近年因應氣候變遷環境變化，國際間紛紛開始構思如何減少對石化能源的依賴程度，能源議題逐漸開始受到重視，各國政府機構與民間企業都開始投注大量資金與人力於再生能源之研究與開發，相關能源產業因而蓬勃發展。不論是風力、太陽能、潮汐或各種再生能源，皆會牽涉如何轉換為電能進而儲存再利用之議題，然而現有再生能源技術大多面臨發電效率不佳但設備維護成本過高等問題，因此近20年來，能量擷取(獵能)之相關技術是現代能源議題的一個重點發展目標。能量擷取技術之目的在於將環境、生物、設備或移動載具等各種能量形式轉化成為可再利用的電能，其中壓電振動能量擷取系統是利用壓電材料可將機械能轉換電學能的正壓電效應，搭配薄板、殼或梁等高撓性元件，將機械力學能轉換為電能回收再利用。
其中因為高頻模態的動態行為對壓電材料之電能產生會出現電抵銷效應，為求盡可能降低高頻響應對電能回收所造成之負面影響，能量擷取系統內平板結構變形過程希望以均勻拉伸或壓縮的低頻模態形狀主導；除此之外，為求相同激振作動能量可產生最大電能輸出，能量擷取系統內板結構之低頻共振頻率需要盡量接近激振作動頻率，而高頻模態的共振頻率則盡可能遠離操作頻率。因為附加質量會改變平板結構的動態特性，無論是振動特徵和暫態波傳行為都會因為質量效應而產生差異，可藉此力學特性設計特定質量分佈於平板結構上，即可調整主要作動頻段之低頻共振頻率，以及控制高頻響應之模態振型內容，同時滿足以上所提之能量擷取系統效率最佳化的設計需求，除此之外，因為板結構內暫態波傳行為也會因為質量效應而產生波傳路徑變化，可藉此調節波傳方向使暫態波集中聚焦至特定區域，即可使用最少壓電材料即可達到較高的能量擷取效益。基於以上原因可知，若能由頻率域和時間域兩個方面系統性地掌握附加質量對於平板結構動態行為之力學機制，對於後續能量擷取相關議題是具有其學術價值與實務需求的。
本研究建立平板結構附加質量之動態行為分析方法，探討平板結構的振動特徵和暫態波傳行為受質量效應之影響，研究質量分佈形式對於共振頻率與模態振型之干預機制，探討暫態波傳行為於各種質量陣列之波傳路徑與能量變化。此研究結果將可協助設計平板上設置附加質量，藉此調整平板共振頻率和抑制高頻模態振型響應，而透過規劃質量變化且週期排列的質量陣列，可利用質量透鏡效應集中暫態波傳能量，使能量擷取系統在相同激振行為下可產生最大的力電能轉換效益。過往使用波動法探討此暫態波傳問題時，大多應用於處理無窮域或半無窮域問題，在實際應用問題上難以觀察長時間暫態波傳趨勢，對於結構邊界上複雜入射和反射波之計算難度較高。本研究計畫將承襲振動分析之概念，同時考慮波源歷時和附加質量對於平板暫態波傳行為之影響，把平板附加質量的頻率域響應與時間域波傳問題做連結，對於薄板考慮邊界效應之固體波傳問題，使用振動特性作為基礎架構建構出具有物理意義的暫態波傳理論解。本研究提出附加質量之平板動態行為理論分析模型，針對各種平板邊界條件對質量效應之影響，找出以質量陣列以特定質量分布和排列方式改變暫態波傳方向的對應方式，其中平板邊界條件不同之質量陣列暫態波聚焦效果差異如Fig. 1所示。此外，提供理論分析、數值模擬與實驗量測的相互驗證，並進行質量陣列參數研究，做為波傳聚焦效果於能量擷取系統之設計參考。此問題涵蓋振動特徵與暫態波傳分析，探討質量效應對板結構之頻率域和時間域動態特性的影響，進而設計質量陣列透鏡效應聚焦暫態波來提升能量回收效益，並且依據輸出訊號偵測辨別結構受力行為與系統參數，研究領域為目前國內化學者與國際期刊論文中皆較少提及之概念與內容，對壓電振動能量擷取之應用、開發與設計都相當重要，研究成果將深具學術價值與實用目的。

