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研究生： 詹雅婷
Chan, Ya-Ting
論文名稱： 有限元素分析局部尖銳凹槽圓管在循環彎曲負載下之黏塑性行為
Finite Element Analysis on the Viscoplastic Response of Local Sharp-Notched Circular Tubes under Cyclic Bending
指導教授： 潘文峰
Pan, Wen-Fung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 84
中文關鍵詞： 有限元素分析 、局部尖銳凹槽 、循環彎曲負載
外文關鍵詞： Finite element analysis, local sharp-notched, cyclic bending
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    • 本研究是以有限元素分析軟體 ANSYS Workbench 14.0 分析在不同曲度率下SUS304 不鏽鋼局部尖銳凹槽圓管受到對稱曲度循環彎曲負載下之黏塑性行為。其中所考慮的曲度率包含0.0035、0.035和0.35 m-1s-1，而局部尖銳凹槽深度有 0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 mm，局部尖銳凹槽之方向有0、30、60和90度。至於循環彎曲的曲度則控制在+0.3至-0.3 m-1之間。分析的行為包含彎矩-曲度及橢圓化-曲度之關係。由ANSYS分析結果顯示，在同一曲度率下，凹槽的深度和不同方向之凹槽對彎矩-曲度的關係幾乎沒有影響。當加載曲度率較快時，則彎矩-曲度之迴圈較大，反之，彎矩-曲度圖之迴圈則較小。在同一曲度率下，隨著凹槽深度的增加橢圓化-曲度之關係不對稱的情況會越來越明顯，並且橢圓化增加的越快。而當凹槽深度固定為1.0 mm時，隨著角度的增加，橢圓化-曲度關係會從不對稱趨於對稱的趨勢。而當曲度率較快時，則橢圓化-曲度關係成長的速度較快，反之，橢圓化成長之速度則較慢。此外，本研究的ANSYS分析也與實驗結果進行比較，結果顯示模擬數值雖與實驗有些許差異，但兩者的趨勢卻非常相似。

    In this study, finite element software ANSYS Workbench 14.0 is used to analyze the viscoplastic behavior of local sharp-notched SUS304 stainless steel tubes under curvature-controlled symmetrical cyclic bending with different curvature-rates. Wherein the different curvature-rate were 0.0035, 0.035 and 0.35 m-1s-1, respectively, and the sharp depth were 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 mm, respectively, and the direction were 0, 30, 60 and 90 degrees, respectively. The curvature of the cyclic bending is controlled between +0.3 to -0.3 m-1. It is observed that the higher the applied curvature-rate, the greater is the degree of hardening of SUS304 tubes. The ovalization of tube cross-section increases when the applied curvature-rate increase. In addition, the ANSYS analysis is compared with the experimental data. Although some differences between the experimental and simulated results, but the trends are very similar between the two.

