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研究生:范志豪
論文名稱:預測編織物複合材料之彈性模數
論文名稱(外文):Prediction of Elastic Moduli of Braided Fabric Composites
指導教授:蔡昆協
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:紡織工程學系
學門:工程學門
學類:紡織工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:56
中文關鍵詞:編織物複合材料有限元素法彈簧模型彈性模數
外文關鍵詞:Braided CompositesFinite Element MethodSpring ModelElastic Moduli
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本文以有限元素法配合彈簧模型計算預測編織物複合材料之彈性模數。本文針對編織物複合材料之菱形單位格子無法設定單位應變之問題作詳細的探討。吾人藉由設定六個獨立變形之邊界條件求得平均應變,來解決此一問題。最後再利用分析所得之平均應力、平均應變求解得到單位格子之勁度矩陣,以求得編織物複合材料的性質。
在計算分析編織物複材的材料性質時,設定了五個編織參數:編織角度、纖維體積含有率、軸向紗含有率、軸向紗波動效應及單位格子高長比,加上探討各種混編模式對材料性質之影響。結果顯示楊氏係數E11隨著編織角度的增加,會有下降的趨勢;而E22值會增加。編織角度在45°時,剪模數G12值最大。楊氏係數、剪模數皆隨纖維體積含有率增加。軸向紗含量增加時,楊氏係數E11隨之增加。剪模數G12由於編織紗含量的減少。編織紗使用碳纖維的混編模式下,楊氏係數E22值有較高的趨勢。軸向紗種類影響楊氏係數E11值的大小。編織紗為碳纖維時,剪模數G12值明顯較大。軸向紗波動效應對於編織物複合材料之彈性模數無明顯的影響。單位格子長高比增加將導致楊氏係數E11、E22、剪模數G12值增加。

The elastic moduli of Braided Composites was analyzed and predicted using the Finite Element Method incorporated with the spring model. We solved the problem that the diamond unit cell of Braided Composites could not set the unit strain by setting six boundary conditions with the independent deformation to get average strain. When the average strain and the average stress were calculated, the elastic moduli of Braided Composites was obtained later.
The five braided parameters include braid angle, fiber volume fraction, axial yarn content, axial yarn crimping effects, high/length (H/L) ratio were used to analyze the elastic moduli of Braided Composites. Moreover, the effects of hybrid were analyzed. The results show that Young’s moduli E11 decreased with the increasing braid angle. The value of shear moduli G12 that peaked for a braid angle of 45°. The young’s moduli and shear moduli increased with the increasing fiber volume fraction. Increasing the axial yarn content led to increasing the young’s moduli E11, decreasing the value of G12 . The young’s moduli E11 increased with the increasing young’s moduli of the axial or braid yarns, and the value of G12 will be decreased with the increasing young’s moduli of the braid yarns. The elastic moduli of braided composites was insensitive to the axial yarn crimping effects. The Young’s moduli and G12 increases with increasing length / high (L/H) ratio.

目 錄
中文摘要I
英文摘要II
目錄III
圖目錄V
表目錄VII
符號意義VIII
第1章 前言1
1.1 引言1
1.2 文獻回顧3
1.3 研究動機5
第2章 理論6
2.1 彈簧模型6
2.2 有限元素法8
2.3 單位格子之平均應變與平均應力10
2.3.1 平均應變10
2.3.2 平均應力11
2.4 彈性模數之計算15
2.5 基材模數之調整16
第3章 實驗17
3.1 實驗材料17
3.2 實驗儀器17
3.3 實驗流程18
3.4 拉伸測試21
3.5 複材纖維體積含有率測試22
第4章 單位格子形狀對邊界條件的影響23
第五章 結果與討論27
5.1編織角度的影響30
5.2纖維體積含有率對材料性質的影響34
5.3軸向紗含量對材料性質的影響38
5.4混編對材料性質之影響42
5.5軸向紗波動效應(Axial Yarn Crimping Effects)對材料性質之影響46
5.6 單位格子長高比對材料性質之影響50
第六章 結論53
參考文獻54
作者簡介及致謝56
圖 目 錄
圖2-1 彈簧模型略圖6
圖2-2 單位格子模型11
圖2-3 單位格子沿X方向切割之薄片12
圖2-4 單位格子沿Y方向切割之薄片14
圖3-1 單層碳纖維編織積層板之實驗流程圖19
圖3-2 三層碳纖維編織積層板之實驗流程圖20
圖3-3 拉伸測試試片之(A)正視圖及(B)側視圖21
圖4-1 編織物之單位格子23
圖4-2 梭織物之單位格子23
圖4-3 單位格子 1 24
圖4-4 單位格子 224
圖4-5 Test 124
圖4-6 Test 224
圖4-7 Test 324
圖4-8 Test 424
圖4-9 標準值與四種不同邊界條件下之楊氏係數關係圖25
圖4-10 標準值與四種不同邊界條件下之剪模數關係圖26
圖5-1 2-D三軸編織物單位格子示意圖27
圖5-2 編織物複合材料單位格子mesh之示意圖28
圖5-3 沿編織紗方向之金相顯微照片29
圖5-4 2-D三軸編織物之單位格子30
圖5-5 各編織角度下單位格子之示意圖31
圖5-6 編織角度與楊氏係數關係圖31
圖5-7 編織角度與剪模數關係圖32
圖5-8 編織角度與蒲松比關係圖33
圖5-9 四種編織角度下,纖維體積含有率與楊氏係數E11之關係圖34
圖5-10四種編織角度下,纖維體積含有率與楊氏係數E22之關係圖35
圖5-11四種編織角度下,纖維體積含有率與剪模數G12之關係圖36
圖5-12四種編織角度下,纖維體積含有率與蒲松比ν12之關係圖36
圖5-13四種編織角度下,纖維體積含有率與蒲松比ν21之關係圖37
圖5-14四種編織角度下,軸向紗含量與楊氏係數E11之關係圖38
圖5-15四種編織角度下,軸向紗含量與楊氏係數E22之關係圖39
圖5-16四種編織角度下,軸向紗含量與剪模數G12之關係圖40
圖5-17四種編織角度下,軸向紗含量與蒲松比ν12之關係圖40
圖5-18四種編織角度下,軸向紗含量與蒲松比ν21之關係圖41
圖5-19四種編織角度下,各種混編模式與楊氏係數E11之關係圖42
圖5-20四種編織角度下,各種混編模式與楊氏係數E22之關係圖43
圖5-21四種編織角度下,各種混編模式與楊氏係數E22之關係圖44
圖5-22四種編織角度下,各種混編模式與蒲松比ν12之關係圖45
圖5-23四種編織角度下,各種混編模式與蒲松比ν21之關係圖45
圖5-24 模擬軸向紗波動時之軸向紗分佈圖46
圖5-25 沿軸向紗方向截面之金相顯微照片47
圖5-26 長高比與楊氏係數E11之關係圖49
圖5-27 長高比與楊氏係數E11關係圖50
圖5-28 長高比與楊氏係數E22關係圖51
圖5-29 長高比與剪模數G12關係圖51
圖5-30 長高比與蒲松比ν12關係圖52
表 目 錄
表4-1 四種邊界條件之設定25
表5-1 纖維和基材之材料性質29
表5-2 編織角度為60°時,於軸向紗不同波動程度下所得之材 料彈性模數值47

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