壓電纖維的柔韌特性容易受到流體渦流致振的作用而變形，也因壓電纖維在大變形的狀態下不易產生破裂，若能適用於流體致振下的振動能量擷取將有相當多的應用領域。利用流體致振設計壓電能量擷取系統需同時考慮壓電纖維材料係數、流場流速阻體外型與幾何等，以達到最大的機電轉換效率。然而，實驗條件下風洞的品質需考慮固體結構的截面遮蔽率、以及流體的均勻度與紊流強度，壓電纖維的正交性材料彈性係數也影響進行流固耦合分析時的動態特性。本研究先利用材料常數反算方法獲得不同壓電纖維的等效材料係數，並利用電子斑點干涉術進行共振頻率下全場模態振形量測，並以有限元素法計算結果對應以確定材料常數的適用性，接著除了利用有限元素法計算流固耦合下不同壓電纖維的動態特性，實驗當中除了直接輸出壓電材料的電能輸出之外，同時使用雷射都卜勒測振儀與數位影像相關法進行動態訊號的截取，將獲得的結果進行時頻轉換以驗證壓電纖維於共振頻率下是否具有能量擷取系統的最大效能。本研究的結果顯示，實驗量測與有限元素分析可在不同流速之下所激發壓電纖維的共振頻率具有良好的對應之外，利用不同實驗量測的頻譜中也帶有不同流速下所激發的流場渦街頻率及風機轉動頻率，故證實在風洞測試下的結構可透過本研究的實驗方法獲得準確的激發頻率量測結果。

懸臂樑被廣泛應用在各種航空、土木、及機械系統中，因此透過量測其振動訊號以監控此類結構的健康狀態為相當重要的研究問題。當懸臂樑在具有裂紋的情況下，系統會因斷裂面的間歇性碰撞現象而展現出非線性的振動或是動態行為[1,2]，因此無法使用傳統的線性振動理論予以分析及監測。本研究使用近期所開發出的Hybrid Symbolic Numeric Computational (HSNC) method [3,4]分析懸臂樑結構受到破壞時的非線性振動特性，並且進行全域分析以識別結構破壞狀況以及非線性動態特性間的關係。本研究之成果將可應用於開發全新的結構破壞檢測方法。
本研究首先利用集總質量模型(lumped mass model)(圖一(a))對具有裂紋之懸臂樑進行建模，由於結構的斷裂面在受到外力激振時會產生間歇性開闔的現象(breathing effect)，因此這類系統可以使用雙線性模型(bilinear model)予以近似其動態行為。由於雙線性系統具有分段線性的特性，因此可推導出系統於各別線性狀態中的解析解。具有裂紋結構在各別線性區間中的模態響應可以表為下列形式：
x_(c,i) (t)=A_(c,i) e^(-ξ_(c,i) ω_(c,i) t) sin⁡(ω_(cd,i) t+ψ_(c,i) )+X_(c,i) cos⁡(ωt+ψ^*-θ_(c,i)) , i = 1,…,N
x_(o,j) (t)=A_(o,j) e^(-ξ_(o,j) ω_(o,j) t) sin⁡(ω_(cd,j) t+ψ_(o,j) )+X_(o,j) cos⁡(ωt+ψ^*-θ_(o,j)) , j = 1,…,N
(1)式中下標c與o各別表示系統於斷裂面閉合以及開啟時狀態；下標i與j為模態編號；N為離散模型具有的自由度數量；(A_(c,i),A_(o,j))為暫態響應的振幅，(ξ_(c,i), ξ_(o,j))為阻尼比；(ω_(c,i),ω_(o,j))為線性自然頻率；(ω_(cd,i),ω_(od,j))為阻尼頻率，(ψ_(c,i),ψ_(o,j))為暫態響應的相位角；(X_(c,i),X_(o,j))為穩態響應的振幅；(θ_(c,i),θ_(o,j))為穩態響應的相位角；ψ^*為諧波激發的相位角。HSNC法應用一漸進式搜尋程序(incremental search process)，求解出系統於兩個線性狀態(閉合以及開啟狀態)轉換的時間，並且利用轉換瞬間的位移以及速度條件求解出(1)式中的未知參數A_(c,i) 、A_(o,j)、ψ_(c,i)、及ψ_(o,j)[3]。由於HSNC法同時運用了解析解以及數值最佳化方法，其運算效率可較傳統的數值積分法(numerical integration，NI)提高數個數量級，因此相當適合用於高維度離散模型的分析運算。本研究利用HSNC法對一懸臂樑系統的離散模型進行計算以求得其在受到簡諧激振條件下的時間歷程，並且和NI法求得的確解比較(圖一(b))。觀察計算結果可知HSNC法能夠準確地計算出系統的暫態以及穩態響應。在此分析中，NI法花費1681.63秒，而HSNC法僅需要0.33秒的計算時間。由於HSNC僅需NI法0.02%的計算時間，因此能夠大幅降低分析的成本並且應用於結構破壞參數的探討。
本研究應用近期開發出的HSNC法對具有裂紋特徵的懸臂樑進行動態特性計算，透過快速的分析，本研究將探討工程結構系統在具有不同破壞狀態下的非線性動態行為。透過非線性特性的識別，本研究之成果將可和振動訊號量測方法整合以開發出更為可靠的結構安全監控工具。

