以COMSOL有限元素軟體模擬車用觸控裝置的振動行為

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姓名

張庭維(Ting-Wei Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

以COMSOL有限元素軟體模擬車用觸控裝置的振動行為
(Simulating Vibration Behavior of Car Touchscreen Devices Using COMSOL Multiphysics)

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摘要(中)

隨著時代演變，電子產品從以往的按鈕式機構轉變成觸控式。為了讓觸控式機構產生按鈕式機構的觸覺回饋，會在機構內部添加馬達。車用觸控元件中加入觸覺回饋除了增加客戶體驗，還能提升行車安全。本論文主軸為發展模擬與分析車用觸控元件的標準流程，使此流程可以應用於更多元的相關產品之上。方法為首先透過實驗量測車用觸控裝置的振動特性、線性馬達的出力值，再以有限元素軟體COMSOL Multiphysics 模擬裝置的振動行為，模擬結果與實驗結果做比對，以驗證本研究的可靠性。研究的關鍵在正確的量測馬達動作並轉換為馬達出力、裝置振動實驗的標準流程、模擬手法以及比對模擬實驗結果後如何修正模擬細節等。

摘要(英)

As technology evolves, knob or button controlling devices used in cars, have transitioned to touch-based or touchscreen devices. These touchscreen devices generate short-duration vibrations for feedback purposes. Linear motors, characterized by their smaller size and shorter residual vibrations, are employed for exciting the devices. The main focus of this research is to develop a standardized process encompassing the analysis and simulation of touchscreen components, with the aim of broader application in related products. Initially, experimental measurements of the device′s vibration characteristics and the linear motor′s output were performed. Then, the model of the device was built. The finite element software COMSOL Multiphysics was chosen for simulating the vibration behavior of the device with some material properties obtained from experiments. Lastly, the comparison between the simulation results and the experimental results has been carried out and the simulation model can be modified from the comparison.

關鍵字(中)

★ 觸控裝置
★ 線性馬達
★ 振動量測
★ 有限元素法

關鍵字(英)

★ Touchscreen Devices
★ Linear motor
★ Vibration Measurement
★ Finite element method

