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研究生： 林思仲
Lin, Zue-zon
論文名稱： 以黏著元素分析彈性層界面破壞
Analysis of Interfacial Fracture of Elastic Layers Using Cohesive Element
指導教授： 林育芸
Lin, Yu-yun
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 98
中文關鍵詞： 拉拔試驗 、破裂機制圖 、黏著元素
外文關鍵詞： cohesive element, pull-off test, deformation map
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    • 在拉拔試驗中，彈性層界面破裂模式決定於黏著特性、彈性層的體積性質與束制程度，其中束制程度定義為接觸半徑與彈性層厚度的比值。在本篇研究中，不可壓縮之彈性層與平面探頭的軸對稱有限元素拉拔模型將使用ABAQUS來模擬，而界面的黏著特性則使用黏著元素。我們將探討不同的束制程度以及黏著元素組成律對於黏著界面應力的分佈與破裂過程的影響。最後，我們將所有的數值結果放入破裂機制圖，其中破裂機制圖將依據Crosby等人[1]所提出的理論而得並將其理論中的黏著強度作修正。可發現當黏著元素組成律與彈性層束制程度已知的話，新的破裂機制圖將可精準的預測其破裂模式。

    The mode of interfacial fracture of elastic layer in a pull-off test depends on adhesion, the bulk properties of the elastic layer, the degree of confinement, which is defined by the ratio of the contact radius to the thickness of the layer. In this research, an axisymmetric finite element model of pull-off test for an incompressible elastic layer adhesively bonded with a rigid flat probe was built using ABAQUS. The cohesive elements were used to characterize the adhesion between the elastic layer and the rigid flat probe. We studied numerically the stress distribution and failure process of interfacial fracture in pull-off test for different confinement ratio and different constitutive law of the cohesive elements. Finally, we concluded the types of failure mode of elastic layer in a deformation map according to our numerical results. The deformation map refers to Crosby et al [1] but was modified mainly by the adhesive strength. It shows that the new deformation map can precisely predict the failure mode when adhesion and confinement ratio of elastic layer are known.

