臺灣博碩士論文加值系統

本研究設計一具有0.05 mm干涉量之橡膠導線套筒結構，並且使此車用電子產品外殼具有防水效果之能力。研究中利用有限元素法模擬並依田口式實驗計畫法之分析，比較不同的橡膠導線套筒材料硬度、長度、厚度等設計因子，找出皆具有相同的防水能力下對橡膠最小的von Mises 應力、最大的線材反力、最小的水壓滲透距離。在研究中發現橡膠導線套筒硬度為43.5 度、長度6 mm、厚度1 mm擁有組裝後對橡膠最小的von Mises 應力；發現橡膠導線套筒硬度為72 度、長度11 mm、厚度1.5 mm擁有著對線材最大的反力；發現橡膠導線套筒硬度為72 度、長度11 mm、厚度1.5 mm擁有著最小的水壓滲透距離，另外也發現小量的干涉量即具有足以抵抗水下4 m的滲透能力。期望在目前追求成本及時效的大環境下，藉此研究讓機構工程師在設計橡膠防水部分能同時考慮到相關搭配參數，有效提高機構工程師的工作效率，不再像過往只能依試誤法方式去耗費額外的開發成本。

This study designs a rubber wire sleeve structure with 0.05 mm interference, and makes the controller housing product waterproof. The FEM software is used to simulate and analyze the different designs according to Taguchi's experimental method. Design factors include the rubber’s hardness, length, and thickness of rubber wire sleeve. The target is to find the smallest von Mises stress of the rubber material with the acceptable waterproof ability after assembling. In the research, it was found that the design with best quality index was the one with the Shore A hardness of the rubber wire sleeve 43.5, the length 6 mm, and the thickness 1 mm. It has the smallest von Mises stress in the rubber. It was also found that the design with best quality index was the one with the shore A hardness of the rubber wire sleeve 72, the length 11 mm, and the thickness 1.5 mm. It has both the biggest reaction force in the wire and the smallest water penetration distance in the rubber. In addition, it is also found that a small magnitude of interference as 0.05 mm is sufficient to withstand the penetration of 4 m-depth water. It is believed that this research with the proposed design method can provide a more competitive approach in the current environment of pursuing cost reduction and time efficiency.

摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iv
目錄 v
表目錄 ix
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究方法 5
1.4 論文架構 5
第二章 文獻探討 7
2.1 文獻回顧 7
2.2 橡膠材料特性 10
2.3 橡膠本構模型 16
2.4 水下環境壓力的計算 22
2.5 田口式實驗法 25
2.5.1 品質特性 26
2.5.2 實驗因子定義與選用 26
2.5.3 直交表 28
2.5.4 製程最佳化 29
2.5.5 信號雜訊比 29
2.5.6 變異分析 31
2.5.7 實驗可信度 33
第三章 研究方法 35
3.1 研究流程 35
3.2 產品設計 36
3.3 田口式實驗法規劃 37
3.3.1 品質特性 37
3.3.2 控制因子選定 38
3.3.3 直交表選用 38
3.4 產品有限元素模擬之設定 39
3.4.1 產品模型建模(Part) 41
3.4.2 材料參數設定(Property) 42
3.4.3 分析步設定(Step) 43
3.4.4 接觸設定(Interaction) 45
3.4.5 負載與邊界參數設定(Load) 49
3.4.6 網格設定與收斂性分析(Mesh) 50
3.4.7 橡膠導線套筒防水等級之設定 55
3.4.8 模擬防水效果之設定 56
第四章 結果與討論 60
4.1 防水效果之模擬驗證 60
4.2 驗證模擬之正確性 61
4.3 田口式實驗法結果1-橡膠導線套筒von Mises應力 62
4.3.1 橡膠導線套筒von Mises應力實驗之數據 62
4.3.2 品質特性因子反應表與反應圖 63
4.3.3 S/N比因子反應表與反應圖 64
4.3.4 變異數分析 65
4.3.5 實驗可信度之確認 66
4.3.5.1 預測值S/N比計算 66
4.3.5.2 信賴區間計算 67
4.3.6 田口式實驗法1之結果 69
4.4 田口實驗結果2-線材反力 69
4.4.1 線材反力實驗之數據 69
4.4.2 品質特性因子反應表與反應圖 70
4.4.3 S/N比因子反應表與反應圖 71
4.4.4 變異數分析 72
4.4.5 實驗可信度之確認 73
4.4.5.1 預測值S/N比計算 73
4.4.5.2 信賴區間計算 73
4.4.6 田口式實驗法2之結果 75
4.5 田口實驗結果3-水壓滲透距離 77
4.5.1 水壓滲透距離實驗之數據 77
4.5.2 品質特性因子反應表與反應圖 77
4.5.3 S/N比因子反應表與反應圖 79
4.5.4 變異數分析 80
4.5.5 實驗可信度之確認 80
4.5.5.1 預測值S/N比計算 80
4.5.5.2 信賴區間計算 81
4.5.6 田口式實驗法3之結果 83
第五章 結論及未來展望 84
5.1 結論 84
5.2 未來展望 85
參考文獻 86

