PU 心材方塊試體抗壓試驗模擬與結果

PU心材的材料性質主要透過抗壓試驗取得，一般抗壓試驗常設計成 側向無圍束的狀態，在此情況下，配合抗壓試驗結果，其楊氏係數(Young's Modulus)可以下式計算求得，

δ

=Δ A

E PL (5-1)

其中，ΔP 為施力增量、L 為試體高度、A 為試體截面積、δ 為施力方向 上的位移增量。

當有側向約束時，以 Z-方向為施力方向，以組成率為控制方程式，

E 0

為進一步釐清實際上部份側向約束對試驗結果可能帶來的影響，在此進 行了PU心材方塊試體抗壓試驗的數值模擬分析。圖5.1 為PU心材方塊 試體的有限元素模型。以1000 個立體元素（Solid Elements）模擬PU方 塊，另以一塊剛性板作加壓平臺，剛性板與PU心材之間以具摩擦力之介 面模擬。藉此數值分析，可以瞭解PU心材之物理特性，並進而更有效掌 控後續分析之精確度。

圖 5. 1、心材方塊抗壓試體有限元素模擬

為求變化參數，前兩節所述之 PU 試體，係於實驗室中以手動的方 式攪拌灌鑄而成，一方面人工操作品質較難掌握，另一方面在攪拌時，

有部份PU混合料已經開始發泡，影響品質，因此不論楊氏係數或降伏強 度皆偏低。工廠大量生產則採取高壓通過螺旋管瞬間拌合的方式，品質 優良且均勻，楊氏係數或降伏強度皆較高，可惜機械生產流程固定，改 變參數困難。原則上，本研究在PU抗壓試驗與影像處理兩方面，皆採用

有限元素網格 3D斜視圖

自行灌鑄之試體，但三明治夾板抗彎與彎鉤拉力測試則採用現有之廠鑄 成品，且第三方公正單位之檢驗報告亦針對廠鑄品，因此在本研究中之 三明治夾板抗彎模擬與彎鉤拉力測試模擬，也將配合採用廠鑄PU之材料 品質。圖5.2 為廠鑄PU方塊抗壓試驗之應力應變曲線，其中之應力為試 體之平均應力，虛線則為三明治夾板抗彎模擬與彎鉤拉力測試模擬等數 值分析所採用之等值雙線性彈塑性應力-應變曲線。此試體之長、寬、高 分別為、48.45 mm、50.03 mm、49.95 mm；密度39.15 kg/m³；柏松比採 用0.1之值；降伏強度採用 0.25 MPa；楊氏係數則大約為5 MPa。PU方 塊抗壓試驗之數值模擬亦採用此廠鑄PU方塊試體之品質。

PU_0-1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 strain(mm/mm)

stress(N/mm^2)

圖 5. 2、廠鑄 PU 方塊抗壓試驗之應力-應變曲線

圖 5.3 為數值模擬方塊試體中心部位一顆元素之應力-應變曲線（模 擬單軸無圍束之情況），圖 5.4 則為數值模擬實際具部份圍束（在試體的 上、下加載面上具側向約束）時抗壓試體的應力-應變曲線結果，其應力

為總力除以總面積之巨觀平均應力。比較二圖可知，具部份圍束巨觀楊 氏係數略大於單軸無圍束楊氏係數，正如預期。既然在本研究中二者差 距不大，後續模擬分析即直接採用單軸無圍束抗壓之結果。

圖 5. 3、單軸無圍束應力-應變曲線

圖5.5為數值模擬方塊試體之 von Mises應力分佈情況，應力分佈並 不十分均勻，緊鄰頂面處von Mises應力最小，代表該處僅有靜水壓，但 因柏松比很小，除了幾個尖角之外，大致應力還算均勻。

圖 5. 5、方塊試體之 von Mises 應力分佈