋轉過程中將骨髓內釘模型的固定孔投影影像與實際骨髓內釘固定孔影像進行相似度比較，其中相似度最高的骨髓內釘模型的固定孔軸向即是真實骨髓內釘固定孔軸向，再利用雙角度攝影空間定位技術計算出相對於定位板坐標系的該骨髓內釘固定孔空間軸向。由於鑽孔導引器與定位板之間的座標轉換是已知的設計值，因此可經由座標轉換，調整鑽孔導引器的導槽方位對準骨髓內釘固定孔軸向及中心位置，即可協助醫師進行鑽孔導引。 實驗在骨髓內釘固定孔兩側各拍攝3張與4張影像，共組合出12組案例，實驗結果顯示其中10組可導引鑽頭進入骨髓內釘固定孔，另外兩組則由於C-arm影像解析度以及影像雜訊處理的不夠好造成導引失敗。
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在這項研究中，鋁合金6066經過退火後深冷鍛造，再進行固溶處理和頂時效處理。深冷鍛造鋁合金與傳統的鋁合金6066-T6合金相比，深冷鍛造鋁合金在延展性增加35％，但在UTS和YS上卻犧牲了大約8％。陽極處理對於6066-T6有/無深冷鍛試片的抗腐蝕能力一併加以量測和討論。
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本論文之目的在於研究超音波振動於金屬成形加工之效應。研究中主要以超音波振動輔助沖切、引伸與等通彎角擠製等三種製程為主，探討模具與工件之加工特性並進行試驗，分析比較超音波振動所產生的影響。 本論文研究分為四個主題，包括超音波振動實驗設備的設計製作、超音波振動輔助沖切模具設計、振動輔助引伸模具設計與超音波振動輔助等通彎角擠製模具設計與其試驗。研究中，首先利用有限元素法配合超音波加工理論，針對超音波輔助沖切、引伸與等通彎角擠製等實驗所需的模具進行設計並成功應用於相關試驗。 於超音波輔助沖切研究中，以模具間隙、沖壓速度與進料角度等三因子的不同水準進行實驗設計，配合反應曲面法(Response Surface Methodology, RSM)規畫傳統沖切與超音波輔助沖切兩大組試驗來討論，結果顯示超音波由於動態振動的特性，於低間隙、沖壓速度慢與高進料角時，越能減少毛邊的生成。 其次，配合伺服沖床(Servo press)可調式加工曲線，結合沖壓速度與振動振幅等三因子的不同水準進行實驗設計，以反應曲面法探討超音波振動對引伸加工的效應，其結果顯示，配合適當之加工曲線與超音波振幅能夠降低沖頭之成形負荷與成形過程之摩擦力，並增加材料在引伸過程中之成形極限，於引伸加工製程中加載超音波振動所產生的動態摩擦應力的特性，為改善產品品質及提升加工經濟效益的主因。 最後，探討超音波輔助等通彎角擠製(ECAE)之影響，其結果顯示超音波加載於ECAE製程，最大成形力負荷隨著超音波振幅增加而減少，有利於模具與沖頭的使用；試片的硬度隨著振幅增加也隨之增加，顯示於ECAE製程中的確能強化材料的機械強度；試片的表面粗糙度隨振幅提升而下降，顯示超音波振動能使界面的潤滑劑有更好的分布與作用，改善摩擦條件。然而，利用有限元素模擬分析的結果，得知當擠製速度大於特定臨界抽拉速度時，前述超音波振動作用的摩擦效應將幾乎完全消失。 本論文針對超音波加工模具設計、超音波輔助沖切、引伸與等通彎角擠製等製程分別進行了研究與分析，並藉由實驗之結果了解不同加工製程之特性，期能夠以此結果供日後研究超音波輔助加工之參考。
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椎莖螺釘手術具有高危險性，手術中醫師不斷藉由拍攝C-arm X光影像以避免失誤，然高輻射劑量危害到病患以及醫護人員的健康，且徒手進行手術很仰賴醫師的經驗及手感，經驗不足的醫師其成功率相對的低很多。影像輔助脊椎手術導引系統可協助解決鑽孔定位的問題，但已知的市售導航系統都配備光學式定位裝置，價格昂貴使得導航系統不易普及化，因此發展一成本低兼具鑽孔導引支撐功能的脊椎手術用導引系統是有其重要性。 