[1] 黃志全, “電動輔助自行車及電動自行車介紹,” 車安通訊季刊, 編號 103-02, 2014.
[2] “https://www.insulationmaterial.co/tw/potting-compound-for-electronic-components.html,” 傑地有限公司.
[3] “http://www.caemolding.org/cmm/ow-pressure-injection-molding/,” CAE Molding Magazine.
[4] “https://www.awimach.com/zhtw/sealing/technology/basic.php,” AIR WATER MACH INC..
[5] K. Miller, "Testing elastomer for hyperelastic material models in finite element analysis," Axel Products Testing and Analysis Report, 2000.
[6] I. Pearson, M. Pickering,, "The determination of a highly elastic adhesive’s material properties and their representation in finite element analysis," Finite Elements in Analysis and Design 37, pp. 221-232, 2001.
[7] 鄭明軍, 王文靜, 陳政南, 吳利軍, “橡膠Mooney-Rivlin模型力學性能常數的確定,” 橡膠工業, 第8期, pp. 462-465, 2003.
[8] K. Genovese, L. Lamberti, C. Pappalettere,, "Mechanical characterization of hyperelastic materials with fringe projection and optimization techniques," Optics and Lasers in Engineering, pp. 423-442, 2006.
[9] G. Palmieri, S. Papalini, M. Sasso, G. Chiappini,, "Characterization of time-dependent materials by biaxial stretching tests," Proceedings of SEM Annual Conference, 2007.
[10] M. Sasso, G. Palmieri, G. Chiappini, D. Amodio,, "Characterization of hyperelastic rubber-like materials by biaxial and uniaxial stretching tests based on optical methods," Polymer Testing, Volume 27, Issue 8, pp. 995-1004, 2008.
[11] 黃建龍, 解廣娟, 劉正偉, “基於Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超彈性橡膠材料有限元分析,” 橡膠工業, 第8期, pp. 467-471, 2008.
[12] G. Berselli, R. Vertechy, M. Pellicciari, G. Vassura, "Hyperelastic modeling of rubber-like photopolymers for additive manufacturing processes," Rapid Prototyping Technology - Principles and Functional Requirements, pp. 135-152, 2011.
[13] 劉萌, 王青春, 王國權, “橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數的確定,” 橡膠工業, 第4期, pp. 241-245, 2011.
[14] M. N. Hamzah, A. A. Razaq, "Nonlinear visco-hyperelastic constitutive modeling for filled elastomeric materials," AL-Qadisiya Journal For Engineering Sciences, pp. 369-382, 2013.
[15] K. Jahani, H. Mahmoodzade,, "Predicting dynamic material constants of Mooney-Rivlin model in broad frequency for elastomeric components," Latin American Journal of Solids and Structures 11, 2014.
[16] Ł. Jarzębski, "Selection of material model for polyurethane rail pad based on experimental results," Military University of Technology,, Warsaw, Poland., 2015.
[17] 陳侃, 沈景鳳, 餘關仁, 朱唯豐, 李為, 張詩悅, “軌道用橡膠扣件Mooney-Rivlin模型參數確定及壓縮變形的有限元模擬,” 機械工程材料, 第4期, pp. 89-92, 2016.
[18] 吳廣峰, 宋偉玲, “電子產品的防水方式及其發展趨勢,” 科技視界, 第3期, pp. 123-124.
[19] K. Srinivas, "Hyperelastic material models in finite element analysis(FEA) of polymer and rubber components," Advanced Scientific and Engineering Services(AdvanSES), 2017.
[20] P. Szurgott, Ł. Jarzębski, “Selection of a hyper-elastic material model – a case study for a polyurethane component,” Latin American Journal of Solids and Structures, 2019, 16(5), e191.
[21] 張琦, 時劍文, 索雙富, 孟國營, “基於Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的橡膠材料有限元分析,” 合成橡膠工業, 第6期, pp. 468-471, 2020.
[22] 陳君保, “以橡膠凸緣作為攜帶型3C產品連接器防水結構之電腦輔助設計分析研究,” 碩士學位論文，國立臺北科技大學機電整合碩士班, 臺北，臺灣, 2021.
[23] 徐忠麗, “橡膠密封製品的有限元模擬與結構優化,” 碩士學位論文，青島科技大學材料加工工程, 青島，中國, 2006.
[24] L. Treloar, The Physics of Rubber Elasticity, Oxford, England: Clarcudon Press, 1975.
[25] “https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BC%B9%E6%80%A7%E4%BD%93#cite_note-ad-3,” 維基百科.
[26] 士盟瑞其CAE團隊, 最新ABAQUS實務入門, 臺灣: 全華圖書股份有限公司, 2013.
[27] “https://www.easyatm.com.tw/wiki/%E9%9D%9C%E6%B0%B4%E6%87%89%E5%8A%9B,” 百科知識.
[28] “https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%BD%E9%99%85%E9%98%B2%E6%8A%A4%E7%AD%89%E7%BA%A7%E8%AE%A4%E8%AF%81,” 維基百科.
[29] 李輝煌, 田口方法-品質設計的原理與實務, 臺灣: 高立圖書有限公司, 2019.
[30] 方治國、陳鴻偉, “汽車雨刷膠條磨潤測試機台之研製與實驗分析,” 國立宜蘭大學工程學刊, pp. 1-14, 2012.
[31] B. Persson, "Silicone Rubber Adhesion and Sliding Friction," Peter Grünberg Institute(PGI), 2016.
[32] “https://www.apple.com/tw/iphone/compare/,” Apple 蘋果.
[33] “https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%AB%E6%9B%B2,” 維基百科.