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研究生: 鄭晏峰
Cheng, Yen-Feng
論文名稱: 新式雙軸材料測試系統之實現與橡膠壓縮、剪力、疲勞測試
Realization of a Novel Biaxial Testing System and Its Applications in Rubber Compression, Shearing, and Fatigue Tests
指導教授: 陳國聲
Chen, Kuo-Shen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 172
中文關鍵詞: 橡膠軸承雙軸測試系統設計壓縮測試剪力測試疲勞測試PDMS
外文關鍵詞: rubber bearing, biaxial testing system, compressing test, shear test, fatigue test
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  • 橡膠軸承在受壓縮方向之剛性,遠大於剪切方向的剛性,此異向性之特性被廣泛運用在建築防震上。近年來,逐漸有學者將橡膠軸承引進精密機械的領域,取代傳統之撓性機構,但目前相關的應用尚未純熟,必需更加了解橡膠軸承在精密機械領域的操作環境中之性質,才能更加有效地運用,因此需要發展一套合適之材料測試系統,針對橡膠軸承在特定之環境做性質檢測,為此本文針對本實驗室林佩君所提出的雙軸材料測試系統進行擴充與改良,發展出一套能針對橡膠軸承檢測的測試系統。本研究針對初代的雙軸材料測試系統現存的缺點進行改善,首先探討原本設計出現之共振問題,接著針對次系統溫控部分進行提升,透過減少熱散失與增加熱源來提高加熱效率,同時完成次系統扭轉系統的完整建構,讓系統可直接量測扭矩與旋轉角度,最後針對雙軸測試系統中音圈馬達施力不足之問題,本文擴充建構高應變壓縮測試系統以補足雙軸系統的限制。在完成雙軸材料測試系統的建構之後,使用此系統針對橡膠軸承進行三項相關性質測試:壓縮測試、剪力測試與疲勞測試。在壓縮測試中探討橡膠在高應變底下的情況,以及進行存在裂紋的壓縮測試與針對橡膠與金屬黏著做探討;在剪力實驗中測試不同尺寸的試片對剪切剛性之影響與探討溫度和固化程度對橡膠軸承性質的影響,並且也討論阻尼性質;最後在疲勞測試中主要探討橡膠軸承在各種狀況下的耐久性,包含不同裂縫長度、不同施加負載與不同固化程度。綜合以上的實驗結果,期望本文之研究成果能夠對橡膠軸承應用至精密機械領域帶來實質效果。

    Rubber bearings have been widely applied in seismic engineering and were introduced into precision machine design field recently. Rubber bearings could possibly achieve the same function as that of those much larger compliance mechanisms and therefore this represents a possible advantage in compact precision machine design. However, the mechanical behaviors of rubbers are relatively complicated and must be carefully considered for precision machine applications and existed testing systems may not be adequate and a novel elastomer testing system design should be investigated. In this thesis, based on the previous proposed design, a novel biaxial testing system is constructed. However, this design still exists lots of problems. Therefore, the first task is to revise the previous designs for improving performances in both mechanical and thermal aspects. For example, in this work, the cause of system resonance is identified and the thermal response is also improved by reducing the thermal loss and adding another heat source. On the other hand, the rotational subsystem, which can measure torque and rotation angle, is finally realized for performing a true bi-axial testing. Finally, we also construct a high strain compression test system to conduct the material characterization under very high strain. Through this work, the biaxial material testing system is ready. We then use this system to test the PDMS rubber for investigating essential rubber material properties and structural longevity. To understand the rubber bearing properties, three experiments are considered: compression, shearing, and fatigue tests. On compression test, we discuss the rubber bearing properties in high strain and consider the effect of crack on rubber. In addition, test the adhesion ability between the rubber and the metal in rubber bearing. On shearing test, shape factor, temperature, and damping are considered. Finally, we discuss the rubber durability in different crack length, input and curing situation on fatigue test. Through above works, we complete the biaxial material testing system and we can take these experiment result to offer some references for rubber bearing applied on precision machine.

