本實驗主要是針對橡膠材料的非線性之特性進行一連串的實 驗，其中包括了壓縮實驗、拉伸實驗，以及剪切實驗，求取所有橡膠 材料的資料，每個試片進行實驗時都得控制其環境相同，減少其中的 不明變化因子，以求其精確性。橡膠支承由於其橡膠材料不同、形狀 尺寸不同，其力學行為亦有相當大的差異，往往須藉由不斷的試驗才 能當握其特性，相當耗時且不經濟，若能建立一套理論模式藉由橡膠 材料行為來預測橡膠支承的力學行為，則可大幅減少橡膠支承的試驗 過程，增加分析設計的效率。
在汽車工業界中，橡膠防振材料的要求是取決於靜彈性係數，
Ks，以及動彈性係數，Kd，然而靜態與動態中間還存在一個關係，那 就是動倍率，動倍率則是數值越小越好，因為可減少靜態與動態之間 的差異性。至於靜態係數、動態係數和動倍率為何，則是取決於車廠 的要求標準不同。
3-1 實驗分析儀器設備
(一) 試片材料
本實驗所有橡膠材料皆由竹昌橡膠公司所提供，其中包括的橡膠 材料種類有七種之多，S504、S580、S600、S650、S681、S720、S780，
也是平時防震器的原料項目。壓縮試片、拉伸試片、剪切試片分別如 圖 3-1、圖 3-2、圖 3-3。
(二) 試片模具
壓縮試片模具、拉伸試片模具、剪切試片模具，提供實驗試片製 作時確保實驗試片能夠統一其規格，平均製作時間約為五~十分鐘，
並且能夠大量而快速地製作，提高其製程效率。壓縮、拉伸、剪切試 片之模具分別如圖 3-4、圖 3-5、圖 3-6、圖 3-7。
(三) 試片夾具
其主要的目的是將實驗試片固定於試驗機上，以方便測試時作 用。壓縮、拉伸、剪切試片之夾具如圖 3-8、圖 3-9、圖 3-10。
(四) 恆溫加熱器
本實驗所使用的恆溫加熱器是由駿諺精機股份公司所製造，此恆 溫加熱器有提供製作壓縮試片、拉伸試片時加硫製程所需，製作過程 通常需維持其溫度在攝氏 150 度，加硫時間則是控制在 3~5 分鐘左
右，其中也因材料的不同，會有些許的改變。如圖 3-11。
(五) 游標卡尺
游標卡尺，日本 Mitutuyo 公司製，試片完成後，量取試片完成 後的每一個尺寸是否合乎標準，以確保材料性質經實驗過後的一致 性。如圖 3-12。
(六) 射出成型機
富源有限公司所生產之射出成型機其主要的工作重點是製作所 有防震橡膠完成品，將生膠加熱成濃稠狀擠入模具中，經過一定溫 度、時間加硫，完成所需之產品。此外由於剪切試片無法由恆溫加熱 器製程，因此得透過射出成型機製作其試片。如圖 3-13。
(七) 萬能試驗機
萬能試驗機是由 M＆E 公司所製造的，其主要功能為測試所有橡 膠材料、防震器等的特性，其中包括橡膠材料的壓縮、拉伸、剪切性 質，以及進行靜態與動態實驗測試，檢驗其性質是否能夠合乎車廠的 要求標準。如圖 3-14。
(八) 電腦配備
桌 上 型 專 業 個 人 電 腦 ， 其 主 要 搭 配 CPU P4-1.8G 、 記 憶 體 -1O24MB、3D 顯示卡等配備，並且搭配有限元素分析軟體 ABAQUS 進 行一系列的模擬分析。
(九) 有限元素分析軟體
ABAQUS/STANDARD V6.3，此分析軟體對橡膠材料之動態分析相 當精確，因此透過此有限元素軟體分析橡膠防震器在靜態、動態 時，靜態係數、動態係數，以及動倍率是否能夠和實際測試的結果 相配和。此分析步驟可減少許多不必要的錯誤發生，如開模具時的 錯誤、材料的選擇錯誤等。
3-2 實驗步驟
3-2-1 防振橡膠之選取
此次實驗所選用的防震橡膠是依據車廠所給予的要求標準而訂 定，由於應用的地方、需求以及功能性的不同，所以選用的橡膠材料 有高硬度的、軟硬度的，或是適中硬度的，作為一開始選擇之標準。
