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摘要
本文主要是利用商用軟體ANSYS，對沙灘車(ATV, All-Terrain Vehicle)輪圈進行焊接的模擬分析。輪圈在焊接後，由於焊料與母材受到局部性不均勻的加熱與冷卻作用，因此焊接完後會產生焊接殘留應力（Weld-Induced Residual Stress），導致結構件的變形。
由於ATV輪圈在焊接部位幾何形狀的獨特性，不適用一般量測方式量測焊後的殘留應力大小，雖然焊後殘留應力是無可避免的結果，卻可以使用較佳的焊接參數來降低焊後殘存的應力。本研究是以有限元素法（Finite Element Method），將三維應力狀態簡化為二維軸對稱的方式來模擬，並在分析中考慮潛熱（Latent Heat）的效應，將焊接熱輸入轉換為焊料的起始溫度，藉以探討ATV輪圈在經由惰氣金屬電弧焊接（Gas Metal Arc Welding）過程中殘留應力的分佈狀態。
本文以改變熱輸入量與焊接拘束方式作為分析參數，討論焊接時造成的殘留應力的大小。分析結果顯示，當以較快的焊接速度焊接時，因單位時間的熱輸入量較少，故分析所得到的拉伸與壓縮焊接殘留應力值較低；另外，改變拘束方式時亦會影響到輪圈內側拉伸形式的殘留應力大小，最大降幅可達80.09﹪，但整體的分佈情形改變不大。最後，可得知ATV輪圈經惰氣金屬電弧焊時，焊接殘留應力的大小隨著焊接熱輸入量的增加而增加。

目錄
摘要……………………………………………………………………….I
誌謝…………………………………………………………………...…II
目錄………………………………………………………………...…III
圖目錄…………………………..……………………….………...….VI
表目錄………...…………………..…………………………………… IX
符號說明……………………………..………………………………....X
第一章 緒論……………………………………………………………..1
1.1 前言……………………………………………………………..1
1.2 研究動機與目的……………………………………….……….3
1.3 文獻回顧………………………………………………………..5
1.3.1 電弧焊接………………….………………………………5
1.3.1.1 惰氣鎢極電弧焊法（Gas Tungsten Arc Welding, GTAW）…………………………………………..5
1.3.1.2 惰氣金屬極電弧焊法（Gas Metal Arc Welding, GMAW）………………………………………….5
1.3.2 焊接殘留應力…….……………………………………….6
1.3.3 殘留應力之量測方式……………………………………..7
1.3.3.1 X-ray Diffraction Method……………...…………..8

1.3.3.2 Blind Hole Drilling……………………….………..9
1.3.4 有限元素法發展歷史……………………………………..9
1.3.5 有限元素法在焊接殘留應力模擬上的應用……………10
第二章 理論基礎……………………..………………………………..15
2.1 熱傳模式………………………………………………………15
2.1.1 熱傳導……………………………………………………15
2.1.2 熱對流……………………...…………………………….16
2.1.3 能量守恆………...……………………………………….16
2.2 熱應力………………………………………………………....19
第三章 有限元素法模型設定……………...………………………….21
3.1 基本假設………………………………………………………21
3.2 材料性質…………………...………………………………….22
3.3 有限元素模型設定…………………………………...……….23
3.3.1 元素的選用………………...…………………………….23
3.3.2 邊界條件的設定…………………………………………23
3.4 分析模式……………………...……………………………….25
3.4.1 耦合場分析（Coupling Field Analysis）………………..25
3.4.2 元素生與死（Element Birth and Death）………………26
3.4.3 疊代法則…………………………………………………26
第四章 結果與討論…………………………...……………………….31
4.1 焊接參數對於焊接殘留應力之影響…………………………31
4.1.1 不同焊接參數的殘留應力分佈及變形情形……………32
4.1.2 焊接速度對於殘留應力之影響…………………………34
4.1.3 拘束方式對於殘留應力之影響…..……………………..35
4.2 焊料起始生成溫度對於殘留應力的影響……...…………….38
第五章 結論……………………………………………………………58
參考文獻………………………………………………………………..59
附錄……………………………………………………………………..62
圖目錄
圖1-1 全地形越野車（All Terrain Vehicle，簡稱ATV）…………….…11
圖1-2 10”x5.5”之ATV輪圈……………………………………………11