    目錄 內容 摘要 I Abstract II 英文延伸摘要 III 致謝 XI 目錄 XIII 表目錄 XIX 圖目錄 XX 符號說明 XXIX 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2文獻回顧 3 1.3研究動機及目標 7 1.4研究方法 9 1.5本文架構 11 第二章 研究背景介紹 13 2.1本章介紹 13 2.2橡膠材料介紹 15 2.3測試系統介紹 22 2.4測試實驗介紹 29 2.5本章結論 31 第三章 測試系統之設計與提昇 32 3.1本章介紹 32 3.2初代雙軸測試系統介紹 34 3.2.1設計概念 34 3.2.2主架構與致動器 35 3.2.3感測器 38 3.2.4溫控系統 39 3.3.5資料擷取與整體概況 41 3.3現存問題與改進方式 44 3.4系統擴充與提昇 46 3.4.1共振探討 46 3.4.2扭轉系統 50 3.4.3溫控提昇 53 3.4.4高應變壓縮系統 55 3.5結果比較與討論 57 3.6本章結論 61 第四章 實驗建構 62 4.1本章介紹 62 4.2實驗規劃 64 4.3橡膠試片製作流程 67 4.4壓縮實驗準備 69 4.5剪力實驗準備 71 4.6疲勞實驗準備 74 4.7本章結論 75 第五章 橡膠軸承壓縮測試 76 5.1本章介紹 76 5.2實驗設定 78 5.3高應變壓縮測試 80 5.4裂紋壓縮測試 84 5.5黏著效果測試 86 5.6實驗結果與討論 89 5.7本章結論 95 第六章 橡膠軸承剪力測試 96 6.1本章介紹 96 6.2實驗設定 98 6.3試片設計與分析 99 6.4不同溫度與固化程度之測試 104 6.5阻尼能力測試 107 6.6雙軸測試 109 6.7實驗結果與討論 112 6.8本章結論 116 第七章 橡膠軸承疲勞測試 117 7.1本章介紹 117 7.2實驗設定 119 7.3不同裂縫長度之疲勞測試 122 7.4不同負載之疲勞測試 126 7.5不同固化程度試片之疲勞測試 130 7.6實驗結果與討論 134 7.7本章結論 137 第八章 研究結果與討論 138 8.1全文歸納 138 8.2研究結果討論 140 8.2.1雙軸式材料測試系統提昇與擴充 140 8.2.2橡膠軸承壓縮測試 142 8.2.3橡膠軸承剪力測試 142 8.2.4橡膠軸承疲勞測試 143 8.3未來展望與未來工作 145 8.4本章結論 149 第九章 結論與未來展望 150 9.1本文結論 150 9.2本文貢獻 153 9.3未來工作 154 參考文獻 156 附錄A1壓縮測試模擬之ABAQUS程式碼 161 附錄A2剪力測試模擬之ABAQUS程式碼 167 附錄B1雙軸夾具設計圖 171 自述 172 二、學歷 172 三、相關著作 172 表目錄 表3.1 音圈馬達規格表[43] 35 表3.2 DAQ規格[44] 42 表3.3橡膠剛性與共振頻率關係 48 表3.4 初代與二代雙軸測試系統規格比較 60 表4.1有限元素模型參數測定表 73 表6.1不同尺寸橡膠試片計算剪切模數結果 102 表6.2模擬G值結果 103 表7.1各橡膠試片之生命週期 135 表8.1 Barton Design 與初代與二代雙軸測試系統規格比較 141   圖目錄 圖1.1空氣軸承 (a) 概念示意圖[7] (b) 實際圖[8] 2 圖1.2橡膠軸承 (a)結構圖[9] (b)應用圖[5] 2 圖1.3 US patent no. 4142833之直升機rotor hub,包含兩處橡膠/金屬堆疊軸承設計[14] 4 圖1.4直升機轉子單元實體圖[15] (a)構造解說圖 (b)局部放大圖 4 圖1.5新型刀具伺服器(FTS)[12] 4 圖1.6橡膠軸承於精密機械應用實例:雷射控制鏡面機構(Laser Steering Mirror)之示意圖[16](a)實體圖 (b)移動鏡片與電樞設計 5 