由於橡膠材料的種類各式各樣，因此選取竹昌橡膠公司較常使用的七
種橡膠材料，因此選擇了 S504、S580、S600、S650、S681、S720、
S780 七種橡膠材料作為本次實驗的材料特性之實驗測試與觀察。
3-2-2 標準試片的製作流程
由於竹昌橡膠公司所做的防振器大多是提供日系汽車所使用，因 此橡膠試片的製作是根據日本國家標準局 JIS 中尺寸的要求，如圖以 及整個製程環境的設定，同時也參考美國國家標準局 ASTM，當然也 需要一些經驗來為不同材料將其製程作稍許改變，其中包括了壓縮、
拉伸、剪切試片標準。製程包括製模、生膠的選取、設定射出成型機、
加硫、脫模、冷卻等六大部分。其製程敘述如下：
(一) 製模：使用超耐高溫之金屬材料，製作所需的壓縮、拉伸、剪 切試片模具。
(二) 生膠的選取：選取竹昌橡膠公司較常使用的七種橡膠材料，同 時能夠擁有硬度包括硬、適中和軟的材料範圍，進行材料特性 實驗測試。
(三) 設定射出成型機：設定各種材料的溫度，及加硫時間，因其配
方的不同，依舊能使材料變成最為穩定。
(四) 加硫：使得生膠加熱、硫化，轉變成穩定的狀態。
(五) 脫模：在注入生膠前，需在模具上噴灑脫模劑，方便橡膠材試 片完成後容易脫離模具。
(六) 冷卻：將過熱的完成品之試片放置於冷卻板上，以便提供測 試。
3-2-3 材料特性之實驗步驟
由於橡膠材料的特性是非線性的，並無法以線性的 E 值之觀點來 看待，因此必須得知道每一個瞬間時候的應變值、應力值，所以在測 試時得計錄每一個時段的數值。
首先以夾具將所需要的橡膠試片夾持並裝配於試驗機上去，調整 其試片於原點位置，確認並無任何些微的應變，確保材料特性的真實 性，若試驗為壓縮、拉伸試驗，就得將上、下夾頭之施力軸向保持於 同一直線上，以免有任何的扭轉效應。另外剪切試驗的方面，需控制
將所有設定數值歸零，以 5mm/min 為速度進行壓縮試驗、拉伸試 驗、剪切試驗，其壓縮、剪切方面的最大變化量設定為 30﹪，拉伸 方面則是最大變化量設定為 500﹪，在試驗進行中紀錄所有的應變 值、應力值。每一種材料之每一種實驗測試需作六個試片，由於橡膠 材料的每一個曲線會些微不同，因此利用統計分析軟體 SPSS 求取一 條能代表六個試片的曲線，由實驗結果之曲線發現橡膠材料在壓縮、
拉伸、剪切時，分別會有特定的趨勢現象。質地柔軟的橡膠其曲線較 為線性，相反之，質地硬的橡膠其曲線就較為非線性。
3-3 模擬分析步驟
近年來由於計算機的迅速發展，帶動計算結構力學(尤其是有
限元素法以及邊界元素法)的蓬勃成長，加上適用於橡膠材料結構
之超彈性力學(Hyper-elasticity)理論也已發展完備，因此
進行電 腦輔助設計工程 CAE，這也是現今所有產業的一個趨勢，同時提供從
事橡膠減振器設計之機械與結構工程師一個相當好的分析與設計
工具，讓工程師能夠在產品開發出來就以電腦模擬的方法，在相當
的程度上掌握將來所開發出來的橡膠產品的力學行為。
所以竹昌橡 膠公司近年來也透過有限元素分析軟體 ABAQUS 等將所有防振器進行CAE，同時將此部分也視為一大重點，因此此實驗也是將建立一套 CAE 的流程，以及透過 ABAQUS 將所有橡膠材料特性建立成資料庫，以便 日後進行 CAE 時直接抓取各種材料特性。