    目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 本文內容與組織 2 第二章 文獻回顧 3 2.1 薄膜的破裂機制 3 2.1-1 周邊開裂能量釋放率 5 2.1-2 內部裂縫開裂能量釋放率 7 2.1-3 孔洞與手指狀體積 7 2.2 界面破壞到體積破壞的轉換 8 第三章 黏著元素的選用 15 3.1 黏著元素之組成律 15 3.2 曳引力-位移 16 3.2-1開始損壞準則17 3.2-2損壞進展準則18 3.3 雙層懸臂樑(Double Cantilever Beam) 22 3.3-1能量釋放率定義 23 3.3-2柔度法計算能量釋放率 24 3.3-3 Timoshenko與Euler樑理論 25 3.3-4理論與數值結果比較 27 3.4 總結 29 第四章 數值分析 47 4.1 數值模型描述 47 4.2 固定黏著元素組成律，改變 比值 49 4.2-1 a/h=1 49 4.2-2 a/h=5 51 4.2-3 a/h=10 52 4.2-4 a/h=20 52 4.2-5 a/h=40 53 4.3 黏著元素最大標稱應力更改，其他參數固定 53 4.3-1 a/h=1 54 4.3-2 a/h=5 54 4.3-3 a/h=10 54 4.3-4 a/h=20 55 4.3-5 a/h=40 56 4.4 改變黏著元素的臨界能量釋放率 57 4.5 破裂機制圖(Deformation map) 58 第五章 結論 94 參考文獻 97 自述 98 圖目錄 圖2-1 一般常見對薄膜材料黏著試驗使用之儀器與種類示意圖 11 圖2-2 在承受軸向力作用後薄膜層裂縫破裂模式圖 12 圖2-3 含有錢幣狀裂縫的無窮域均質均向材料，受均勻單軸拉伸應力示意圖 13 圖2-4 、 與 為條件下的破裂機制圖，圖解說明側向束制程度與 對系統破裂機制的影響 14 圖3-1 曳引力-位移在三維中的應力分量 30 圖3-2 連體在三維中的應變分量 31 圖3-3 典型襯墊應用 32 圖3-4 線性形式破裂發展 33 圖3-5 指數形式破裂發展 33 圖3-6 單一模式下的組成律示意圖 34 圖3-7 混合模式下的組成律示意圖 35 圖3-8 雙層懸臂樑示意圖 36 圖3-9 任意外力負載與位移 37 圖3-10 材料受外力控制之外力與位移關係圖 38 圖3-11 材料受位移控制之外力與位移關係圖 39 圖3-12 在相同的組成律下，viscous對數值結果之影響 40 圖3-13 最終失效位移與黏著元素尺寸比值對數值結果的影響 41 圖3-14 雙層懸臂樑與黏著元素的元素尺寸之比值對數值結果的影響 42 圖3-15 Euler與Timoshenko雙層懸臂樑理論預測 43 圖3-16 在同樣 與 的組成律下改變 ，其整個系統的外力- 位移曲線圖 44 圖3-17 在同樣 與 的組成律下，改變 的示意圖 45 圖3-18 在同樣 與 的組成率下改變 ，其整個系統的外力- 位移曲線圖 46 圖4-1 薄膜拉拔試驗有限元素數值模型之幾何及邊界條件示意圖 61 圖4-2 a/h=1之網格分割示意圖 62 圖4-3 黏著元素組成律之輔助示意圖 63 圖4-4 a/h=1與T=40KPa時的外力-位移曲線圖 64 圖4-5 (a)a/h=1，其A、B、C點的正向應力數值結果 65 圖4-5 (b)a/h=1，其A、B、C點的剪應力數值結果 65 圖4-6 與 之關係圖，其中 66 圖4-7 正規化之能量釋放率與束制程度之關係圖 67 圖4-8 a/h=5與T=40KPa時的外力-位移曲線圖 68 圖4-9 (a)a/h=5，其B、D、E點的正向應力數值結果 69 圖4-9 (b)a/h=5，其B、D、E點的剪應力數值結果 69 圖4-10 a/h=10與T=40KPa時的外力-位移曲線圖 70 圖4-11 (a)a/h=10，其D、E、G點的正向應力數值結果 71 圖4-11 (b)a/h=10，其D、E、G點的剪應力數值結果 71 圖4-12 a/h=20與T=40KPa時的外力-位移曲線圖 72 圖4-13 (a)a/h=20，其A、B、C點的正向應力數值結果 73 圖4-13 (b)a/h=20，其A、B、C點的剪應力數值結果 73 圖4-14 a/h=40與T=40KPa時的外力-位移曲線圖 74 圖4-15 (a)a/h=40，其A、B、C點的正向應力數值結果 75 圖4-15 (b)a/h=40，其A、B、C點的剪應力數值結果 75 圖4-16 a/h=1，黏著元素組成律中最大標稱應力T改變對外力-位移曲線的影響 76 圖4-17 a/h=1與T=100KPa時的外力-位移曲線圖 77 圖4-18 a/h=5，黏著元素組成律中最大標稱應力T改變對外力-位移曲線的影響 78 圖4-19 a/h=10與T=100KPa時的外力-位移曲線圖 79 圖4-20 (a)a/h=10，其B、D、E點的正向應力數值結果 80 圖4-20 (b)a/h=10，其B、D、E點的剪應力數值結果 80 圖4-21 a/h=20與T=120KPa時的外力-位移曲線圖 81 圖4-22 (a)a/h=20，其H、I點的正向應力數值結果 82 圖4-22 (b)a/h=20，其H、I點的剪應力數值結果 82 圖4-23 a/h=40與T=80KPa時的外力-位移曲線圖 83 圖4-24 (a)a/h=40，其B點的正向應力數值結果 84 圖4-24 (b)a/h=40，其B點的剪應力數值結果 84 圖4-25 a/h=40與T=120KPa時的外力-位移曲線圖 85 圖4-26 a/h=1與T=100KPa時的外力-位移曲線圖 86 圖4-27 (a)a/h=1，其A、B、C點的正向應力數值結果 87 圖4-27 (b)a/h=1，其A、B、C點的剪應力數值結果 87 圖4-28 (a)a/h=1，其C、D、E點的正向應力數值結果 88 圖4-28 (b)a/h=1，其C、D、E點的剪應力數值結果 88 圖4-29 時，破裂機制圖中eq.(2-9)&(2-10)&(4-5)皆採用 89 圖4-30 時，破裂機制圖中eq.(2-10)&(4-5)皆採用 90 圖4-31 時，破裂機制圖中eq.(2-10)&(4-5)皆採用 91 圖4-32 時，破裂機制圖中eq.(2-10)&(4-5)皆採用 92 圖4-33 時，破裂機制圖中eq.(2-10)&(4-5)皆採用 93

    [1] A. J. Crosby, K. R. Shull, H. Lakrout and C. Creton, “Deformation and Failure Modes of Adhesively Bonded Elastic Layers”, Journal of Applied Physics, Vol.88, No 5, pp.2956-2966 (2000).

    [2] I. N. Sneddon, “ The Distribution of Stress in the Neighbourhood of a Crack in an Elastic Solid ”, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol.187, No. 1009, pp. 229-260 (1946).

    [3] T. Mure, “Micromechanics of Defects in Solids” (Kluwer, Dordrecht, 1993)

    [4] A. N. Gent and C. Wang, “Fracture Mechanics and Cavitation in Rubber-like Solids”, Journal of Materials Science, Vol.26, pp.3392-3395 (1991).

    [5] Abaqus 6.8 Analysis User’s Manual

    [6] T. Diehl, “On Using a Penalty-based Cohesive-zone Finite Element Approach, Part I: Elastic Solution Benchmarks”, International Journal of Adhesion & Adhesives, pp.1-19 (2007)

    [7] J. F. Ganghoffer and A. N. Gent, “Adhesion of a Rigid Punch to a Thin Elastic Layer”, Journal of Adhesion, Vol.48, pp.75-84 (1995)

    [8] R. E. Webber and K. R. Shull, “Effects of Geometric Confinement on the Adhesive Debonding of Soft Elastic Solids”, Physical Review, Vol.68, pp.021805-1-021805-11 (2003)

    下載圖示 校內：2011-08-24公開
    校外：2011-08-24公開
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