是以線條來組成，如果是立體的模型則是選擇Link>spar 8，spar 8 是
1.受力於初始的兩點上，各點受力為 1.75 公噸(17.16225KN)，則受力
2.受力於四點上，各點受力為 0.875 公噸(8.581125KN)，則受力最大
點，已確保量取的準確度。其中1，3 點受到的是拉力，第 2 點受到 的時壓力。在受到拉力時，同樣的應變時，實驗上所受到的力比理論 值還小很多。三次的結果如圖5-7，5-8，5-9 所示。原始數據在 5-7 會造成太大的跳動，所以整理後變成直線。圖 5-7 是量測順序中第一 個所量取的。圖5-8、5-9 分別是第 2 次與第三次實驗的桿件。圖中 的線代表了實驗時不同的點所量到的應變，以及分析時不同的假設。
從圖5-7、5-8 來看，第 2 種假設與實驗結果較為吻合，而圖 5-9 因為 中間點邊界條件與實驗有些許差距(實驗時中間點會往下偏移 1 公 分)，所以分析的結果與實驗有差異。不過實驗值介於分析之間，表 示此桿件的強度在預測之內。
實驗的結果與分析互相符合，這代表了在實驗時桁架的邊界是不 會移動的。這也表示在 5-2 節中以模擬車重來分析的結果是沒有問題 的。
第六章 複合材料球接頭的製作
在其纖維方向的地方能承受最大的力，無法承受剪力。所以必須使用
法。所以會作比較詳細的介紹。
只有碳纖維被拉斷。會有這樣的差別是在金屬和中空管之間的凹槽有
金屬的材料彈性模數模數比複合材料強，不過重量上比複合材料
圖6-23、6-24 所示。
( 5 ) 將中心點中的碳纖維打結，使之結合在一起，如圖 6-25 所示。
( 6 ) 填充玻纖布至一定的高度，在 2 根會受壓的接頭中（60，120 度），可用碳纖維包附在金屬管的周圍，再用玻纖布填充，
可增加抗壓能力如圖6-26 所示。
( 7 ) 成型後在纏繞碳纖維在球邊緣，要注意纖維線要繞在金屬管 接頭斜角的地方，以增加抗拉強度如圖6-27 所示。
上述所提到的幾個步驟是將球接頭角度變多後要注意的地方，其 他沒有提到的部份都跟之前製作的球接頭做法一樣。
第七章 球接頭實驗與有限單元分析
9. 將記錄資料取出，並稍作檢查。 的PLANE82。PLANE82 是以平面來模擬 3D 實體，模擬的方法是對 Y 軸軸對稱，從平面環繞出 3D 模型。使用 SOLID 元素不需要給定實 負值-31830988.62(Pa)，使得變為拉力，在邊界條件方面，Y 軸軸對 稱，Y 軸的水平位移為零，X 軸上下對稱，所以垂直位移為零。如圖 7-6 所示將平面展開後的圖如 7-7 所示。材料常數方面，碳纖維常數 和之前一樣，金屬部份是用低碳鋼的材料常數，彈性模數是207GPa，
最大強度是395 GPa。玻璃纖維的強度則是 50 GPa。
分析後的應力分部如圖 7-8 所示，可以看出最大的應力是在碳纖 維上。為350MPa，接著再把其他的部份分別取出來看，如圖 7-9、
7-10 所示。金屬管接頭的最大應力是 104MPa，而玻纖布只有
從實驗與分析的結果來看，當碳纖維直徑是 8 ㎜時，與分析的差 異只有12.53％，而當直徑放大到 10 ㎜時，差異增加到了 20.77％如 表7-4 所示，而造成這結果的原因，可以從以下數點來看。
1. 碳纖維的量比實際的面積少，在製作中，纖維的量如果太多，會 造成填充上的困難所以會比理論的少一點。
2. 並非每一根纖維都是以九十度排列，角度可能會照成誤差。
3. 纖維在成型時沒有受到相同的拉力，所以對強度有影響。
4. 纖維的量越多，製作也越困難，所造成的誤差也越大，所以提伸 的效果比分析的還要少。
第八章 結論與未來展望
以確保合模後無空隙，成型後再將多餘的部份用砂紙磨去即 可。
8-2 未來展望
在球的製作上，以及桁架的組裝過程中，還有許多可以改進的地 方，在未來至製作複合材料的桁架上，可以朝著這些目標改進：
( 1 ) 球接頭的金屬部份，形狀可以稍作改變，使得螺紋與桿件的 連接距離可以更長，才不會造成螺紋崩壞的情形。
( 2 ) 如果要製作複合材料桁架的建築機構時，可以球接頭尺寸放 大，使得可放入的碳纖維更多，並且在製作上會比較容易，
可提伸不少強度。
( 3 ) 減少金屬的使用，使得整體的重量能夠再降低。並且研究如 何減少人工的部份，考慮製程的改進。
( 4 ) 設計並製作出以複合材料為主的橋樑，並且以車輛通過來進 行實驗。
參考文獻
1. J. Berlamont , “Production Oriented Design of Filament Wound Composites,” pp. 33-59 , Apr. 1990.
2. S. T. Peters , W. D. Humphrey , R. F. Foral , “Filament Winding,”
Composite Structure Fabrication , 1991.
