纖維複合材料設計與力學模擬

刊登日期:2017/3/5
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據台灣區複材公會統計,台灣複材年產量約50萬噸,年產值約新台幣1,200億元。台灣可運用複合材料的產業廣泛,包含船舶業、機車及軌道工業等,除了結構體外,甚多機械零組件亦可利用複合材料製造。纖維複合材料的優點包括:①剛性與強度具高度方向性,設計自由度高;②力學性質可調控,例如改變纖維或樹脂種類、纖維含量與纖維方向、疊層順序與厚度、編織方式等,均可調整其力學參數;③單位重量之剛性與強度均優於金屬;④耐疲勞;⑤耐腐蝕、不氧化;⑥震動阻尼高。
 
纖維複合材料屬非等向性材料,其力學行為複雜,設計時所需的計算分析,比一般等向性的金屬複雜許多。因此,導入電腦輔助工程為必然的趨勢。以下即簡介纖維複合材料的基本力學性質、電腦輔助設計的流程,以及工研院材化所多尺度模擬研究室發展中的纖維複合材料疊層設計介面。
 
電腦輔助工程分析中之纖維複材前後處理工具
纖維複材應力應變關係繁複。然而,於結構設計時,為充分發揮材料的剛性與強度,必須進行精準的力學分析。ANSYS為一泛用型的有限元素分析(Finite Element Analysis; FEA)套裝軟體,其針對板殼類的薄層結構,提供多層結構元素。在其繪圖使用者界面Workbench中,也具備一稱為ANSYS Composite PrepPost(ACP)的纖維複材前後處理模組。功能包括:
①應力分析前的前處理:
(a)定義複雜疊層;(b)定義各層纖維方向。
②應力分析後的力學評估:
(a)提供各層材料內之應力;(b)以各種破壞準則評估結構是否安全;(c)評估脫層及皺摺發生的可能性;(d)指出最有可能發生破壞的區域。
 
複材疊層快速設定視窗程式
前述ANSYS纖維複材前後處理工具ACP可詳細定義各區域之複材疊層,但必須逐一打開對話框進行設定,非常耗時,且檢查核對不易,在疊層(Ply)排列複雜的案例中,往往因疏忽而造成設定錯誤。為避免此一問題,節省設定時間以加快模擬與分析的速度,工研院材化所開發一複材疊層快速設定視窗程式ACP-Tools,使用者只須在ANSYS ACP模型中完成Oriented Selection Sets設定,即可透過此程式,在同一視窗中設定PlyGroup數量,以及每個PlyGroup有多少疊層,並能指定每一層疊層的角度與材料。所有設定均在同一畫面顯示,檢查容易,降低設定錯誤發生的風險。ACP-Tools複材疊層快速設定視窗程式大致的操作流程如下。
①啟動後之設定,如圖二:
(a)ANSYS主程式位置;(b)專案檔案位置;(c)ACP-Pre Module ID,預設為ACP-Pre;(d)是否使用環境變數中ANSYS主程式位置。

FRP安全帽應力分析實例
安全帽是機車騎士必備的裝備, 其功能為保護頭部安全。隨著重型機車的風行,高階碳纖維安全帽也日益風行。應力分析(Stress Analysis)可提供安全帽受撞擊即時之應力演化歷程,作為疊層設計的參考。圖七為安全帽落摔測試的衝擊模擬分析模型。安全帽的外殼係由數層碳纖複材(CFRP)所組成,內側則為緩衝泡棉。當安全帽自1 m落下撞擊到一金屬錐,探討最大應力與可能發生的時間。利用ANSYS ACP分配疊層的操作流程如圖八:①針對所需區域建立局部座標;②建立Oriented Selection Sets;③建立Modeling Groups與其底下的Ply。



圖七、衝擊模擬分析模型
圖七、衝擊模擬分析模型

圖八、FRP安全帽疊層鋪放
圖八、FRP安全帽疊層鋪放

 
圖九為一全罩式安全帽頂部撞擊點應力時間歷程,顯示撞擊瞬間產生一應力峰值,應力暫時下降後會再爬升到最大值。除了撞擊點外,全罩式安全帽頂部撞擊會導致開口邊緣處發生應力集中,其時間歷程如---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

作者:邱佑宗、葉日翔、陳中屏 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


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