圖1.7使用到metal bellows的熱聲致動裝置[17] 5 圖1.8 Barton等人提出之橡膠軸承測試系統[12] 6 圖1.9林佩君提出之雙軸材料測試系統[18] 6 圖1.10研究流程圖 10 圖1.11全文架構圖 12 圖2.1第二章架構圖 14 圖2.2材料黏彈性質關係圖[19] (a)剪力係數與頻率的關係圖 (b)結構柔性與作動時間的關係圖 16 圖2.3橡膠廣泛使用於土木結構圖 (a)橡膠支座[20](b)多層軸承結構之鉛芯橡膠支座[21] 16 圖2.4橡膠應用於精密機械控制(rotary fast tool servo)圖[12](a)實體圖 (b) solid model圖 16 圖2.5橡膠軸承形狀因子之示意圖 (a)矩形塊狀 (b)圓盤狀 18 圖2.6橡膠軸承的壓縮模數與形狀因子之關係[29] 19 圖2.7兩端與金屬完全接合的橡膠軸承受各種負載之示意圖 (a)壓縮負載 (b)剪力負載 (c)彎矩(bending)負載 20 圖2.8單軸拉伸試驗示意圖[31] 23 圖2.9結構鋼的應力應變曲線圖[32] 23 圖2.10橡膠單軸測試結果圖[34] (X軸L:伸長量、Y軸F:應力) 24 圖2.11 HSM43 torsion testing machine[36] 25 圖2.12扭矩測試 (a)示意圖 (b)受力分析圖[18] 26 圖2.13測試儀器 (a) ASTM D732 (b)Yersley Oscillograph (ASTM D945) 28 圖2.14拉伸裂紋試片 30 圖3.1第三章架構圖 33 圖3.2雙軸式材料測試系統基本架構圖 34 圖3.3 圓筒型音圈 (b)馬達線性滑軌 36 圖3.4 音圈馬達鎖至移動平台示意圖 36 圖3.5 (a) 電動旋轉台 (b) 控制器 37 圖3.6 XY定位平台 37 圖3.7 (a) 力規 (b) 力規放大器 38 圖3.8 電容式位移感測器 39 圖3.9 壓克力板密閉空間 40 圖3.10 溫度控制裝置 40 圖3.11 溫控系統加熱溫度與時間關係圖 41 圖3.12 多功能資料擷取器 42 圖3.13雙軸系統迴圈圖(a)力量迴圈 (b)位移迴圈 43 圖3.14 (a)肋柱強化結構 (b)電容式探針檢測平台位移相位差 47 圖3.15 不同尺寸之橡膠試片 48 圖3.16 試片剛性與共振頻率之關係圖 48 圖3.17彈簧質量阻尼系統模型圖 49 圖3.18 扭力感測計 50 圖3.19 (a) wiimote (b) wiimote camera 與紅外光源 51 圖3.20扭力計與wiimote camera 架設 (圖中Z =14cm) 51 圖3.21 wiimote 座標與角度變化示意圖 52 圖3.22 (a) 珍珠板防止熱散逸 (b)矽利康填縫 53 圖3.23 氣體循環裝置 54 圖3.24 鹵素燈加熱 54 圖3.25 加熱改善數據圖 54 圖3.26 壓縮測試系統概念圖 55 圖3.27 步進馬達與聯軸器 56 圖3.28 高應變壓縮測試系統感測器(a)力規 (b)雷射位移感測器 56 圖3.29 高應變壓縮測試系統架構圖 56 圖3.30加熱效率數據比較圖 58 圖3.31 Error fraction取自然對數與時間關係圖 59 圖3.32 二代雙軸式材料測試系統 59 圖4.1 第四章架構圖 63 圖4.2實驗架構圖 66 圖4.3橡膠調配流程 67 圖4.4 PDMS試片配製圖 68 圖4.5 橡膠金屬黏著劑 69 圖4.6 橡膠試片安置測試系統中 70 圖4.7 使用美工刀割出橡膠裂縫 70 圖4.8 剪力測試裝置設計概念圖 71 圖4.9 (a) 橡膠試片 (b) 剪力夾具組件 71 圖4.10 剪力測試示意圖 72 圖4.11 剪力夾具有限元素模型 72 圖4.12 存在裂縫的剪力試片 74 圖5.1 本章架構圖 77 圖5.2 壓縮測試示意圖 79 圖5.3 方形試片初始裂紋示意圖 79 圖5.4 不同形狀因子之圓柱試片 