    目錄 摘要 I 目錄 VIII 表目錄 X 圖目錄 XI 符號說明 XIX 第一章 緒論 1 1-1 研究背景及動機 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 論文內容 8 第二章 理論基礎 10 2-1 塑性理論基礎【20】 10 2-2 有限元素分析法 16 2-3 ANSYS有限元素分析軟體簡介【22】【23】 19 2-3-1 前處理(pre-processing) 19 2-3-2 有限元素分析(finite element analysis) 22 2-3-3 後處理(post-processing) 23 2-4 ANSYS Workbench操作介面介紹【24】 25 第三章 ANSYS Workbench分析 30 3-1 材料參數設定 30 3-2 有限元素模型之建立 31 3-2-1 幾何模型 32 3-2-2 網格分割 34 3-3 邊界條件與負載設定 37 3-3-1 邊界條件設定 37 3-3-2 負載設定 38 3-4 求解過程 42 第四章 ANSYS分析結果 44 4-1 實驗介紹 44 4-2 彎矩與曲度關係 46 4-2-1 實驗結果 46 4-2-2 ANSYS分析結果 48 4-3 橢圓化與曲度關係 51 4-3-1 實驗結果 51 4-3-2 ANSYS分析結果 64 第五章 結論 77 參 考 文 獻 79 表目錄 表 3-1 SUS304不鏽鋼化學成分表 30 表 3-2 SUS304不鏽鋼圓管之機械性質 31 表 3-3 SUS304不鏽鋼圓管尺寸 32 表 3-4 局部尖銳凹槽深度表 32 表 3-5 局部尖銳凹槽方向表 33 圖目錄 圖 2-1 應力應變圖 11 圖 2-2 等向硬化和運動硬化示意圖 12 圖 2-3 雙線性運動硬化示意圖 13 圖 2-4 多線性運動硬化示意圖 15 圖 2-5 多線性運動硬化表示方式 16 圖2-6 CAE 電腦分析軟體處理流程圖 24 圖 2-7 ANSYS Workbench操作介面 26 圖 2-8 ANSYS Workbench材料設定介面 26 圖 2-9 ANSYS Workbench繪圖介面 27 圖 2-10 ANSYS Workbench 網格設定介面及網格分割圖 27 圖 2-11 ANSYS Workbench網格分割圖 28 圖 2-12 ANSYS Workbench 邊界條件設定 28 圖 2-13 ANSYS Workbench分析結果 29 圖 3-1 實驗及ANSYS分析SUS304不鏽鋼在不同曲度率之 31 應力-應變圖 31 圖 3-2 圓管模型示意圖 33 圖 3-3 局部尖銳凹槽深度之示意圖 33 圖 3-4不同方向局部尖銳凹槽之示意圖 34 圖 3-5 Mesh設定 36 圖 3-6 圓管有限元素網格化模型圖 36 圖 3-7 SOLID 185元素示意圖 37 圖 3-9 圓管運動示意圖 40 圖 3-10 角度計算圖 40 圖 3-11 圓管負載示意圖 41 圖 3-12 曲度控制循環負載之角度分布圖 41 圖 3-13 橢圓化示意圖 43 圖4-1彎管實驗機之示意圖 45 圖 4-2 實驗分析曲度率為0.0035 m-1s-1時凹槽方向0度，凹槽深度0.2 mm之彎矩(M)-曲度()關係圖【26】 47 圖 4-3 實驗分析曲度率為0.035 m-1s-1時凹槽方向0度，凹槽深度0.2 mm之彎矩(M)-曲度()關係圖【26】 47 圖 4-4 實驗分析曲度率為0.35 m-1s-1時凹槽方向0度，凹槽深度0.2 mm之彎矩(M)-曲度()關係圖【26】 48 圖 4-5 ANSYS分析曲度率為0.0035m-1s-1之彎矩(M)-曲度()關係圖 49 圖 4-6 ANSYS分析曲度率為0.035m-1s-1之彎矩(M)-曲度()關係圖 50 圖 4-7 ANSYS分析曲度率為0.35m-1s-1之彎矩(M)-曲度()關係圖 50 圖 4-8 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.2 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 52 圖 4-9 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.2 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 52 圖 4-10 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.2 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 53 圖 4-11 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.4 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 53 圖 4-12 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.4 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 54 圖 4-13 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.4 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 54 圖 4-14 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.6 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 55 圖 4-15 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.6 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 55 圖 4-16 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.6 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 56 圖 4-17 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.8 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 56 圖 4-18 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.8 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 57 圖 4-19 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為0.8 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 57 圖 4-20 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為1.0 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 58 圖 4-21 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為1.0 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 58 圖 4-22 實驗凹槽方向0度，凹槽深度為1.0 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【26】 59 圖 4-23 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向30度，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 59 圖 4-24 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向30度，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 60 圖 4-25 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向30度，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 60 圖 4-26 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向60度，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 61 圖 4-27 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向60度，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 61 圖 4-28 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向60度，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 62 圖 4-29 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向90度，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 62 圖 4-30 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向90度，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 63 圖 4-31 實驗凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向90度，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖【27】 63 圖 4-32 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.2 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 65 圖 4-33 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.2 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 65 圖 4-34 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.2 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 66 圖 4-35 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.4 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 66 圖 4-36 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.4 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 67 圖 4-37 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.4 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 67 圖 4-38 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.6 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 68 圖 4-39 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.6 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 68 圖 4-40 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.6 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 69 圖 4-41 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.8 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 69 圖 4-42 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.8 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 70 圖 4-43 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為0.8 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 70 圖 4-44 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為1.0 mm，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 71 圖 4-45 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為1.0 mm，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 71 圖 4-46 ANSYS分析凹槽方向0度，凹槽深度為1.0 mm，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 72 圖 4-47 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向30度，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 72 圖 4-48 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向30度，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 73 圖 4-49 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向30度，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 73 圖 4-50 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向60度，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 74 圖 4-51 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向60度，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 74 圖 4-52 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向60度，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 75 圖 4-53 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向90度，曲度率為0.0035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 75 圖 4-54 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向90度，曲度率為0.035m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 76 圖 4-55 ANSYS分析凹槽深度為1.0 mm，凹槽方向90度，曲度率為0.35m-1s-1之橢圓化(D/D)-曲度()關係圖 76

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    14. 蘇文彥，「有限元素ABAQUS分析圓管在循環彎曲負載下之力學行為」，國立成功大學工程科學研究所碩士論文，2006
    15. 解智翔，「有限元素ANSYS分析尖銳凹槽薄壁管在循環彎曲負載下之力學行為」，國立成功大學工程科學研究所碩士論文，2008
    16. 林煒凱，「有限元素ANSYS分析橢圓形凹槽薄壁管在循環彎曲負載下之力學行為」，國立成功大學工程科學研究所碩士論文，2008
    17. 趙國鈞，「有限元素ANSYS分析圓管在有外壓或無外壓循環彎曲負載下之力學行為」，國立成功大學工程科學研究所碩士論文，2009
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    19. 洪揚銘，「有限元素分析局部尖銳凹槽圓管在循環彎曲負載下之行為」，國立成功大學工程科學研究所碩士論文，2013
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    下載圖示 校內：2016-09-05公開
    校外：2016-09-05公開
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