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研究生: 高偉哲
KAO, WEI-CHE
論文名稱: 類蜂巢結構3D列印單元接頭之改良與數值分析
Numerical Analysis and Improvement on Joint of Honeycomb-like Structures Composed of 3D Printing Units
指導教授: 黃忠信
Huang, Jong-Hsin
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: 2025
畢業學年度: 113
語文別: 中文
論文頁數: 101
中文關鍵詞: 3D列印最小重複單元微結構幾何形狀類蜂巢結構降伏強度
外文關鍵詞: 3D Printing, Repeating Unit, Microstructural Geometries, Honeycomb-like Structure, Yield Strength
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  • 類蜂巢結構具有輕量化、良好隔熱隔音及高勁度強度等優點,使其於營建工程、航空工程與材料科學等領域中深具應用。根據蜂巢材料力學理論模型,類蜂巢結構於理想無限域受一均勻壓應力作用時,藉由力平衡,分析蜂巢材料中微觀桿件之力學行為,進而推導得知最大彎矩作用於微觀桿件兩端點,彎矩反曲點則位於此微觀桿件中心處。由於類蜂巢三維結構具有微結構幾何重複對稱性,故若能將此類蜂巢結構中彎矩為零的位置作為切割點,然後選用3D列印方式製作類蜂巢三維結構最小重複單元,藉由適當設計接頭方式連接各最小重複單元,如此不斷重複接頭連接即可建立類蜂巢三維結構。由蜂巢材料力學分析結果可知,最小重複單元的微觀結構與幾何形狀將影響類蜂巢三維結構的力學性質,因此本研究將使用數值分析軟體ABAQUS,針對不同微結構幾何形狀與相對密度最小重複單元組構成之類蜂巢三維結構,當此類蜂巢三維結構承受一均勻壓應力作用時,數值分析其力學行為與理想無限域蜂巢材料之差異性,以及對類蜂巢三維結構降伏強度之影響與關係式為何。另外,雖可選用公母接頭連接最小重複單元,以建立類蜂巢三維結構,但由於接頭處發生應力集中效應,導致在接頭處易發生斷裂的現象,因此,本研究選用不同接頭方式,進一步數值分析其接頭處之應力分佈情形,針對新接頭方式之數值分析結果,建立此種接頭與最小重複單元微結構幾何形狀之關係式。最後,利用微結構幾何形狀與類蜂巢三維結構降伏強度以及接頭受力行為之關係,理論預估其他已知相對密度及微結構幾何形狀的類蜂巢三維結構之降伏強度,以及最小重複單元接頭處之應力分佈。

    Honeycomb-like structures are widely used in construction, aerospace, and materials engineering due to their lightweight, excellent insulation, and high strength. According to honeycomb material theory, when subjected to uniform compressive stress in an infinite domain, the maximum bending moment occurs at both ends of microscopic members, with the inflection point at the center. Based on the structure’s geometric symmetry, cutting at points of zero moment allows fabrication of the minimum repeating unit via 3D printing. By connecting these units with proper joints, a full 3D honeycomb-like structure can be assembled. The microstructural configuration and geometry of the minimum repeating unit significantly affect the mechanical properties of honeycomb-like 3D structures. This study uses ABAQUS to simulate structures with varying unit geometries and relative densities under uniform compressive stress, comparing them with ideal infinite-domain models and identifying relationships between geometry and yield strength.To address stress concentration issues at traditional male-female joints, alternative joint designs are analyzed. The study examines stress distribution at the joints and establishes relationships between joint behavior and unit geometry. These findings are used to predict the yield strength and joint failure conditions of other honeycomb-like structures with known geometric parameters.

    摘要 I 目錄 XVIII 表目錄 XX 圖目錄 XXI 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 研究內容與組織 4 第二章 文獻回顧與整理 9 2.1 蜂巢材料相對密度 9 2.2 蜂巢材料微結構幾何形狀 10 2.3 理想無限域蜂巢材料於單軸應力作用下之線彈性變形 12 2.4 蜂巢材料變形機制 13 第三章 數值分析 24 3.1 數值分析模型建立及各項參數設定 24 3.1.1 材料定義及元素種類 24 3.1.2 最小重複單元及六邊形內嵌版建模 27 3.1.3 接觸面邊界之設定 28 3.1.4 模擬模型與邊界條件 29 3.1.5 模擬模型簡化 31 3.1.6 模擬模型簡化之驗證 32 3.2 微觀桿件承受之彎矩與理論值誤差比較 33 第四章 結果與討論 49 4.1 不同幾何形狀類蜂巢三維結構之降伏應力分析 49 4.1.1 數值分析結果 49 4.1.2 最佳微結構幾何形狀因數 51 4.1.3 接頭受力分析 51 4.2 結構降伏應力表示式 52 4.3 接頭降伏判斷 54 4.4 迴歸公式與接頭降伏判斷之驗證 56 第五章 結論與建議 73 5.1 結論 73 5.2 建議 74 參考文獻 76

    1.C.H Chuang and J. S. Huang,“Yield surfaces for hexagonal honeycombs with plateau borders under in-plane biaxial loads,”Acta Mechanical 159,157-172(2002)

    2.Cheng-Hsin Chuang, Jong-Shin Huang,“Elastic moduli and plastic collapse strength of hexagonal honeycombs with plateau borders,”International Journal of Mechanical Sciences 44 (2002) 1827-1844

    3.洪崇展,“微結構剖面對蜂巢材料多軸破裂行為之影響,”成功大學土木工程學系 碩士論文,2003

    4.林金源,“微構件變剖面對蜂巢與泡沫材料依時性質之影響,” 成大大學土木工程學系 博士論文,2004

    5.L. J. Gibson and M. F. Ashby,“Cellular Solid: Structure and properties,”2^nd edition,Cambridge university Press,1997.

    6.A. E. Simone and L. J. Gibson,“Effects of solid distribution on the stiffness and strength of metallic foams,”Acta Materialia Vol.46,No.6,2139-2450,1998.

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