3. Y. M. Tranpol , A. I. Beil , “Problems of the Mechanics of Composite Winding-Fabrication of Composite,” Handbook of Composites , Vol.4 , pp. 45-108 , 1983.
4. A. M. Shibley , “Filament Winding,” Handbook of Composites , 1982.
10. S. Kurt Olofsson, P. Gudmundson, L. Anders Strombeck, “Process Simulation of Wet Filament Winging and Curing of Thick Walled Cylinders,” 37 , International SAMPLE Symposium, pp. 1132-1145 , 1992.
th
11. R.R. Rizzo and A.A. Vicario, “A Finite Element Analysis of Laminated Anisotropic Tubes,” J. Composite Materials, Vol.4, pp.
344-359 , 1970.
12. N.J. Pagano and J.M. Whiteny, “Geometric Design of Composite Cylindrical Characterization Specimens,” J. Composite Materials, Vol.4, pp. 360-379 , 1970.
13. H. Fukunaga, & T. W. Chou, “Simplified design techniques for laminated cylindrical presure vessels under stiffness and strength constraints,” Journal. Comp. Master. , Vol.9, pp. 1157-1169 , 1988.
14. H. Kranderkar, R. Srivinvasan, F. Mistree, & W. J .Fuchs, Compromise:”An effective approach for the design of pressure vessels using composite materials,” Computer & Structure, Vol. 33, No. 6, pp. 1465-1477 , 1989.
15. S. Aladi., Summers E. B. & V. E. Verijenko.,”Optimization of laminated cylinderical pressure vessels under strength criterion,”
Composite Structures, Vol. 25, pp. 305-312 , 1993.
16. R. F. Gibson , “Principles of Composite Material Mechanics,”
McGraw Hill Inc. , pp. 190-215 , 1994.
表 4-1 Real Constants 設定
Real Constants 設定
分段區域 3A 2A 1a 2B 3B
Material Constant Value(GPa)
E1 117.444
表 4-3 纏繞纖維之材料強度
Material Constant Value(MPa)
XT 1200.52
Material Constant Value(GPa)
E1 147.7
Material Constant Value(MPa)
XT 1882
表 4-7 不同的角度比較結果
Material Constant Value(MPa)
XT 1882
表 6-2 球接頭金屬與複材比較
球的材料 全是金屬 以複材為主
重量 1.65 ㎏ 0.5 ㎏
抗拉強度 74.2KN 47.2KN
螺紋距離 8.95 ㎜ 5.68 ㎜
抗拉強度與螺紋距離比 8.29 8.31
表 7-1 球接頭不同情形的實驗結果
球的製作方法 實驗種類 實驗結果 備註
外圍用纏繞絲中間發泡 受壓 無法承受壓力
在受壓的位置擺上纖維 拉與壓 無法受拉 接頭會被拉出 使用壁虎釘方式 拉力 承受 16KN 拉力
在接頭上增加凹巢 拉力 承受 25KN 拉力
使用纏繞絲支撐中間 拉力 承受 30KN 拉力 纏繞絲直徑 8mm 使用纏繞絲支撐中間 拉力 承受 37KN 拉力 纏繞絲直徑 10mm 使用纏繞絲支撐中間 壓力 承受 37.5KN 壓力 纏繞絲直徑 10mm
表 7-2 8 ㎜碳纖維分析結果
碳纖維 金屬接頭
最大應力(Pa) 3.50E+08 1.04E+08 最大強度(Pa) 1.20E+09 3.95E+08
比值 3.43E+00 3.80E+00
