臺灣博碩士論文加值系統

在強化複合材料鑽削加工因受低速撞擊旋轉力量而造成材料表面之脫層破壞現象，此脫層為複材使用壽命縮短的主因。為了瞭解複材的脫層破壞行為，進而減少脫層破壞，本論文針對複材薄板做鑽削加工模擬，並使用複材脫層破壞準則及有限元素分析建立複材薄板脫層分析數值模型，以分析脫層應力分佈及預測脫層破壞的趨勢。為了驗證複材鑽削脫層模型的正確性，本文使用反應曲面法之中央合成設計實驗計畫法(CCD)規劃實驗，並以進給率、主軸轉速及刀具直徑為實驗參數，並將實驗測試結果與預測結果予以比對探討。其結果顯示，當進給率提升而增加切削量，主軸轉速提高脫層係數有下降之趨勢；加工條件於固定主軸轉速時，刀具直徑越大所產生切削力越大即脫層會隨之增加。脫層對複材薄板實驗值與預測值，經由變異數分析ANOVA R2值顯示，刀具的影響效果對於薄板脫層最為顯著，經有限元素建模分析模擬後應力分佈最大為1.56MPa。由本論文研究除可建立複合材料鑽削加工之脫層預測分析和了解各項參數間的影響關係，並可藉由分析結果改善提升複合材料鑽削加工之品質。

The delamination of cutting surface is made by low-speed impact in drilling process for reinforced composite material. The delamination phenomenon will reduce the life-spam of composite materials. To study the behavior of delamination and thereby reduce delamination failure, the numerical model of delamination for composite plate in drilling process simulation, was established by using delamination failure criteria and finite elements analysis methods to the stresses distribution and trend of predict delamination failure. To verify the accuracy of numerical model of delamination in drilling process, the central composite design(CCD) program experiments based response surface methodology is applied in this thesis. The feed rate, spindle speed and tool diameter was set as experimental parameters the experimental plan, Then the experimental test results to be compared with the predicted results and discussion. The results show that when the feed rate to enhance and increase the volume switch cut, spindle speed increase delamination factor with the trend down; processing conditions on the fixed spindle speed, tool diameter, the greater the force generated by switching the greater the cut will increase the delamination composite sheet of thin experimental and predicted values, by analysis of variance ANOVA R2 values show that the impact of cutting tools for sheet delamination of the most significant effect, simulated by the finite element modeling and analysis of stress distribution after a maximum of 1.56MPa. In addition to this thesis by the establishment of drilling of composite materials, delamination prediction analysis and understanding of the impact of the relationship between the parameters, the results can be used to improve and enhance the quality of drilling composite materials.

中文摘要………………………………………………………………………………… i
英文摘要…………………………………………………………………………………ii
誌謝……………………………………………………………………………………iii
目錄……………………………………………………………………………………iv
表目錄…………………………………………………………………………………vii
圖目錄……………………………………………………………………………………viii
符號說明……………..……………………………………………………………………x
第一章 緒論………………………………………………………………………………1
1-1前言……………………………………………………………………………1
1-2文獻回顧………………………………………………………………………2
1-3研究動機與目的………………………………………………………………4
1-4研究方法………………………………………………………………………4
1-5論文架構………………………………………………………………………6
第二章複合材料原理與相關理論………………………………………………………7
2-1複合材料簡介…………………………………………………………………7
2-1-1疊層結構簡介…………………………………………………………9
2-1-2複合材料鑽削加工過程的脫層缺陷………………………………10
2-2複合材料應力集中現象……………………………………………………14
2-2-1碳纖維複合材料的應力集中因子…………………………………14
2-2-2複合材料應力集中因子……………………………………………15
2-2-3玻璃纖維複合材料的應力集中因子………………………………15
2-3 有限元素分析簡介與應用………………………………………………15
2-3-1複合材料脫層模型分析……………………………………………19
2-3-2複合材料之破壞準則………………………………………………20
2-3-3複合材料之裂紋破壞準則…………………………………………21
2-3-4二次脫層破壞準則……………………………………………...23
2-3-5材料性質退化模型……………………………………………...24
2-3-6複合材料中的龜裂……………………………………………...25
2-4反應曲面法應用發展……………………………………………………25
2-4-1反應曲面法的設計概念…………………………………………26
2-4-2反應曲面法於應用上之優點……………………………………27
2-4-3實驗計畫法………………………………………………………28
2-4-4數學模式…………………………………………………………29
2-4-5反應曲面法之設計步驟…………………………………………30
2-4-6中央合成設計……………………………………………………34
2-4-7變異數分析………………………………………………………35
2-4-8最小平方法………………………………………………………35
第三章 實驗規劃與設計……………………………………………………………37
3-1定義實驗目標函數………………………………………………………37
3-2定義實驗加工參數、水準值及實驗設計表……………………………37
3-3實驗結果之參數分析……………………………………………………37
3-4實驗設計…………………………………………………………………37
3-5實驗步驟…………………………………………………………………40
3-6實驗材料與設備…………………………………………………………42
第四章 分析流程…………..………………………………………………………50
4-1複合材料薄板脫層有限元素分析………………………………………50
4-2基本分析假設……………………………………………………………52
4-3模型建構…………………………………………………………………52
4-4定義材料性質……………………………………………………………53
4-5選擇元素型態……………………………………………………………53
4-6邊界條件…………………………………………………………………56
4-7設置網格……………..…………………………………………………61
4-8後處理……………………………………………………………………61
第五章 實驗結果與分析…………………………………………………………….62
5-1實驗加工脫層係數實驗值與預測值關係………………………………62
5-2鑽削力特性分析…………………………………………………………73
5-3 鑽削力應力分析效應……………………………………………………73
第六章 結論與未來發展…………………………………………………………….80
6-1結論………………………………………………………………………80
6-2未來發展.…………………………………………………………………81
參考文獻………………………………………………………………………………82
附 錄………………………………………………………………………………86
個人簡歷………………………………………………………………………………87

