第三章 預彎拱鈑之元件試驗與分析
3.3 非對稱配置足尺預彎拱鈑之元件動態測試
於縮尺預彎拱鈑元件測試過程中發現，測試機構中作為驅動力來源的 1.5tf
油壓致動器因內部缸體小、衝程小、油料進出之閥門亦很小，當致動器快速運作 時，致動器內部油料須於油閥孔隙間快速進出，因而產生自身之阻抗力，該阻抗 力相較於縮尺預彎拱鈑的出力佔有相當程度的比例，因此造成試驗結果的誤判。
為了避免油壓系統影響小尺寸元件試驗結果的判讀，本研究將進一步針對足尺預 彎拱鈑進行測試，並以出力、油壓缸體、油閥、衝程均較大之 100tf 油壓致動器 進行動力測試。
3.3.1 試驗架構（Experimental Setup）
試體尺寸與測試構架
足尺預彎拱鈑之元件測試試體編號為 FS12T，其中 FS 表 Full-Scale；12 代 表鈑厚為 12mm；T 表 Tapered（切削斷面），其細部設計如圖 3.17 所示。在拉 壓非對稱之配置下，足尺預彎拱鈑之元件動態測試構架設計如圖 3.18 所示，兩 片預彎拱鈑以左、右相對配置之形式安裝於測試機構中。測試機構底座之 H 型 鋼與強力地板連結。100tf 油壓致動器安裝於門型構架上，該門型構架底部亦與 強力地板連接。圖 3.19 為組裝完成之測試構架照片。
試驗規劃
為瞭解預彎拱鈑的動力特性及其消能遲滯行為是否受加載速度所影響，本 研究規劃以簡諧波進行一系列之元件測試，考慮不同的測試頻率及位移，包括 五種測試頻率（0.1Hz、0.3Hz、0.5Hz、0.8Hz及1.0Hz），每一測試頻率下均進 行四種不同振幅（5mm、10mm、15mm及20mm）之測試，每一測試組合均進 行30個循環。預彎拱鈑之反力及其軸向位移均直接由致動器內建之荷重元及位
移計量測而得。
3.3.2 試驗結果與分析
在拉壓非對稱之配置下，足尺預彎拱鈑之元件動態測試所得遲滯迴圈如圖 3.20 所示。其結果顯示，預彎拱鈑於不同擾動頻率及測試振幅下均呈現穩定且 一致的消能特性，即使於相對高頻（1.0Hz）的簡諧波擾動下，每一迴圈之軌 跡均幾近重合，顯示其穩定的消能特性（如圖 3.20）。圖 3.21 為相同擾動振幅、
不同測試頻率之試驗結果。其結果顯示，預彎拱鈑的遲滯迴圈並不受加載速率 的影響，其消能特性僅與位移(振幅)相依而與速度無關，驗證預彎拱鈑具備位 移型消能阻尼器之特徵。
另由圖 3.20 中發現，預彎拱鈑於 1.0Hz 測試頻率下，當振幅達 15mm 及 20mm 時，因致動器反應無法跟上控制系統所給予的位移命令，故其遲滯迴圈 與其他較低頻試驗所得結果相較(圖 3.21)反而略有縮減的現象，不如其他較慢 加載速率之測試結果。惟無論如何，其遲滯迴圈仍堪稱穩定且飽滿。
ANSYS 數值模擬分析
本研究 ANSYS 有限元素分析係採用 SOLID186 元素來建立預彎拱鈑之結 構模型，SOLID186 元素為二階六面體元素，此一元素共有 20 個節點，在每 一個節點有 3 個自由度，分別為 UX、UY、UZ，亦即 X、Y、Z 三個方向的 變位，如圖 3.22 所示。該元素除能提供線彈性之問題分析外，還可提供塑性 及潛變等非線性力學分析模式，以及大變位或大應變等幾何非線性問題
【40-41】。本例分析時係採用雙線性應力-應變關係來模擬其力學行為。預彎
拱鈑試體為鋼材所製造，且材料在試驗過程中達到塑性，故於定義材料參數 時須設定材料楊氏係數、柏松比、密度及降伏強度與降伏後的切線模數，並 以等向性（isotropic）材料屬性去定義。模型所採用鋼材之楊氏係數E為2×105 MPa，柏松比為 0.33，密度為 7850 kg/m3 ，降伏應力及降伏應變分別為2.35×102 MPa 及 0.001175，降伏後勁度比則取 0.01。為了模擬邊界條件為固接之預彎 拱鈑受軸力荷載（位移控制）的力學行為，故將拱鈑一端之三軸方向(x, y, z) 節點位移予以束制，而另一端則只允許於軸向(x)滑移，週期性荷載施加於自 由端。分析時亦選用與元件測試相同之簡諧波做為輸入指令，並考慮大變形 之情況。模擬時選用與元件測試相同之簡諧波進行分析，擾動頻率為 0.5Hz，
並以 5mm、10mm、15mm 及 20mm 等四種不同振幅，由小至大，每一振幅連 續兩個循環的方式進行運算。圖 3.23(a)為以 ANSYS 軟體模擬固接預彎拱鈑的 分析模型。
模擬所得之遲滯迴圈如圖 3.24(b)所示。與元件測試結果（f=0.5Hz）比較 發現，ANSYS 分析與元件測試所得之遲滯迴圈路徑軌跡相當類似，惟 ANSYS 分析所預測之預彎拱鈑具有較大的反力，故其遲滯迴圈較為飽滿。造成試驗 與模型分析結果差異的可能因素，為元件測試 100tf 油壓致動器與預彎拱鈑連 接之萬向接頭於測試過程中發生扭轉所造成。在此情況下，預彎拱鈑實際所 受到的軸向位移較原先規劃來的小，使材料達降伏之程度較預期為低，因而 降低其消能能力。再進一步考慮邊界條件為鉸接進行分析，其 ANSYS 預彎拱 鈑分析模型如圖 3.23(b)。分析結果（圖 3.24(c)）顯示，鉸接之預彎拱鈑消能 能力明顯低於固接者。試驗所得之遲滯迴圈，其飽滿程度則介於邊界條件為
固接與鉸接模擬分析結果之間。