2-1 簡介
纏繞式桁架製作過程主要分為圓桿、球形接頭製作過程及組裝。
其中所使用之圓桿主要包含三個部分，先將其中的心軸和兩側接 頭組合，接著使用碳纖維紗束纏繞包覆於兩側接點與心軸上，最 後再加以高溫塵化即完成。以下將詳加敘述此圓桿之製造方法與 所經歷的流程。
2-2 纖維纏繞法之介紹
纖維纏繞法為複合材料的一種製程，即是將強化材(纖維)與基材 (樹脂)利用機器自動控制的方式，纏繞於轉動之心軸。由於繞製時能 控制纖維之張力，使層間存留氣泡擠出，減少空孔，提高纖維含量，
且纖維排列整齊受力均勻，能獲得高機械性能與強度，比傳統的手積 層或預浸材疊層法來的有效率及變化。基本繞線示意圖如圖 2-1 所 示，纖維纏繞法的製作流程圖如圖2-2 所示。
2-3 製程設備介紹
在纖維纏繞法製造的過程中，我們最主要會用到的機器為纏繞機 及烤箱，前者主要用來纏繞產生工件之外形，後者則用來使樹脂 硬化定型。下面則對這兩種機器加以敘述：
我們所使用的纏繞機為「纏繞實業有限公司」所出品，型號為
2-4 圓桿製程所使用之材料 T1040 930mm*350mm 脫模用
小綿布 930mm*600mm 吸多餘樹脂
放入預浸材圓管柱內，如圖2-13 所示。
本的機械運作模式如圖 2-21 所示，其中駐留半徑決定了駐留時的減 速特性，而駐留長度則決定了駐留旋轉角的多寡。如圖 2-22 所示極 為典型的螺旋繞線路徑主軸角度與滑台位置的關係圖，其曲線類似一 鐘型曲線而具有兩側對稱的特性。
纏繞的步驟如下：
(1) 調好環氧樹酯 ML3030A（2）＋ML3031B（1）
(2) 加入樹酯槽，加熱溫度設定於 40℃
(5) 啟動空壓機。
第三章 球形接頭的製作
3-3 桁架的組裝
裝時可先將螺桿壓縮到端接頭內，使得桿件可以放入兩顆球接頭 之中，再旋轉螺桿使螺桿埋入球接頭內。
桁架在組裝時因為端接頭的改良減少了公差，使得組裝過程更快 速、簡單與準確，也使得複合材料桿件質量輕的優點能夠發揮在桁架 的組裝上。
第四章 複合材料桿件之強度分析 向加強(unidirection reinforced)且為正交性(orthotropic)材料，因此σ3可 以忽略，應力-應變的關係為：
[ ]
( ) ( )
Aij：代表拉伸勁度矩陣(extensional stiffness matrix)元素 BBij：代表偶合勁度矩陣(coupling stiffness matrix)元素 Dij：代表彎曲勁度矩陣(bending stiffness matrix)元素
4-2 積層複合材料圓管的分析
其中[a]=[A]-1；因為將圓桿展開成平板計算，由材料力學薄板假設可
將應力資料帶入各種不同破壞準則（failure criterion）中來預測纏繞 式複合材料圓桿之破壞強度，以下將介紹本文所使用的兩種破壞準
Tsai-Wu 破壞準則 數Real Constants。以及所使用材料的材料常數。建立有限單元的模 型。接著進行網格的分割，依照需求來決定分割的大小。給定邊界條
Real Constants 設定部份，由於纏繞時所產生的滑線問題，所照 呈碳纖維分布的不均勻，所以設定的疊層數為17 層，將圓桿的長度 分為五個等分，寬度方面分為四等分，根據實際得纏繞情況而來分配 每一層纏繞的厚度，使得碳纖維的分布情形能和實際所纏繞的結果一
樣。設定的情形如表(4-1)。
在建模方面，是先建立線段，在使用延伸出一個圓的面來，所以 雖然是3D 的分析，但是其實只有面積而已。元素分割方面，使用總 長的百分之ㄧ(0.008m)，共切割成 4000 個 Element。元素的數量也已 經收斂了。碳纖維材料常數，是引用表4-2[6]、4-3[6]。預浸材的材 料常數，是經由實驗而得出，拉伸試驗遵從ASTM D3039-76 之規範， 小，其中最小者即是首層破壞，判斷破壞型式是屬於Matrix Failure或 Fiber Breaking，若屬於Matrix Failure則令該疊層之E2=G12=0，然後重 新計算出第二階段之破壞強度。雖然再真實的情況下，單一層發生首
受力後到109KN 時產生第二階段破壞，如圖 4-2 所示。是在第 17 層，
拉伸距離至 0.22 ㎝時發生破壞，破壞在第 17 層，纏繞三十度的 地方，破壞應力為112KN。
壓力破壞：
壓縮距離在 0.305 ㎝時 0 度發生破壞，此時受力 156KN，受力減 弱至83.34KN，繼續受力到 104KN 時，30 度的地方發生破壞。
改變材料常數後跟實驗的情形來比較，拉力破壞時最終破壞受力 誤差在10％以內，不過實驗時有首層破壞產生的情形，所以之前的 材料常數比較符合真實的情形。修改材料強度中的Xc與Yc，雖然表 面上是對抗壓有關係，不過在Tsai-Wu準則中，是會有影響的。在 4-13 式中，F11會與Xc成反比。所以當預浸材的Xc與Yc增加後，F11的值會 變小，導致破壞準則的值會變小，所以會是碳纖維先破壞。
第五章 桁架的分析與實驗
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
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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
球的製作方法 實驗種類 實驗結果 備註