表目錄
表2-1常見各種工業材料性質………………………………………………………7
表2-2各種材料性質之比較…………………………………………………………9
表2-3有限元素法的優缺點…………………………………………………………17
表2-4 23因子設計表………………………………………………………………33
表2-5中央合成設計之補充實驗……………………………………………………33
表3-1三水準因子實驗設計表………………………………………………………38
表3-2實驗規劃表……………………………………………………………………39
表3-3 CNC立式铣床综合加工中心機型號(EMV-600)..................45
表3-4光學影像量測儀規格…………………………………………………………49
表4-1複合材料機械性質……………………………………………………………53
表4-2機器之切削力計算……………………………………………………………57
表4-3切削因子與校正因子………………………………………………………58
表4-4鑽削力參數表………………………………………………………………59
表5-1實驗鑽削之脫層係數(Fd)………………………………………………………...........63
表5-2鑽削脫層係數之實驗值與二階方程式預測值比較…………………………64

圖目錄
圖2-1 疊層結構由單層進行疊層加工…………………………………………………9
圖2-2複合材料疊層定義圖…………………………...………………………………10
圖2-3複合材料在波音B-777上的應用情形...………………………………………11
圖2-4鑽削玻璃纖維脫層入口處(A)脫層出口處(B)加工示意圖……………………12
圖2-5複合材料微觀連體損傷力學架構………………………………………………13
圖2-6數值方法收斂曲線圖……………………………………………………………19
圖2-7複合材料脫層示意圖……………………………………………………………20
圖2-8複合材料裂紋加載破壞準則與絕對破壞準則…………………………………22
圖2-9應力應變複合材料纖維曲線圖…………………………………………………23
圖2-10反應曲面法示意圖…………………………………………………………….27
圖2-11反應曲面法於實驗設計步驟流程架構圖……………………………………2
圖2-12中央合成設計之星點及中央點補充實驗圖…………………………………35
圖3-1實驗架構流程圖…………………………………………………………………41
圖3-2玻璃纖維薄板……………………………………………………………………43
圖3-3鑽削刀具…………………………………………………………………………43
圖3-4眾程科技有限公司CNC立式铣床綜合加工中心機 (EMV-600)……………44
圖3-5鑽削加工狀態示意圖……………………………………………………………44
圖3-6鑽削實驗架構圖…………………………………………………………………45
圖3-7光學影像量測儀(型號：Mimn Taiy EM-2D)…………………………………47
圖3-8影像量測儀軟體介面……………………………………………………………47
圖3-9圓孔脫層影像量測………………………………………………………………48
圖3-10孔徑(D)及脫層 ………………………………………………………………48
圖4-1有限元素分析流程步驟圖...…………………………………………………51
圖4-2複合材料模型……………………………………………………………………52
圖4-3元素選用、材料設定角度示意圖………………………………………………54
圖4-4SHELL91元素幾何圖形...............…………………………………54
圖4-5元素座標呈現混亂程序…………………………………………………………55
圖4-6疊層結構示意圖…………………………………………………………………55
圖4-7切削過程計算示意圖……………………………………………………………57
圖4-8鑽削旋轉力量分佈示意圖………………………………………………………58
圖4-9鑽削力量分佈位置圖……………………………………………………………60
圖4-10受力分佈位置圖………………………………………………………………60
圖4-11有限元素模型網格化示意圖…………………………………………………61
圖5-1鑽削圓孔入口處之實驗值與預測值兩者之關係曲線圖..……………………65
圖5-2鑽削圓孔出口處之實驗值與預測值兩者之關係曲線圖 ……………………65
圖5-3脫層係數實驗值之關係曲線圖 ………………………………………………66
圖5-4二階反應脫層係數預測值之關係曲線圖………………………………………66
圖5-5進給率與(Fd)脫層係數之關係曲線圖....……………………………………67
圖5-6進給率(A)與主軸轉速(B)入口處之反應曲面與等高線圖……………………68
圖5-7進給率(A)與主軸轉速(B)出口處之反應曲面與等高線圖……………………68
圖5-8主軸轉速與(Fd)脫層係數之關係曲線圖...…………………………………69
圖5-9主軸轉速(B)與刀具直徑(C)入口處之反應曲面與等高線圖…………………70
圖5-10主軸轉速(B)與刀具直徑(C)出口處之反應曲面與等高線圖………………70
圖5-11主軸轉速與(Fd)脫層係數之關係曲線圖…………………………………71
圖5-12進給率(A)與刀具直徑(C)入口處之反應曲面與等高線圖…………………72
圖5-13進給率(A)與刀具直徑(C)出口處之反應曲面與等高線圖…………………72
圖5-14鑽削力之關係曲線圖,,,,………………………………………………………73
圖5-15鑽削力之應力應變與變形之關係變化圖……………………………………75
圖5-16最大剪應力示意圖……………………………………………………………76
圖5-17脫層網格分佈示意圖…………………………………………………………76
圖5-18圓孔分佈應力變化等值圖……………………………………………………77
圖5-19進給率與鑽削力其理論值與實驗值之關係曲線圖..................77
圖5-20主軸轉速與鑽削力其理論值與實驗值之關係曲線圖................78
圖5-21刀具直徑與鑽削力其理論值與實驗值之關係曲線圖................79

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