結構振動問題一直是磨床結構設計的過程中所要面對的重要課題。若忽略了振動問題，磨床在進行加工時將會嚴重影響加工品質，導致工件表面出現波紋。磨床結構的振動不僅會降低加工精度與生產效率，也會增加工作量與營運成本。磨床結構產生過大振動的主因可能源自於動力源或是機台結構本身，亦或是兩者同時發生而產生了耦合共振的現象。共振現象是由於外施動負荷的頻率與結構的自然頻率接近所引發，機台結構為多自由度系統，因此會有許多自然頻率，當外界的干擾頻率接近這些自然頻率而激振時，即造成更大的激發與共振。將造成機台結構的疲勞與變形，導致機台結構提前損壞以及耗費過多開銷做維修。故針對機台結構靜/動態特性的瞭解，找出機台剛性與結構強度脆弱處，做為磨床設計與製造改善的參考，以提高機台的加工容量與性能。
本研究發展平面磨削工具機結構模態分析與介面接觸剛性估算。首先，進行結構部件數值模態與實驗模態分析，求得單部件及整機結構模態振型與模態參數，同時修飾數值模態分析模型，並以實驗模態分析結果作為目標基準，反覆求解修飾結構部件材料之楊氏係數。接著，將硬軌、線軌與地腳接觸介面負載與變形量代入材料力學變形公式，估算不同受力介面初始接觸剛性值，作為數值模態分析介面剛性初始迭代計算之參考。再來，逐一堆疊組立部件(底座與鞍座、底座-鞍座與工作台、立柱與頭座），並同時進行數值模態與實驗模態分析，逐步求解修飾部份組件之硬軌介面或線軌介面剛性及底座-地板接觸之地腳介面剛性，直至整機組立完成。
結果顯示，單部件數值模態與實驗模態分析自然頻率誤差值皆在4%以下，說明模型已具備真實模型之動態特性。將有無代入初始介面剛性之整機結構數值模態與實驗模態分析結果進行比對，發現有代入初始介面剛性之數值模態分析結果與實驗模態結果頗為接近。各接觸介面剛性值經進一步修飾後，整機結構數值與實驗模態分析之頻率誤差約在6%以內，且數值與實驗模態振型結果大致相近，說明本研究介面剛性之初估法是可行且具有參考性的。

摘要
自工業革命以來，機械帶給人類生活許多便利性，但隨之而來的問題就是噪音，長期處在噪音環境下，對人體帶來許多不良的影響，在我們生活周遭都有隔音工程的影子，舉凡汽車消音器，房屋隔音玻璃等，而典型的噪音源大部分的能量集中在低頻區域，低頻噪音恰好就是傳統隔音工程上最困擾的問題，傳統隔音主要採取兩種策略，第一種是以吸音材吸收聲能，第二種是使用隔音牆，這兩種隔音策略都能夠使用很厚的厚度去阻擋低頻噪音，然而在有限的尺寸下，低頻的噪音還是能大部分穿透結構。所以本研究使用可透氣式聲波超材料，透過在結構中設置磁性材料的旋轉機構，將每個單位晶體組成一個隔板以包覆噪音源，利用磁場來調整結構中的旋轉機構，調整共振頻率，以次波長的厚度和旋轉機構來得到可調變的隔音方法，其優點為可大面積調變其聲音屏蔽範圍，不需要在每個單元裝設調變電路。本研究首先以CAD軟體中繪製僅含結構空氣流道之模型，並於前後端加上阻抗管，在彎管流道內裝設有旋轉機構，再利用COMSOL Multiphysics對模型進行分析，並對於不同旋轉角度來分析。得知藉由旋轉機構的角度變化下能改變空氣流道截面積，來達成共振頻率的偏移，最終的超材料可以實現微型尺寸厚度僅0.09 ，10 dB工作比例頻寬涵蓋680 Hz至1400 Hz，相當於70%的比例頻寬。此超聲波材料未來可以透過磁場來調變頻率，並能應用在有限空間內達到降噪的應用。

It is known that true contact area between two surfaces in the vicinity of a bolted joint is complicated. Since the joint is located inside a structure and strongly depends on surface conditions, measurement of the true contact are in a bolted joint often faces problems. In this study, bolted joints of transparent materials are visualized with Prussian blue dye. Two special cases involving a bolted joint between two transparent acrylic (PMMA) plate and a joint of a PMMA and a steel plate are studied. 2D-Finite Element analysis is carried out to estimate the fixed-, slipping-, and no-contact- regions based on thresholds of the RGB values or pixels.