（Ｉ）研究材料
材料來自國立臺灣大學溪頭實驗林之 25 年生杉木（Cunninghamia lanceolata）
之心材。試材裁切包含了未成熟材部位是為了使部分試材位置通過髓心，作為含 有缺點之樣本。拉伸試驗共有 49 份試樣，分別來自同一樹株的相鄰兩圓盤 A、
B。以髓心為原點，切取位置與髓心的距離自內至外分為 0~3 的位置編號（圖 14）， 各切取位置試材樣本數與基本材料特徵如表 1。本研究採用 CNS 456「木材抗拉 試驗法」製作橫向拉伸試體的尺寸製作，試材為骨棒形（圖 15）。試材全長 150mm，
寬度、厚度皆為 20mm，裁切弧線之曲率半徑 145mm、弦長 75mm。試驗前依據 CNS 451 測定密度，試驗後則以 CNS 452 標準量測含水率，取得試材基本性質。
圖 14 試材之圓盤切取位置 Fig. 14 Specimens cutting location on disk
表 1 試材來源與基本資料
0
1
2
3
切取位置編號
Table 1 Specimen source and basic data
圓盤編號 切取位置 髓心距離 秋材層數 樣本數
A 3 55mm 5 7
A 2 35mm 3 5
A 1 15mm 2~3 14
B 1 20mm 2 5
B 2 40mm 3~4 9
B 0 0mm 1 7
圖 15 試材樣本：（a）未處理（b）覆上隨機斑點之表面
Fig. 15 Specimen sample:（a）clear surface（b）random speckle pattern cover 量取應變的拍攝面是徑斷面，斷面朝向髓心者為內側面，反之為外側面。全 部樣本內側面與外側面的數量各半，而包含髓心的試材則必以最接近髓心位置為 拍攝面。為降低表面不平整造成光學影像方法的位移量測誤差，該面以砂紙磨至 光滑，刷除粉塵後以廣告顏料塗布白底於所有待量測範圍，試驗後應變分布與構 造的對照則參考側面的木材紋理為依據。底略乾便可用裝有墨汁的小噴瓶噴灑隨
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機分布且大小不一的微細墨點，此黑點白底將做為隨機斑點的辨識灰階標的。
（II）試驗設備
本 研究所進 行之 木材 拉伸 試驗採 用 萬用強 度試驗機（ Universal testing machine）（圖 16），為日本 Shimadzu UH-10A 加長型，最大荷重為 10 噸，荷重 比例在 200kgf 範圍下最小解析度可達 0.01kgf。本試驗採用位移速度 2mm/min，
拉伸至試材斷裂為止。初步試驗為探討 DIC 技術應用於木材之可行性，驗證塗 料與環境架設是否適用。同時將此批試驗試材的位移速度減低，做為後續主要試 驗之對照組，比較位移速度造成力學性質的改變。
圖 16 萬用強度試驗機與 CCD 攝影機之設置 Fig. 16 Setting of universal testing machine and CCD camera
單台感光耦合元件（Charge-Coupled Device, CCD）攝影機作為影像擷取設
備，將拍攝之光學訊號轉換成電子訊號型態，再透過 A / D 轉換器將類比電子訊 號轉換成離散的數位強度分布資料，提供電腦可儲存、分析的資料模式。本試驗 使用之機身型號 GRAS-20S4M，裝配鏡頭 M5018-MP2 之焦距 f = 50mm、焦比 F
= 1.8，拍攝影像之像素尺寸為 4.4μm、解析度為 200 萬畫素（1624 x1224）。拍 攝起始時間與強度試驗機施力啟動同步，每 0.5 秒拍一張影像。為營造穩定單一 光源的環境，試驗機及攝影機周圍架有遮光布阻擋外界，並於攝影機左右側架設 成對白熾燈泡，避免光源投射方向造成陰影干擾拍攝。
攝影機透過 Vic-snap 2009 軟體進行攝影操作及影像資料彙整。同時萬用強 度試驗機的力學訊號藉由 NI cDAQ-9174 資料擷取卡傳輸至電腦。後再由軟體 Vic-2D 進行各時間點之影像比對，計算單位像素的位移，藉此分析畫面內的全 域應變分布。擷取之影像中試材全長，在軟體中與實際物體的尺寸進行比例換算 的校正，將試材變形的位移單位從像素格轉換為長度單位 mm。所得全域應變透 過兩種分析方法量化應變集中的程度，進而研究其與強度之間關係。
（III）應變集中之量化分析 1. 應變面積累加曲線
本文將應變空間分布與時間的變化做為分析兩大主軸。為了瞭解各時間點應 變變異的程度，將畫面中各點應變依大小排序，繪製各拍攝瞬間的「應變面積累 加曲線」，觀察應變變異程度隨時間的變化。此法缺點是無法考慮空間的相對位 置關係，且呈現的是整體趨勢，而非各點的變化率。以下為分析原理與示意圖。
試驗中獲得自起始施力到瀕臨破壞的各拍攝瞬間應變分布圖，按應變自低至
高排列形成「應變面積累加曲線」。舉其中一試材為例，「應變面積累加曲線」隨
時間的變化如下以 B1-3 為例，擷取 4 秒、70 秒及 133 秒的拍攝瞬間繪製曲線（圖 17）。
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圖 17 應變-面積累加曲線隨時間變化
Fig. 17 Accumulation of strain area cumulative over time
將圖中曲線微分取得最小值為 A，代表分布面積最廣的應變區間中位數值，
將高於此點應變量的應變加總積分，得到高應變區域之應變量。然而，為了瞭解 該曲線的應變集中程度，高應變區的應變量尚不足以解釋。高應變區的曲線越凹 陷則表示單位面積比例的應變變化越急遽。量化凹陷度的方法，採用將 A-B 段 曲線積分面積與 A 點與 B 延伸圍成之矩形面積計算比值，觀察此值隨受力時間 到瀕臨破壞的變化（圖 18）。
應變與面積累加曲線取斜率最低與最高之間距為積分範圍，此意義為高於分 布面積最廣的應變量之區域累積應變總量。假設此高應變區的應變值均為最大應 變所計算的積分值，與實際累加的應變積分值作比值，可作為應力集中區域中過 渡到最大應變的變化程度之參考。
-0.002 0.018 0.038 0.058 0.078 0.098 0.118
0% 20% 40% 60% 80% 100%
應變（mm/mm)
應變區像素面積累加比例 time=4 sec
time=70 sec time=133 sec
圖 18 應變積分面積比計算示意圖（A：曲線微分最小值之點；B：應變最大值）
Fig. 18 Calculation for area ratio of strain integral （A: min value of curve differential, B: value of Max strain）
2. 基準應變定位曲線
為了觀察相對位置對整體力學性質的影響，另一種方法是選擇全域最大應變 的點向受力方向延伸垂直基準軸線，繪製軸線上各點的「基準應變定位曲線」，
分析各拍攝時間點的圖中斜率趨勢，可較貼近實際地展現相對位置上的應變集中。
應變的分布變異主要是以 y 方向走勢排列的，基準切線上的分布趨勢便足具高程 度的整體代表性。
「基準應變定位曲線」是將最大應變發生點沿受力方向延伸基準線，採線上 各點描繪應變縱向起伏．同時能以虛線標記試材斷裂位置（圖 19、圖 20）。
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圖 19 基準應變定位曲線與破壞位置 Fig. 19 Datum Strain location curve with break zone
圖 20 基準應變定位曲線繪製參照圖
Fig. 20 Mapping reference of Datum Strain location curve
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
應變（mm/mm)
位置（mm)
破壞位置