圖1-3 惰氣鎢極電弧焊法（Gas Tungsten Arc Welding, GTAW）….12
圖1-4 惰氣金屬極電弧焊法（Gas Metal Arc Welding, GMAW）……12
圖1-5 平鈑對焊之殘留應力分佈情形…………..……………………13
圖1-6 由X光繞射檢測，當材料受到拉伸應力時晶格面間距變化情 形…………………..…………………………………………...13
圖1-7 Blind Hole Drilling裝置示意圖…………………..……………14
圖3-1 (a) 輪圈截面…………………………………………………….28
圖3-1 (b) 輪圈截面元素分割圖…………..…………………………..28
圖3-2 (a)5052高溫材料性質…………………………………………..29
圖3-2 (b) 5356高溫材料性質…………...……………………………..29
圖3-3 雙線性應力應變關係（Bi-linear Stress-Strain Relationship）...30
圖3-4 全牛頓-拉夫森（Full Newton-Raphson Method）疊代法示意圖....…………………………………………………………….30
圖4-1 (a) 拘束條件A：輪圈中間Disc作夾持………………………39
圖4-1 (b) 拘束條件B：輪緣作夾持………………………………….39
圖4-2 量測位置圖…….……………………………………………….40
圖4-3 量測位置圖……………………………………………………..40
圖4-4 (a) 第1組焊接參數在θ方向的殘留應力分佈情形……….…41
圖4-4 (b) 第1組焊接參數在Z方向的殘留應力分佈情形………….41
圖4-5 (a) 第1組焊接參數在θ方向外側與內側殘留應力的大小…42
圖4-5 (b) 第1組焊接參數在Z方向外側與內側殘留應力的大小…42
圖4-6 (a) 第2組焊接參數在θ方向的殘留應力分佈情形………….43
圖4-6 (b) 第2組焊接參數在Z方向的殘留應力分佈情形…………43
圖4-7 (a) 第2組焊接參數在θ方向外側與內側殘留應力的大小…. 44
圖4-7 (b) 第2組焊接參數在Z方向外側與內側殘留應力的大小….44
圖4-8 (a) 第1、2組在θ方向外側的殘留應力比較…………………. 45
圖4-8 (b) 第1、2組在θ方向內側的殘留應力比較……….…………45
圖4-9 (a) 第1、2組在Z方向外側的殘留應力比較…….…..……….46
圖4-9 (b) 第1、2組在Z方向內側的殘留應力比較………..……….46
圖4-10 (a) 第3組焊接參數在θ方向的殘留應力分佈情形…………47
圖4-10 (b) 第3組焊接參數在Z方向的殘留應力分佈情形..………47
圖4-11 (a) 第3組焊接參數在θ方向外側與內側殘留應力的大小…48
圖4-11 (b) 第3組焊接參數在Z方向外側與內側殘留應力的大小…48
圖4-12 (a) 第1、3組在θ方向外側的殘留應力比較…………………49
圖4-12 (b) 第1、3組在θ方向內側的殘留應力比較…………………49
圖4-13 (a) 第1、3組在Z方向外側的殘留應力比較…………………50
圖4-13 (b) 第1、3組在Z方向內側的殘留應力比較……………….50
圖4-14 (a) 第4組焊接參數在θ方向殘留應力分佈情形……………51
圖4-14 (b) 第4組焊接參數在Z方向殘留應力分佈情形…………..51
圖4-15 (a) 第4組焊接參數在θ方向外側與內側殘留應力的大小…52
圖4-15 (b) 第4組焊接參數在Z方向外側與內側殘留應力的大小…52
圖4-16 (a) 第1、4組在θ方向外側的殘留應力比較……………….53
圖4-16 (b) 第1、4組在θ方向內側的殘留應力比較……………….53
圖4-17 (a) 第1、4組在Z方向外側的殘留應力比較……………….54
圖4-17 (b) 第1、4組在Z方向內側的殘留應力比較……………….54
圖4-18 (a) 不同焊料起始溫度在θ方向外側的殘留應力比較……...55
圖4-18 (b) 不同焊料起始溫度在θ方向內側的殘留應力比較……...55
圖4-19 (a) 不同焊料起始溫度在Z方向外側的殘留應力比較……..56
圖4-19 (b) 不同焊料起始溫度在Z方向內側的殘留應力比較……..56
圖4-20 (a) 不同焊料起始溫度之θ方向殘留應力範圍……………...57
圖4-20 (b)不同焊料起始溫度之Z方向殘留應力範圍……………....57
表目錄
表4-1 焊接參數表……………………………………………………..32
表4-2 第1、2組θ及Z方向最大應力的比較與相差百分比………33
表4-3 第1、3組θ及Z方向最大應力的比較與相差百分比………35
表4-4 第1、4組θ及Z方向最大應力的比較與相差百分比………36
表4-5 因拘束條件不同所產生中間Disc鈑片張開變形量…………..37

參考文獻
1.Tso-Liang Teng and Peng-Hsiang Chang, “A Study of Residual Stresses in Multi-pass Girth-Butt Welded Pipes”, Int. J. Pres. Ves. And Piping 74, 1997, pp. 59-70.