橡膠材料結構的非線性主要來源有二：其一是應力與應變間材料 組成律(constitutive law)的非線性、其二是由於橡膠結構的實際使 用大部分要承受大變形以及大應變的幾何非線性歷程。以天然或合成 橡膠所構成之減振或一般性結構，在其使期間，大都歷經以下兩種特 殊的情況：（1）橡膠結構實際使用之負荷可能導致可回復且相當大 的變形量以及大應變，其數量級可能是金屬結構應變的數十倍甚至數 百倍。（2）橡膠結構幾乎是不可壓縮的，亦即其柏松比(Poisson＇s ratio)接近0.5。
3-3-1 幾何模型建立
以 ABAQUS 之 CAD 功能建立車廠所給予的設計圖，本實驗則是 建立兩個制振元件的模型，分別為代號 MB275627 及 CW749200 之零件 模型如圖 3-14，而實體如圖 3-15。
3-3-2 橡膠材料設定
以往在橡膠材料的設定是假設為線性的彈性體，只單純以 E 值代 表，在橡膠材料的硬度值較低時，其壓縮之應力、應變值相似於線性，
所以可以以 E 值代表，但是在硬度較高的橡膠材料，就無法精準地模 擬橡膠的行為，更何況還有拉伸、剪切之應力、應變值的曲線也都不 是線性。也由於橡膠材料的第一個特性，因此在材料設定功能中，設 定材料為超彈體，將實驗所得到的曲線數值輸入，其中包括單軸壓 縮、拉伸方向以及平面剪切方向，同時設定各種適合的 strain energy 模式，並且設定其材料的密度與阻尼係數，阻尼係數中包括 C、α、
β。如圖 3-16。
3-3-3 邊界條件設定
邊界條件可以分為靜態（Static）、動態（Dynamic）兩個部分來 探討，同樣都得依據車廠的要求標準去做設定，一般來說，對於鋼板 而言則是，若是固定面的話，就將橡膠與鋼板之接觸面的六個自由度 給鎖住不動，另外，若是受力面的話，則是看所需要的單一自由度作 變化，其他則是鎖住。對於沒有建立鋼板的部分，而只是利用邊界條
件設定，其結果是一樣的。至於靜態方面的要求是受力部分在壓縮或 位移 2mm-5mm 時，將所反應出來的反作用力，去求取靜態係數 Ks；
另外動態部分則是求取在一固定頻率、固定振幅時，會反應出的響 應，或是先預壓、角縮一定的量，再給予一固定頻率、固定振幅，然 後去計算動態係數 Kd，同時如果有要求一定的動倍率時，必須作一 個確認的動作。如圖 3-19。
3-3-4 有限元素網格模型的建立
本研究採用元素的種類選擇"3D stress"，由於橡膠在外力作用 下，會產生極大的變形，因此須要較多的節點才能描述其形狀的變化 情形，以及其材料第二項特性，因此在有限元素法的元素選用上應選 用可以處理不可壓縮材料特性之降階積分(reduced integration)或 混合(Hybrid)元素，否則將會無法的到理想的數值，對於網格數的多 少如圖3-20。在動態部分其網格設定一切合靜態的設定一樣。故本研 究於橡膠及鋼板的模擬採用Hex為C3D8H、Wedge為C3D6、Tet為C3D4 之元素，但將模型分割成比較適當的網格以期獲得較高的精準度。如 圖3-18。
3-3-5 分析設定
不論是靜態、動態部分建立的 step 都必須是線性的，首先是建 立靜態的 step，使用的選項為"static,general"，其功能內的選項 都是預設值，因此不需作任何改變；動態的 step 則是看是否有先預 壓、絞縮，若是沒有的話，則是使用"steady state dynamic,direct"，
若 是 有 的 話 ， 就 得 建 立 兩 個 step ， 也 就 是 第 一 個 step 為
"static,general"，第二個則是"steady state dynamic,direct"，
至於"steady state dynamic,direct"功能選項中，首先得知道共振 頻率為何，再進一步去設定振動的頻率範圍。如圖 3-17。