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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:徐皓芸
研究生(外文):Hao-YunHsu
論文名稱:探討黏著對微結構滑動接觸之影響
論文名稱(外文):Effect of Adhesion on Sliding Contact of Micro-structures
指導教授:林育芸
指導教授(外文):Yu-Yun Ling
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:土木工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:微柱結構表面黏著接觸滑動有效摩擦係數
外文關鍵詞:micro-structuressurfaceadhesionsliding contacteffective friction coefficient
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本文主要探討表面黏著性質對傾斜微柱結構與剛性平板間接觸滑動之影響。利用樑柱大變形彈性理論(Elastica theory)結合數值方法(shooting method)分析傾斜微結構的變形,並應用有限元素軟體ABAQUS建立數值模型做更廣泛的探討,其中利用自定義元素建立黏著元素描述黏著力與表面間垂直距離之關係,並採用二維樑元素及三維實體元素做為微柱結構之分析元素,探討微柱結構傾斜角度 、相對下壓量 、黏著元素參數 、 及滑動方向對整體力學行為的影響,分別比較其剪力、正向力與有效摩擦係數之結果。
This research studies the effect of surface adhesion on the sliding contact between inclined micro-structures and a rigid plate. The deformation of the inclined micro-structures is analyzed by using Elastica theory with shooting method. More detailed analysis was done by numerical model built in finite element software ABAQUS. In the finite element simulation, 2D beam elements and 3D solid elements model the inclined micro-structures, and the cohesive zone element for describing the relation between adhesive stress and the surface distance was implanted by user-defined element. The effect of the inclined angle , the approaching distance , the parameters and in the cohesive zone element, and the sliding direction on the deformation of micro-structures are discussed. The comparison of shear force, normal force, and the effective friction coefficient are shown in our results.
摘 要 I
ABSTRACT II
目 錄 III
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 本文內容簡介 2
第二章 文獻回顧 3
2.1壁虎足部結構與黏附力機制 3
2-2黏著力之仿生實驗與理論推導 4
2.3黏著與滑動相關之數值模擬 6
第三章 相關理論介紹與推導 10
3.1尤拉撓曲理論(Euler-bending theory) 10
3.2樑柱大變形彈性理論(Elastica theory) 11
3.3黏著應力描述 14
3.4平行樑黏著接觸問題 15
3-4.1能量法推導平行樑黏著接觸 15
3-4.2修正平行樑黏著接觸推導 17
3-4.3平行樑黏著接觸為單點接觸之推導 17
3.5傾斜樑黏著接觸大變形分析 18
第四章 有限元素模型建立與分析 28
4.1黏著元素建立 28
4.2平行微結構黏著接觸問題 31
4.2-1 數值模型建立 31
4.2-2 解析解與有限元素分析結果比較 32
4.3傾斜樑黏著接觸分析 33
4.3-1 數值模型建立 33
4.3-2 大變形數值解與有限元素分析結果比較 33
第五章 微柱黏著滑動接觸問題數值分析 46
5.1 樑元素黏著滑動接觸之模擬結果 46
5.1-1 順向滑動分析 46
5.1-2 逆向滑動分析 47
5.1-3 黏著元素參數對剪力與正向力之影響 49
5.1-4 黏著接觸滑動之有效摩擦係數 比較 51
5.1-5 黏著接觸滑動之正向力對剪力之影響 52
5.2 實體元素黏著滑動接觸之模擬結果 53
5.2-1 順向與逆向滑動分析 54
5.2-2 黏著元素參數對剪力與正向力之影響 55
5.2-3 黏著接觸滑動之有效摩擦係數 結果比較 56
5.2-4 柱頂形貌對剪力及正向力之影響 56
第六章 結論 83
參考文獻 85

[1] K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chen, T. W. Kenny, R. Fearing and R. J. Full, ‘‘Adhesive force of a single geckp foot-hair’’, Nature, vol.405, pp.681-685 (2000)

[2] K. Autumn, and A. M. peattie, ‘‘Mechanisms of adhesion in geckos’’, integrative and Comparative Biology, vol.42, pp.12252-12256(2002)

[3] K. Autumn, A. Dittmore, D. Santos, M. Spenko and M.Cutkosky, ‘‘Frictional adhesion: a new angle on gecko attachment’’, Journal of Experimental Biology, vol. 209, pp.3569-3579(2006)

[4] Jongho Lee, Carmel Majidi, Bryan Schubert and Ronald S. Fearing, ‘‘Sliding-induced adhesion of stiff polymer microfiber arrays. I. Macroscale behavior’’, Interface, vol.5, pp.835-844(2008)

[5] S.H. Chen and H.J.Gao, ‘‘Bio-inspired mechanics of reversible adhesion: Orientation-dependent adhesion strength for non-slipping adhesive contact with transversely isotropic elastic materials’’, Journal of the Mechanics and Physics of solids,vol.55, pp1001-1015(2007)

[6] Jongho Lee, Ronald S. Fearing, and Kyriakos Komvopoulos, ‘‘Directional adhesion of gecko-inspired angled microfiber arrays’’, Applied Physics Letters, vol.93, 191910(2008)

[7]吳孟璇, ‘‘微結構之黏著接觸問題數值分析’’, 成功大學土木工程學系,碩士論文(2010)

[8]林冠伯, ‘‘微柱結構之滑移接觸數值分析’’, 成功大學土木工程學系,碩士論文(2011)

[9] B. Saelman, ‘‘Some formulars for large deflections of beam columns. ’’

[10] C. H. Mastrangelo and C. H. Hsu, ‘‘A simple experimental technique for the measurement of the work of adhesion of microstructures’’, Proc. IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC (22–25), pp. 208–212(1992)

[11] ABAQUS 6.11 User’s manual.

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