2.Tso-Liang and Chih-Cheng Lin, “Effect of Welding Conditions on Residual Stresses due to Butt Welds”, Int. J. Pres. Ves. And Piping 75, 1998, pp. 857-864.
3.Peng-Hsiang Chang and Tso-Liang Teng, ” Numerical and Experimental Investigations on the Residual Stresses of the Butt-Welded Joints”, Computational Materials Science 29, 2004, pp. 511–522.
4.Tso-Liang Teng and Peng-Hsiang Chang, “Three-Dimensional Thermo-Mechanical Analysis of Circumferentially Welded Thin-Walled Pipes”, Int. J. Pres. Ves. And Piping 75, 1998, pp. 237-247.
5.蔡曜隆，”銲接溫度與應力之分析實驗”，交通大學機械工程研究所，碩士論文，2000。
6.黃禮伸，” 平鈑對接銲之殘留應力分析與實測”， 成功大學造船及船舶機械工程研究所，碩士論文，2002。
7.張鵬祥，”銲接接頭疲勞壽命評估之研究”， 國防科學研究所，博士論文，2002。
8.”SAE Fatigue Design Handbook”, Third Edition, SAE International, 1997.
9.周長彬、蔡丕椿、郭央諶，”焊接學”，全華科技圖書股份有限公司，1989。
10.“JASO T-203 機車用輕合金輪圈規範”，社團法人機車技術會審議，昭和 53年5月。
11.Richard B. Hetnarski, “Thermal Stress I”, Elsevier Science Publishers B.V., 1986.
12.Koichi Masubuchi, “Analysis of Welded Structures”, Pergamon Press, 1980.
13.O. C. Zienkiewicz, “The Finite Element Method”, McGraw-Hill Book Company, 1977.
14.Tirupathi R. Chandrupatla and Ashok D. Belegundu, “Introduction to Finite Element in Engineering”, Prentice Hall, 2002.
15.D. J. Dawe 著，劉偉源 譯，”結構體的有限元素法”，國立編譯館，1983。
16.Maurice L. Sharp, Glenn E. Nordmark, Craig C. Menzemer, “Fatigue design of aluminum components & structure”, McGraw-Hill, 1996.
17.William F. Brown, “Aerospace Structural Metals Handbook”, Air Force Materials Laboratory, 1963.
18.X.K. Zhu and Y.J. Chao, “Effects of Temperature-Dependent Material Properties on Welding Simulation”, Computers and Structures 80, 2002, pp. 967–976.
19.“ANSYS Complete User’s Manual Set”, 2002.
20.“The Procedure Handbook of Arc Welding”, Twelfth Edition, The Lincoln Electric Company, 1973.
21.D. Berglunda, H. Albergb and H. Runnemalma, “Simulation of Welding and Stress Relief Heat Treatment of an Aero Engine Component”, Finite Elements in Analysis and Design 39, 2003, pp. 865–881.
22.S. Fricke, E. Keim and J. Schmidt, “Numerical Weld Modeling - a Method for Calculating Weld-Induced Residual Stresses”, Nuclear Engineering and Design 206, 2001, pp. 139–150.
23.Y. S. Yang and S. H. Lee, “A Study on the Mechanical Stress Relieving in a Butt-Welded-Pipe”, Int. J. Pres. Ves. And Piping 73, 1997, pp. 175-182.
24.Fenggui Lu, Shun Yao, Songnian Lou and Yongbing Li, “Modeling and Finite Element Analysis on GTAW Arc and Weld Pool”, Computational Materials Science 29, 2004, pp. 371–378.
25.Norman E. Dowling, ”Mechanical Behavior of materials, Second Edition”, Prentice Hall International, 1999.
26.Jack A. Collins, ”Failure of Materials in Mechanical Design”, Second Edition, John Wiley & Sons, 1993.
27.S J Maddox, ”Fatigue Strength of Welded Structures”, Second Edition, Abington Publishing, 1991.
28.Vladimir Ryabov and Vladimir Ryazantsev, ”Arc Welding of Aluminum and Magnesium Alloys”, Backbone Publishinng Company, 1998.
29.曾光宏，”不�袗�銲件變形與殘留應力之研究”，交通大學機械工程研究所，博士論文，2000。
30.Yunus A. Cengel著、牛仰堯、李先知、江巍棠 譯，”熱傳遞”，六合出版社，2000。
31.康淵、陳信吉，”ANSYS入門”，全華科技圖書股份有限公司，2002。