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研究生： 許凱翔
HSEI, KAI-SHAN
論文名稱： 多種材料熱應力奇異性之實驗探討
EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THERMAL STRESS SINGULARITY OF MULTI-MATERIALS
指導教授： 王偉中
WANG, WEI-CHUNG
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2001
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 84
中文關鍵詞： 光彈法 、多種材料 、應力奇異性 、應力強度因子 、強力矩陣 、轉換矩陣
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    • 本文主要是以光彈法配合林欣衛所提出之強力矩陣(POWER MATRIX MOTHD, PMM)以及轉換矩陣法(GENERAL TRANSFER MATRIX METHOD, GTMM)探討多種材料的連接以及楔角結構受熱負載時的應力奇異性，近一步更探討加熱暫態光彈條紋的變化，並以林欣衛之理論倒畫出應力場之光彈條紋圖與實驗影像作一驗證比較，探討理論在工程上的應用性。
    令外，本文中也將林欣衛所提出應力強度因子以極座標畫出，全方位探討應力強度因子的分佈與其物理意義，且由應力強度因子的極座標分佈圖進一步可將多種材料結構中破裂模式的分離。對於暫態的變化，以應力強度因子的極座標分佈圖和應力強度因子隨時間變化圖討論加熱過程中破裂模式的變化與消長。

    一、簡介 1 二、文獻回顧 2 2.1 奇異性問題求解 2 2.2 應力強度因子與光彈法 3 三、原理 4 3.1 光彈法原理 4 3.1.1 傳統光彈法 4 3.1.2 數位光彈法 6 3.2 強力矩陣法[1] 7 3.2.1 強力矩陣之推導[1] 7 3.2.2 連接(junction)結構 10 3.2.3 開口楔角(wedge)………………………………….11 3.2.4 均勻溫度負載…..…………………………………13 3.3 應力強度因子的新定義[1] 15 四、實驗試片及裝置 18 4.1 實驗試片 18 4.2 實驗裝置 18 4.2.1 加熱裝置 18 4.2.2 光彈實驗裝置 19 五、實驗程序 21 5.1 光彈實驗 21 六、結果與討論 25 6.1 加熱過程中與受均溫負載之光彈條紋分佈 26 6.1.1 連接結構 26 6.1.2 楔角結構 28 6.1.3 灌模試片受均溫負載 30 6.2 理論倒畫與實驗比較 30 6.2.1 楔角結構的理論高估 31 6.2.2 邊界與溫度梯度之效應 31 6.3 應力強度因子K□□與Kr□的探討 32 6.3.1 破裂模式的分離 32 6.3.2 特徵值與應力強度因子 33 6.3.3 加熱過程中應力強度因子的變化…………………… 34 七、結論 36 八、未來展望 37 九、參考文獻 38 圖目錄 圖1 楔角與連接結構示意圖[1] 41 圖4.1 試片一：兩種材料連接結構 (光彈材料2700-黃銅900) 41 圖4.2 試片二：兩種材料連接結構 (PSM-1 2250-銅1350) 42 圖4.3 試片三：三種材料連接結構 (PSM-1 2700-鋁450-黃銅900) 42 圖4.4 試片四：三種材料連接結構 (PSM-1 2250-鋁450-銅900) 43 圖4.5 試片五：四種材料連接結構 (PSM-1 2250-鋼22.50-鋁22.50-黃銅900) 43 圖4.6 試片六：兩種材料楔角結構 (PSM-1 1800-黃銅900) 43 圖4.7 試片七：三種材料楔角結構 (PSM-1 2250-鋼22.50-黃銅900) 44 圖4.8 加熱裝置圖 45 圖4.9 加熱裝置示意圖圖 46 圖4.10 光彈儀架設圖 47 圖4.11 試片加熱示意簡圖 47 圖4.12 實驗架設圖[17] 48 圖4.13 取點示意圖 49 (a)拍攝區域示意圖 (b)像素分佈圖 (c)第400行灰度值掃描示意圖 (d)第400行灰度值分佈圖 (e)取點分佈圖 (f)理論倒畫 圖6.1 試片一：兩種材料連接結構 (PSM-1 2700-黃銅900)加熱過程中之光彈條紋變化 50 (a) 70秒 (b) 100秒 (c) 200秒 (d) 250秒 (e) 500秒 (f) 600秒 圖6.2 試片二：兩種材料連接結構 (PSM-1 2250-黃銅1350)加熱過程中 之光彈條紋變化 51 (a) 30秒 (b) 70秒 (c) 120秒 (d) 210秒 (e) 320秒 (f) 600秒 圖6.3 試片三：三種材料連接結構 (PSM-1 2700-黃銅450-鋁450)加熱過 程中之光彈條紋變化 52 (a) 30秒 (b) 150秒 (c) 220秒 (d) 360秒 (e) 420秒 (f) 600秒 圖6.4 試片四：三種材料連接結構 (PSM-1 2250-鋁450-黃銅900)加熱過程 中之光彈條紋變化 53 (a) 100秒 (b) 160秒 (c) 220秒 (d) 310秒 (e) 450秒 (f) 600秒 圖6.5 試片五：四種材料連接結構 (PSM-1 2250-鋼22.50-鋁22.50-黃銅900)加 熱過程中之光彈條紋變化 54 (a) 60秒 (b) 90秒 (c) 220秒 (d) 270秒 (e) 330秒 (f) 600秒 圖6.6 試片六：兩種材料楔角結構 (PSM-1 1800-鋼22.50-黃銅900)加熱過程 中之光彈條紋變化 55 (a) 30秒 (b) 60秒 (c) 140秒 (d) 170秒 (e) 370秒 (f) 600秒 圖6.7 試片七：三種材料楔角結構 (PSM-1 2250-鋼22.50-黃銅900)加熱過 程中之光彈條紋變化 