本研究以實驗室既有的C-arm影像輔助椎莖螺釘植入手術用的導引系統為基礎，以 高效率透視N點攝影機姿態估計方法（EPnP）取代光學式定位器的定位功能，結合特徵樣板上的特徵點影像辨識及影像中心計算，求得AP及LA方向C-arm影像與特徵樣板的座標轉換關係，並於AP及LA影像上規劃椎莖的鑽孔進入點與結束點，再利用雙角度攝影空間定位技術計算出鑽孔路徑的空間方向，將該鑽孔路徑方位轉換至導引輔具座標系上，並調整導引輔具上的鑽孔導槽方向與鑽孔路徑重合，醫師即可依循該導槽進行椎莖鑽孔手術。可跨接在手術台兩側的鑽孔導引輔具具有四自由度，兩個平移自由度用以定位鑽孔導槽位置，另兩個旋轉自由度則定位鑽孔導槽方向。 實驗以一含雙尖點的器械模擬鑽孔路徑，該兩尖點分別用來模擬鑽孔進入點以及結束點的真實空間位置。幾次實驗結果顯示進入點的位置誤差為2.92±0.76mm，結束點的位置誤差為3.41±0.99mm，方向誤差為0.73±0.33度。
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本實驗主要合金成份以Al-8Zn-2Mg-1.5Cu-xZr合金(x為0.15、0.49)、Al-1.0Mg-0.6Si-0.2Cu合金及Al-1.2Mg-1.0Si-1.0Cu-0.15Zr合金做為實驗材料，澆鑄船型模、Y-block金屬模尺寸為100×40×100 mm。船型模鑄件均質化、退火後固溶再T6處理；Y-block鑄件施以同樣均質化與退火後兩道次熱鍛60%變形量，最後固溶和T6處理。將時效後的兩種材料加工成拉伸試棒並測試拉伸性質，比較不同試棒的拉伸性質和微結構。 在鑄/鍛熱鍛變形量約60%後固溶及T6處理，可獲得高強度Al-8Zn-2Mg-1.5Cu-0.49Zr合金抗拉強度為583MPa和延伸率為8.4%；Al-1.2Mg-1.0Si-1.0Cu-0.15Zr合金，可得中高強度抗拉強度為420MPa和延伸率為10%；Al-1.0Mg-0.6Si-0.2Cu合金，可得良好延伸率為16%及適當抗拉強度為310MPa。
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脊椎手術主要可分為骨融合術和非骨融合術，而無論是何種方式，均必須利用椎弓根螺釘提高脊椎穩定度。而椎弓根螺釘可分為單軸向和多軸向兩種，多軸向椎弓根螺釘因為其螺釘頭部的角度可以自由改變，有效改善單軸向椎弓根螺釘在安裝上時的困難，但其球結構可能會產生滑脫的缺點，也成為多數人疑慮的一項議題。 本文分為兩大部分，第一部分利用軟體SolidWorks根據規範ASTM F1798建立出多軸向椎弓根螺釘模型，匯入軟體ANSYS進行有限元素分析，接著利用相同方法進行實驗，驗證有限元素分析之正確性。第二部分同樣利用軟體SolidWorks根據規範ASTM F1717建立出多軸向椎弓根螺釘穩定系統當作基準模型，並根據臨床應用上可能會產生的參數，繪製出四種不同參數模型，分別為不同螺釘外徑、不同螺釘鎖入深度、不同椎骨間角度、不同螺釘與螺帽間角度，並將不同參數模型均匯入軟體ANSYS，模擬前彎、後仰、側彎、扭轉四種不同運動方式之生物力學行為。 結果發現多軸向螺釘之勁度和施加於螺帽上的扭矩無關，而能承受的最大負載和施加的扭矩成正比。另外，不同螺釘外徑、不同螺釘鎖入深度、不同椎骨間角度均會改變模型的勁度，而不同螺釘與螺帽間角度對勁度無造成明顯改變。
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核能電廠中的核能一級組件在運轉期間，會受到來自壓力及溫度等各項循環暫態負載，且循環負載的大小及發生次數會影響組件的疲勞使用壽命，組件的疲勞使用壽命一直是設計者關注的議題。雖然在設計組件時已考慮到疲勞使用壽命，但安裝完成且開始運轉後，實際上所受到的循環負荷大小和設計值並不相同。 本研究以核電廠的反應爐水淨化取水管線(Reactor Water Clean Up Outlet Nozzle, RWCU)作為分析對象，考慮不同設計負荷條件組合，採用有限元素分析軟體(ANSYS)進行分析，搭配ASME NB-3200的規範求取組件易損耗處的應力值，並計算出累積使用因子，結果顯示這些易損耗處在此設計負荷下之累積使用因子小於1，皆屬於安全範圍之內。 除此之外，本研究亦探討格林函數在計算熱應力之實用性，結果顯示當結構材料特性為定值時，格林函數計算出的熱應力歷程與FEM的結果相當吻合。