許世明、劉育翔 / 工研院材化所
【內文精選】
捷運基鈑之設計開發
4. 動態模擬分析方法
發生結構失效的常見原因是疲勞，其造成破壞與重複負載有關。疲勞行為通常分為兩類：高週期疲勞屬於負荷迴圈(重複)次數高(如104~109)情況下產生的，應力通常比材料的極限強度低，應力疲勞(Stress-based Fatigue)用於高週期疲勞計算。低週期疲勞屬於負荷迴圈次數相對較低時發生的，塑性變形通常伴隨低週期疲勞，表現了短疲勞壽命現象，應變疲勞(Strain-based Fatigue)用於低週期疲勞計算。在ANSYS軟體模擬，其疲勞模組外掛程式(Fatigue Module Add-on)採用的是基於應力疲勞理論，適用於高週期疲勞計算，後續複合基鈑之疲勞分析將基於應力疲勞理論的處理方法進行。
承上述，為簡化模擬分析流程，考慮靜態負載之模擬結果中，上基鈑本身所受到應力值並非最大，且在分析軟體上要建立橡膠材料疲勞特性(如S-N曲線)是比較困難的，因此，只針對下基鈑進行動態負載的疲勞模擬分析。可將基鈑整體分析模型分成三個部分：上基鈑(含鋼軌與扣夾)、中間橡膠層、下基鈑(含基礎與地腳螺栓)，其分析程序步驟如下：
①以反覆施力的負載條件，進行基鈑整體之靜態負載模擬分析後，擷取下基鈑與橡膠之間連接面的應力分布結果，獲得下基鈑受到來自橡膠之壓縮力及牽引力。
②將步驟①應力分布結果當作疲勞分析模型(下基鈑)及其受負載施力面之初始給定條件，如圖十三所示，進行二次靜態負載模擬分析求解。
圖十三、疲勞分析模型及其受負載施力面示意圖
③將步驟②應力計算結果代入疲勞後處理模組，定義應力壽命曲線(S-N曲線)、負荷應力範圍及時間循環次數。
④進行疲勞計算，獲得對應的疲勞強度、循環次數、壽命、溫度等。
5. 國內自主設計製造之捷運複合基鈑
工研院目前已完成協助國內製造廠商的技術人員建立複合基鈑外型設計及應力分析能力，達到設計創新性以及滿足低成本要求。委託第三方驗證單位進行測試驗證實驗，並完成通過台北捷運複合基鈑之資格測試規定，後續將積極爭取國內(如捷運、輕軌)以及國外(如歐洲、東南亞)的訂單。如圖十四所示，分別為國內自主設計製造之捷運複合基鈑的設計圖面和實際成品---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十四、國內自主設計製造之捷運複合基鈑設計圖面，(a)一般型基鈑；(b)高隔振基鈑
★本文節錄自《工業材料雜誌》463期，更多資料請見下方附檔。