56 (a) 30秒 (b) 110秒 (c) 160秒 (d) 260秒 (e) 450秒 (f) 600秒 圖6.8 試片八：兩種材料連接結構 (Epon828 2700-黃銅900)受均溫 負載(負200C)之光彈條紋圖形 57 圖6.9 試片一(PSM-1 2700-黃銅900 )之穩態光彈條紋與倒畫 58 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.10 試片二(PSM-1 2250-黃銅1350)之穩態光彈條紋與倒畫 58 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.11 試片三(PSM-1 2700-鋁450-黃銅450) 之穩態光彈條紋與倒畫 59 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.12 試片四(PSM-1 2250-鋁450-黃銅900) 之穩態光彈條紋與倒畫 59 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.13 試片五(PSM-1 2250-鋼22.50-鋁22.50-黃銅900) 之穩態光彈條紋與倒畫 60 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.14 試片六(PSM-1 2250-黃銅900)之穩態光彈條紋與倒畫 60 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.15 試片七(PSM-1 2250-鋼22.50-黃銅900) 之穩態光彈條紋與倒畫 61 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.16 試片八(Epon828 900-黃銅900)之光彈條紋與倒畫(灌模) 61 (a)實驗影像(600秒) (b)理論倒畫 圖6.17 試片一(PSM-1 2700-黃銅 900)應力強度因子分佈 62 (a)□1=0.657 (b)□2=0.657 圖6.18 試片二(PSM-1 2250-黃銅 1350)應力強度因子分佈 63 (a)□1=0.746 (b)□2=0.890 圖6.19 試片三(PSM-1 2700-鋁450-黃銅450)應力強度因子分佈 64 (a)□1=0.668 (b)□2=0.765 圖6.20 試片四(PSM-1 2250-鋁450-黃銅900)應力強度因子分佈 65 (a)□1=0.751 (b)□2=0.890 圖6.21 試片五(PSM-1 2250-鋼 22.50-鋁22.50黃銅 900) 應力強度因子分佈 66 (a)□1=0.741 (b)□2=0.891 圖6.22 試片六(PSM-1 1800-黃銅 900)應力強度因子分佈 67 (a)□1=0.52□0.087i (b)□2=1.50□1.108i 圖6.23 試片七(PSM-1 2250-鋼 22.50-黃銅 900) 應力強度因子分佈 68 (a)□1=0.118 (b)□2=0.350 圖6.24 試片一之□1所對應之應力強度因子在不同時間分佈 69 (a) □1所對應之K□□分佈圖 (b) □1所對應之Kr□分佈圖 圖6.25 試片一之□2所對應之應力強度因子在不同時間分佈 70 (a) □2所對應之K□□分佈圖 (b) □2所對應之Kr□分佈圖 圖6.26 試片二之□1所對應之應力強度因子在不同時間分佈 71 (a) □1所對應之K□□分佈圖 (b) □1所對應之Kr□分佈圖 圖6.27 試片二之□2所對應之應力強度因子在不同時間分佈 72 (a) □2所對應之K□□分佈圖 (b) □2所對應之Kr□分佈圖 圖6.28 試片三之□1所對應之應力強度因子在不同時間分佈 73 (a) □1所對應之K□□分佈圖 (b) □1所對應之Kr□分佈圖 圖6.29 試片三之□2所對應之應力強度因子在不同時間分佈 74 (a) □2所對應之K□□分佈圖 (b) □2所對應之Kr□分佈圖 圖6.30 試片四之□1所對應之應力強度因子在不同時間分佈 75 (a) □1所對應之K□□分佈圖 (b) □1所對應之Kr□分佈圖 圖6.31 試片四之□2所對應之應力強度因子在不同時間分佈 76 (a) □2所對應之K□□分佈圖 (b) □2所對應之Kr□分佈圖 圖6.32 試片五之□1所對應之應力強度因子在不同時間分佈 77 (a) □1所對應之K□□分佈圖 (b) □1所對應之Kr□分佈圖 圖6.33 試片五之□2所對應之應力強度因子在不同時間分佈 78 (a) □2所對應之K□□分佈圖 (b) □2所對應之Kr□分佈圖 圖6.34 試片六之□1所對應之應力強度因子在不同時間分佈 79 (a) □1所對應之K□□分佈圖 (b) □1所對應之Kr□分佈圖 圖6.35 試片六之□2所對應之應力強度因子在不同時間分佈 80 (a) □2所對應之K□□分佈圖 (b) □2所對應之Kr□分佈圖 圖6.36 試片七之□1所對應之應力強度因子在不同時間分佈 81 (a) □1所對應之K□□分佈圖 (b) □1所對應之Kr□分佈圖 圖6.37 試片七之□2所對應之應力強度因子在不同時間分佈 82 (a) □2所對應之K□□分佈圖 (b) □2所對應之Kr□分佈圖 圖6.38 試片一之應力強度因子在不同時間分佈 83 (a) □1所對應的應力強度因子對時間的分佈 (b) □2所對應的應力強度因子對時間的分佈 表目錄 表一 材料性質表 84 (a)光彈材料特性[14,17] (b)金屬材料特性[17] 表二 連接結構特徵值 84 表三 楔角結構特徵值 84 表四 連接結構特徵值(灌模) 84

    1. 林欣衛，”多重材料楔角與接合角應力奇異性與模式之探討”，國立清華大學動力機械工程研究所博士論文，民國89年。
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