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 ix
表目錄 xiv
第一章緒論 1
1.1 研究背景與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 觸覺回饋應用於車用觸控面板之相關文獻 2
1.2.2 材料振動參數相關文獻 2
1.3 論文架構 3
第二章基本理論 4
2.1 牛頓第二運動定律 4
2.2 訊號分析理論 4
2.2.1 快速傅立葉轉換之基本原則 4
2.2.2 頻率響應函數 6
第三章實驗介紹 7
3.1 振感量測實驗 7
3.1.1 實驗方法 8
3.2 馬達出力量測實驗 8
3.2.1 實驗方法 8
3.3 裝置自然頻率量測實驗 10
3.3.1 實驗原理 10
3.3.2 馬達激振實驗 10
3.3.2.1 實驗方法 10
3.3.3 衝擊鎚激振實驗 11
3.3.3.1 實驗方法 11
3.4 減震元件材料參數量測實驗 12
第四章天窗滑條裝置之模擬與實驗 13
4.1 天窗滑條裝置介紹 13
4.1.1 機構介紹 13
4.1.2 馬達介紹 14
4.1.3 邊界介紹 14
4.1.4 馬達輸入電壓設定 15
4.2 天窗滑條裝置振感量測實驗 16
4.2.1 振感量測結果與討論 16
4.3 天窗滑條裝置自然頻率量測實驗 17
4.3.1 馬達激振實驗 17
4.3.1.1實驗結果與討論 18
4.3.2 衝擊鎚激振實驗 19
4.3.2.1 實驗結果與討論 19
4.3.3 自然頻率量測實驗結論 21
4.4 馬達出力量測實驗 21
4.4.1 量測結果 21
4.5 天窗滑條裝置模擬 23
4.5.1 天窗滑條裝置有限元素模型 23
4.5.2 天窗滑條裝置特徵頻率模擬 25
4.5.2.1 特徵頻率研究與材料參數設定 25
4.5.2.2 特徵頻率模擬結果 27
4.5.3 天窗滑條裝置振感模擬 29
4.5.3.1 COMSOL出力設定 29
4.5.3.2 材料參數設定 30
4.5.3.3 振感模擬結果 30
4.5.4 天窗滑條裝置振感改善 32
4.5.4.1 底殼模型調整 32
4.5.4.2 減震螺絲材料參數調整 33
4.6 天窗滑條裝置結論 33
第五章座椅扶手觸控裝置之模擬與實驗 35
5.1 座椅扶手觸控裝置介紹 35
5.1.1 機構介紹 35
5.1.2 馬達介紹 36
5.1.3 馬達輸入電壓設定 37
5.2 座椅扶手觸控裝置振感量測實驗 38
5.2.1 振感量測結果與討論 38
5.3 座椅扶手觸控裝置自然頻率量測實驗 39
5.3.1 馬達激振實驗 39
5.3.1.1 實驗結果與討論 40
5.3.2 衝擊鎚激振實驗 40
5.3.3實驗結果與討論 41
5.4 馬達出力量測實驗 41
5.4.1 馬達出力量測結果 42
5.5 座椅扶手觸控裝置模擬 43
5.5.1 座椅扶手觸控裝置有限元素模型 43
5.5.2 座椅扶手觸控裝置特徵頻率模擬 45
5.5.2.1 特徵頻率模擬結果 46
5.5.3 座椅扶手觸控裝置振感模擬 47
5.5.3.1 COMSOL出力設定 47
5.5.3.2 COMSOL時間步階設定 48
5.5.3.3 振感模擬結果 49
5.5.3.3.1 初步模擬結果 49
5.5.3.3.2 振感模擬調整方式 53
5.5.3.3.3 液晶螢幕模組建模細緻化 54
5.5.3.3.4 馬達出力重新量測 55
5.5.3.3.5 改變時間步階 58
5.5.3.3.6 延長馬達出力時間 60
5.5.3.3.7 其他材料添加阻尼 63
5.6 座椅扶手觸控裝置結論 65
第六章結論與未來展望 67
6.1 結論 67
6.2 未來展望 68
參考文獻 69

參考文獻

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[2]Pitts, M. J., Burnett, G., Skrypchuk, L., Wellings, T., Attridge, A., Williams, M. A., 2012, “Visual–haptic feedback interaction in automotive touchscreens,” Displays, Vol. 33, pp. 7-16.
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[5]Meriam, J.L., Kraige, L.G., Engineering Mechanics Dynamics, Seventh edition., Wiley, US., 2012.
[6]Rao, S. S., Mechanical Vibration, Sixth edition., Pearson, UK., 2018.
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[8]Wikipedia, Nyquist-Shannon sampling theorem.
https://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon sampling theorem, accessed on 27 April, 2023.
[9]振動噪音產學技術聯盟, 甚麼是取樣頻率(Sampling frequency)?.
http://aitanvh.blogspot.com/2017/11/sampling-frequency.html, accessed on 27 April, 2022.
[10]台睿精工股份有限公司, 馬達產品規格介紹.
http://www.topray.com.tw/toprayproducts_LRA.html, accessed on 5 May, 2022.
[11]黃以玫,董必正,林志光, 2023, 車用觸控元件之振動回饋模擬分析與設計, 國立中央大學, 英特盛委託計畫期中報告, 桃園市.
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https://www.ji-horng.com.tw/plastic-material-density-specific-gravity, accessed on 23 May, 2022.
[13]MERCK, Polyisobutylene.
https://www.sigmaaldrich.com/TW/en/product/aldrich/181455, accessed on 25 May, 2022.
[14]MatWeb, 304 Stainless Steel.
https://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID
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[18]Alps Alpine, HAPTIC™ Reactor.
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[19]SAINT-GOBAIN, Mechanical properties of glass.
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https://help.solidworks.com/2021/Chinese-simplified/SolidWorks/cworks/r_viscous_damping_ratios.htm, accessed on 30 May, 2023.

指導教授

黃以玫(Yi-Mei Huang)

審核日期

2023-7-19

推文