MapleSim的模擬研究- 古代拋石機
思渤科技(Cybernet Systems Taiwan)為日本最大CAE軟體代理商CYBERNET集團於台灣的經營據點，長年致力於Model-Based Design的技術支援與教育訓練，今年首次在物理建模開發大廠 MapleSoft公司的支持下，進行第一屆物理建模比賽活動(1st Physical Modeling and Simulation Campaign )，參賽條件皆無限模型主題、參賽者科系等，讓所有參賽者能隨心所欲發揮創意進行設計，無論是機器人相關、自動控制、機構設計、受控體模型(Plant Model)建立、車輛控制等有興趣之國內在校生皆可報名參賽。
國立海洋大學機械與機電工程學系周昭昌老師帶領學生曾鴻智以及沈祐宇同學參與2011年思渤科技舉辦之物理建模比賽贏得滿堂彩，全程採用Maplesoft公司所開發之MapleSim軟體進行建模，並成功於Maple Tech Forum發表在短時間內使用MapleSim重建古代拋石機模型並進行模擬之研究成果。
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上圖為Maplesoft原廠於2011 Maple Tech Forum與國立海洋大學周昭昌老師及其參賽學生之合影
(左起為思渤科技總經理鄭明宏、國立海洋大學周昭昌老師、國立海洋大學曾鴻智同學、國立海洋大學沈祐宇同學、Maplesoft Tetsu Yamaguchi與Maplesoft Orang Vahid博士。)
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本次投稿之背景與動機
投石機是封建時代的攻城武器，雖然採用基本的槓桿原理來完成物品的投擲，不過它背後所牽涉到的能量轉換，卻是非常地複雜。從發射平台的角度或速度等，皆會影響物品投擲的準確度。
在此，透過理想化的投石機條件，一次只變動一樣參數，可以對於學校所學的一些機械基本原理，有更加深入的了解，且更加清楚如何運用於生活上實際的例子當中。
在開始前，曾同學與沈同學先探討相關論文再進而找出本次研究方向- 古代投石機模型，並大致將其模型分為下列三部分:
1. 曳引機械(Traction machines)
2. 平衡機械(Counterweight machines)
3. 重力與人力(Gravity and human power)
2. 平衡機械(Counterweight machines)
3. 重力與人力(Gravity and human power)
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開始使用MapleSim進行投石機模型建立
使用MapleSim的多體機構(Multibody)元件庫中的元件進行機構建模，以及使用MapleSim之自定義方程式進行建立客製化元件的功能進行模型建置。
1. 基本元件庫之多體機構元件：
1. 基本元件庫之多體機構元件：
2. 使用自定義方程式方式建立客製化元件：
此部分是為了建立拋石機之動態系統方程式以進行模擬拋石機機構運動與石頭飛行分析，模型中包含了下述三項客制化元件：
a. 石頭之拋射高度y與拋射力Fy(t)關係式
a. 石頭之拋射高度y與拋射力Fy(t)關係式
b. 石頭拋射之飛行計算關係式
c. 石頭落地之距離與速度關係式
3. 模型架構與示意圖：
曾同學與沈同學僅以不到三個月的時間立即學會MapleSim並建立如此完善的模型，可證明為什麼MapleSim在美國、加拿大、歐洲與日本等大國之大專院校工程系所將MapleSim視為研究與教學最主要的工具。透過思渤科技工程師的指導操作MapleSim讓曾同學與沈同學能遞交如此亮眼的成績。
投石機在MapleSim中模擬的動畫
投石機的架構與運動狀況
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追蹤石頭軌跡
從拋射到落地之軌跡圖