80 圖5.5不同形狀因子之高應變壓縮測試 81 圖5.6 不同形狀因子之雙軸系統壓縮測試 83 圖5.7 雙軸與高應變壓縮系統測試結果比較圖 83 圖5.8 不同形狀因子之裂縫試片 84 圖5.9 不同形狀因子裂縫壓縮測試比較結果 85 圖5.10不同形狀因子裂縫壓縮測試應力應變圖 85 圖5.11橡膠壓縮測試 (a) 未黏合(b) 有黏合 87 圖5.12 不同形狀因子之方形試片 87 圖5.13 不同形狀因子之橡膠黏著壓縮測試 (a)s=0.25 (b) s=0.375 (c) s=0.5 88 圖5.14雙軸材料系統與高應變壓縮測試系統之不同形狀因子壓縮測試結果比較圖 91 圖5.15 不同形狀因子之黏著壓縮測試結果圖 92 圖5.16 不同形狀因子之黏著壓縮測試應力應變圖 92 圖5.17 方形試片壓縮示意圖 (a)未黏合 (b)有黏合 93 圖5.18壓縮試片模型 93 圖5.19壓縮測試有限元素模擬應力圖 94 圖6.1 本章架構圖 97 圖6.2 加熱烘箱設備 98 圖6.3 橡膠試片尺寸示意圖 99 圖6.4 不同長度與厚度之試片 100 圖6.5 (a)不同長度試片剛性測試結果 (橡膠厚度3mm,寬度10mm) (b)不同厚度試片剛性測試結果 (橡膠長度10mm,寬度10mm) 101 圖6.6 橡膠試片模擬示意圖 103 圖6.7 不同溫度下剪切剛性關係圖 105 圖6.8 不同加熱固化時間下橡膠試片剪切剛性關係圖 106 圖6.9 溫度與加熱固化實驗測試結果圖 106 圖6.10 橡膠試片自由振盪位移圖 107 圖6.11 (a)不同厚度試片阻尼測試結果 (橡膠長度10mm,寬度10mm) (b)不同長度試片阻尼測試結果 (橡膠厚度3mm,寬度10mm) 108 圖6.12 雙軸測試夾具示意圖 110 圖6.13 (a)雙軸夾具 (b)內部橡膠填充 110 圖6.14 不同寬度之雙軸夾具 110 圖6.15 不同橡膠寬度之扭轉測試結果圖 111 圖6.16 旋轉角度對剪切剛性影響關係圖 111 圖6.17 橡膠長寬比與剪切剛性關係 113 圖6.18 橡膠試片長寬比與阻尼關係圖 114 圖7.1 本章架構圖 118 圖7.2橡膠與金屬部分未黏合圖 120 圖7.3 黏著比率與剪切剛性關係圖 120 圖7.4 黏合強度疲勞測試結果圖 121 圖7.5剪力試片裂縫示意圖 (a)剪力試片 (b)不同裂縫長度圖 122 圖7.6 不同裂縫長度剛性比較圖 123 圖7.7 不同裂縫長度之橡膠試片疲勞測試結果 124 圖7.8圖橡膠試片裂縫成長方向圖 124 圖7.9 裂縫長度與剛性關係圖 125 圖7.10 裂縫比率與剛性百分比關係圖 125 圖7.11不同負載測試試片 (a)示意圖 (b)實際圖 126 圖7.12橡膠試片之不同負載疲勞測試結果 (a)固化時間12小時 (b)固化時間24小時 (c)固化時間48小時 128 圖7.13 橡膠試片之不同負載疲勞測試結果剛性百分比圖(a)固化時間12小時 (b)固化時間24小時 (c)固化時間48小時 129 圖7.14不同固化程度橡膠之疲勞測試 (a)輸入負載 25N(b) 輸入負載 37.5N (c) 輸入負載 43.75N 132 圖7.15不同固化程度橡膠之疲勞測試剛性百分比圖 (a)輸入負載 25N (b)輸入負載 37.5N (c)輸入負載 43.75N 133 圖7.16不同輸入負載之試片生命週期 135 圖7.17不同加熱固化時間之試片生命週期 136 圖8.1複合負載示意圖 146 圖B.1雙軸夾具內夾具 171 圖B.2雙軸夾具外夾具 171 圖B.3雙軸夾具輔助金屬墊 171

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    下載圖示 校內:2018-07-27公開
    校外:2018-07-27公開
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