表 7-3 10 ㎜碳纖維分析結果
碳纖維 金屬接頭
最大應力(Pa) 2.56E+08 7.64E+07 最大強度(Pa) 1.20E+09 3.95E+08
比值 4.69E+00 5.17E+00
表 7-4 球接頭實驗與分析比較
纖維束直徑 實驗(KN) 分析(KN) 誤差
8mm 30 34.3 12.53％
10mm 37 46.7 20.77％
纖維紗束 固定軸
張力控制 機構
樹脂槽 出眼口
機構
心軸 橫向移動軸 心軸旋轉軸
圖 2-1 基本的纏繞機示意圖
纖維 樹脂 硬化劑 心軸準備
張力控制
含浸
纏繞
過程處理(debulking)
樹脂硬化
表面處理
成品 脫模
脫模準備 溫度過程
圖 2-2 纖維纏繞法之流程圖
圖 2-3 纏繞機
圖 2-4 張力機構
圖 2-5 纏繞機之樹脂槽
圖 2-6 纏繞機之四軸關係圖
圖 2-7 心軸成形用烤箱之外觀 圖 2-8 心軸成形用烤箱之內部構造
900
0
0圖 2-10 木質圓棒、真空袋、離形布、脫模臘
圖 2-11 離形布上塗抹一層脫模蠟
圖 2-12 依序貼預浸布
圖 2-13 將氣袋放入預浸材圓管柱內
圖 2-14 心軸接頭
圖 2-15 預浸材圓管置於模具中
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 20 40 60 80 100 120 140 時間(min)
壓力(psi)
圖 2-17 合模後送入烤箱加熱
圖 2-18 設定加熱溫度及時間
剪裁碳纖預浸布 內模製作
預 浸 布 疊 層
外模塗抹 脫模蠟
脫 下 內 模
置 於 外 模 具 內 合 模
塞 入 氣 袋 打 氣
加 熱 硬 化
成 品
圖 2-19 圓桿心軸製作流程圖
圖 2-21 螺旋形繞線基本模型
圖 2-22 基本螺旋形繞線花式
圖 2-23 準備妥開始上線纏繞
圖 2-24 纏繞程序完成
圖 2-25 第一層離形布抹脫模蠟
圖 2-27 第三層小棉布
圖 2-28 第四層厚棉布
圖 2-29 送入旋轉烤箱
圖 2-30 將包覆材拆下
圖 2-31 包覆材拆卸完成
圖 2-32 纏繞圓稈成品
M20 螺紋孔
圖 3-1 金屬球接頭模型圖
圖 3-2 球接頭尺寸設計圖
圖 3-3 複合材料桁架成品
圖 3-4 改良後的桿件端接頭
0 度 90 度
固定不動 只給予水平位移
圖 4-1 桿件之邊界條件
力與應變圖
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 strain
force
圖 4-2 纏繞三十度的拉力破壞圖
0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 20000
40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000
force(N)
strain
圖 4-3 纏繞三十度的壓力破壞圖
圖 4-4 模擬拉力時最終破壞位置
圖 4-5 模擬壓力時最終破壞位置
圖 5-1 桁架之模型
圖 5-2 桁架受力位置
圖 5-3 桁架受力位置
圖 5-5 量測桿件順序圖
圖 5-6 力與位移分佈圖
圖 5-7 力與應變分佈圖(桿 1)
圖 5-8 力與應變分佈圖(桿 2)
圖 5-9 力與應變分佈圖(桿 3)
圖 6-1 圓錐頭之尺寸圖
圖 6-2 球接頭模具
圖 6-3 球的試作品
圖 6-4 球的試作品
圖 6-5 使用壁虎釘破壞之情形
圖 6-6 金屬管接頭的改良設計
圖 6-7 新的金屬管接頭之製作成品
圖 6-8 新的金屬管接頭
圖 6-9 中空之金屬管
圖 6-10 模具的處理
圖 6-12 碳纖維束
圖 6-13 將管接頭裝置在模具圖
圖 6-14 球形接頭製作圖
圖 6-15 接頭拉壞圖
圖 6-16 球體拉壞圖
圖 6-17 新型金屬管接頭
圖 6-18 球內部示意圖
圖 6-20 全金屬球接頭
圖 6-21 球接頭成品
圖 6-22 將管接頭鎖在模具上
圖 6-23 填充玻纖布到下模表面
圖 6-24 將剩餘的金屬管接頭鎖在模具上
圖 6-25 將中心點中的碳纖維打結
玻纖布
圖 6-26 將玻纖布填充 碳纖維
圖 6-27 纏繞碳纖維在球邊緣
圖 7-1 拉伸試驗的夾具與試體
圖 7-2 壓縮試驗的試體
圖 7-3 試體架設在拉伸試驗機上
25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00 60.00 65.00
0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 element number
強度
圖 7-5 元素分割數量的收斂情形
圖 7-6 邊界條件圖
圖 7-7 模型展開圖
圖 7-8 應力分佈圖(纖維束直徑 8 ㎜)
圖 7-9 管接頭應力分佈
圖 7-10 玻纖布應力分佈
圖 7-11 應力分佈圖(纖維束直徑 10 ㎜)
圖 7-12 應力分佈圖(碳纖維改圓弧)
圖 7-13 新的模型
圖 7-14 應力分佈圖