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研究生: 康育誠
Yu-Cheng Kang
論文名稱: 脈衝力作用下之呼拉圈行為探討
An Investigation into the Hula-Hoop Motion due to Impulsive Excitation
指導教授: 宋震國
Cheng-Kuo Sung
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 90
中文關鍵詞: 呼拉圈行為非線性方程式脈衝力穩定度分析微型發電機
外文關鍵詞: hula-hoop motion, nonlinear equations, impulsive excitation, stability analysis, micro-generator
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  • 在本研究中,首先針對呼拉圈行為進行描述並定義,進一步提出呼拉圈系統的架構,呼拉圈系統包含主質量與相對於主質量旋轉的自由質量,藉著主質量的往復運動帶動自由質量的旋轉運動,如同人搖呼拉圈的動態概念,主質量相當於人體,自由質量相當於呼拉圈。
    考慮系統受到脈衝力作用,以能量法建立系統的非線性運動方程式,經由動態分析去瞭解系統參數與呼拉圈行為之間的關聯性。再利用能表達呼拉圈行為的近似解析解,透過穩定度分析去評估解存在的可能性,並藉著數值模擬去驗證穩定度分析結果的正確性,並輔以相平面圖與Poincaré截面圖進行動態響應分析。從結果可以發現到,選擇適當的系統初始條件,呼拉圈行為的發生是可預期的,並且可以應用於旋轉式微型發電機的設計。


    In this thesis, the concept and definition of hula-hoop motion will be introduced. The hula-hoop system is constructed simply by a main mass and a free-moving mass. By mimicking the motion characteristics of the hula-hoop, which is commonly regarded as the circular oscillations where a ring spins around a moving human body. The main mass that performs reciprocating motion is considered as the human body while the free-moving mass that rotates around the main mass simulates the ring.
    Considering the impulsive excitation as the external force, the governing nonlinear equations are first formulated based upon Lagrange’s equation. Then, a thorough dynamic analysis is performed to understand the relation between the varied system parameters and the chance of occurrence of hula-hoop motion. The possibility of existence of the approximate analytical solutions can be evaluated by stability analysis. The numerical simulation is also performed by using direct integration method to verify the aforementioned qualitative analysis. Finally, Phase plane and Poincaré section are used to analyze the dynamic response. On the basis of the obtained results, the design guidelines for initial conditions to ensure the occurrence of hula-hoop motions are distilled and can be applied to the micro-generator.

    目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖目錄 Ⅵ 表目錄 Ⅷ 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 呼拉圈行為的定義 4 1-3 文獻回顧 9 1-3-1 單擺與呼拉圈系統的動力學分析 10 1-3-2 Harmonic Balance Method的適用性 11 1-4 本文內容 12 第二章 系統物理模型與運動方程式 14 2-1 系統物理模型與系統假設 14 2-2 推導系統運動方程式 22 2-2-1 能量法求運動方程式 22 2-2-2 牛頓法求運動方程式 24 2-2-3 無因次化運動方程式 27 第三章 脈衝力作用下的近似解析解 29 3-1 脈衝力對系統的影響 31 3-2 以Harmonic Balance Method假設近似解析解形式 33 3-3 系統初始條件 35 3-4 系統振動頻率 42 3-4-1 Homotopy Perturbation Method 43 3-4-2 呼拉圈系統振動頻率 46 3-5 呼拉圈行為之近似解析解 51 3-6 近似解析解模擬結果 53 第四章 穩定度分析與動態響應分析 58 4-1 穩定度分析 59 4-1-1 穩定度分析原理 59 4-1-2 擾動方程式 61 4-1-3 特徵值的計算 63 4-1-4 穩定度分析結果 64 4-2 Matlab數值模擬 67 4-2-1 運動方程式降階推導 67 4-2-2 數值模擬判斷呼拉圈行為 68 4-3 穩定度分析結果與直接數值模擬結果探討 71 4-4 相平面圖與Poincaré截面圖 73 4-4-1 相空間 74 4-4-2 Poincaré截面法 74 4-4-3 呼拉圈行為之相平面圖與截面圖 76 4-4-4 非呼拉圈行為之相平面圖與Poincaré截面圖 78 第五章 結論與未來規劃 85 5-1 結論 85 5-2 未來規劃 87 參考文獻 89 圖目錄 圖1-1 呼拉圈式發電機示意圖 3 圖1-2 呼拉圈運動方式示意圖之一 4 圖1-3 呼拉圈運動方式示意圖之二 5 圖2-1 以圓環作為自由質量之構型 15 圖2-2 以半圓盤作為自由質量之構型 16 圖2-3 以擺錘作為自由質量之構型 18 圖2-4 呼拉圈系統示意圖 20 圖2-5 能量法推導示意圖 23 圖2-6 牛頓法推導示意圖一 24 圖2-7 牛頓法推導示意圖二 25 圖2-8 牛頓法推導示意圖三 26 圖3-1近似解析解推導流程圖 31 圖3-2單位脈衝函數示意圖 32 圖3-3 主質量初始速度、自由質量初始角度與初始角速度關係圖 41 圖3-4 同倫性 44 圖3-5系統響應比較圖 55 圖4-1 穩定度分析結果 66 圖4-2 呼拉圈系統行為分佈圖 69 圖4-3 Poincaré截面法 75 圖4-4 呼拉圈行為相平面圖 77 圖4-5 呼拉圈行為之Poincaré截面圖 77 圖4-6 非呼拉圈行為之相平面圖 79 圖4-7 非呼拉圈行為之Poincaré截面圖 79 圖4-8 非呼拉圈行為自由質量相平面圖 80 圖4-9 非呼拉圈行為之相平面圖 82 圖4-10 非呼拉圈行為之Poincaré截面圖 82 圖4-11 非呼拉圈行為自由質量相平面圖 83   表目錄 表2-1 系統參數之符號設定 20 表2-2 呼拉圈系統物理量之無因次化公式 27 表3-1 呼拉圈系統初始條件 42 表3-2 系統主要參數設定值 54 表3-3 初始條件設定值 55 表4-1 系統主要參數與模擬參數設定值 65 表4-2 系統主要參數與模擬參數設定值 76 表4-3 模擬設定值 79 表4-4 模擬設定值 81

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