中 華 大 學 碩 士 論 文
鋁合金蜂巢夾層板承受週次彎矩負荷下殘 餘機械性質之實驗與分析
Experimental Analysis on Residual Mechanical Properties of Aluminum Honeycomb Sandwich
Panels under Cyclic Bending Loading
系 所 別：機 械工程學系碩士班
學號姓名：E09808010 鄧大誠
指導教授：吳 泓 瑜 博士
任 貽 明 博士
中 華 民 國 100 年 8 月
中文摘要
本研究針對含有一鋁蜂巢結構與上下面板之鋁合金蜂巢夾層板，利用四點彎矩進 行靜態及疲勞強度實驗，藉此觀察其靜態實驗之結果與破壞模式，首先對不同參數試 片進行靜態彎矩實驗，觀察其在承受靜態負載時之破壞型式，得到其靜態極限負荷並 記錄局部之變形應變數據，作為殘餘強度實驗之依據。其次取其四個疲勞壽命週次比 (10%、25%、35%、50%)之疲勞壽命結果，同樣利用四點彎矩夾具對鋁合金蜂巢夾層 板試片在相同週次下取出四種不同週次比(0.2、0.4、0.6、0.8)進行疲勞實驗，當預定 的週次到達後停機，並隨即進行下一步的靜態試驗至式片破壞為止，取得試片的殘餘 強度數據，探討疲勞過程對鋁合金蜂巢夾板的殘餘強度之影響，並找出與實驗結果之 相關性，根據實驗的殘餘強度數據比照文獻上的結果相符合，也就是蜂巢版的殘餘強 度並沒有因為經過疲勞的過程而影響其殘餘強度。
關鍵詞：鋁合金蜂巢夾層板；殘餘強度；極限強度；疲勞壽命:
ABSTRACT
The residual mechanical properties of the adhesively joint aluminum honeycomb sandwich panels subjected to the cyclic loading have been experimentally studied in this research. Four cyclic loading levels, i.e., the maximum applied loads are 10, 25, 35, 50% static ultimate loads, were selected in the experimental program to study the residual mechanical properties of studied sandwich panels after the fatigue loading. The considered mechanical properties include the residual strength and the residual stiffness, which were obtained from the static tests after specific fatigue loading cycles. These considered fatigue loading cycles were selected as the 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8 fatigue lives under the same loading levels. The experimental results show that no matter how long pre-cyclic loading were imposed on the studied specimens, the residual ultimate strengths and stiffness have very slight variations with the original data, indicating that the mechanical; properties of the studied sandwich structures almost remain constant until the final stage of the fatigue lives.
Keywords: aluminum honeycomb sandwich panel; residual strength; ultimate strength; fatigue life.
誌 謝
在機械系兩年的碩士班學習生涯裡，要感謝有許多人總是在我學業上或是在做實 驗的過程中有發現問題需要解答的時候幫助我，一起找出疑惑的解決方法，若沒有這 些人，我無法順利完成碩士班的學業，對於這些人，心中充滿了真誠的感謝。
能夠順利完成研究及學業，首先最要感謝的人是我的指導教授吳泓瑜老師及任貽 明老師，感謝老師在這兩年來的研究所生涯對我的耐心指導及在學期間付出的關心與 叮嚀，在這兩年期間經常遭遇到許多困難與挫折，老師總是不厭其煩的給予幫助及鼓 勵，時時提供意見解決我研究上的問題，特別感謝老師。
其次要感謝學長健洋、鴻斌、育翔、同學永傳，以及同事富瓏、智敏、哲偉、潤 興在求學生涯當中一直陪伴著我，不斷的給予支持、鼓勵及協助。此外，要感謝公司 電焊工廠鄭萬來領班及車床工廠林明忠領班，在百忙之中幫助我加工完成本實驗所用 之夾具。
最後，謹以此論文獻給最親愛的家人，有了你們的支持，才能使我有動力來完成 碩士學業，願以此論文與你們一同分享這分喜悅與榮耀。
目 錄
中文摘要 ...i
英文摘要 ...ii
誌 謝 ...iii
目 錄 ...iv
表目錄 ...vi
圖目錄 ...vii
符號說明 ...x
第一章 序論 ...1
1-1 引言... 1
1-2 研究內容... 2
1-3 本文架構... 3
第二章 文獻回顧 ...5
第三章 實驗內容與程序 ...8
3-1 研究對象... 8
3-2 儀器介紹... 9
3-3 實驗步驟與內容... 10
3-3-1 鋁合金蜂巢夾層板靜態強度實驗 ... 10
3-3-2 鋁合金蜂巢夾層板四點彎矩疲勞實驗 ... 10
3-3-3 鋁合金蜂巢夾層板靜態殘餘強度實驗 ... 11
第四章 結果與討論 ...18
4-1 鋁合金蜂巢夾層板承受四點彎矩靜態實驗結果... 18
4-2 鋁合金蜂巢夾層板之四點彎矩疲勞實驗結果... 18
4-3 鋁合金蜂巢夾層板承受疲勞後之殘餘強度實驗結果... 19
4-4 鋁合金蜂巢夾層板承受疲勞後之殘餘勁度實驗結果... 19
第五章 結論 ...51
參考文獻………... 52
表 目 錄
表 3-1 蜂巢結構與鋁合金之材料性質[23] ...12
表 4-1 室溫下鋁合金蜂巢夾層板之四點彎矩靜態強度[23] ...20
表 4-2 鋁合金蜂巢夾層板基本疲勞實驗結果[23] ...21
表 4-3 常溫環境下鋁合金蜂巢夾層板之疲勞壽命曲線材料參數[23] ...22
表 4-4 常溫環境下鋁合金蜂巢夾層板四點彎矩靜態殘餘強度實驗數據...23
圖 目 錄
圖 1-1 台北捷運 301 車廂地板組成示意圖[1] ...4
圖 3-1 式片外型、受力狀況、量測位置及各項參數代表知示意圖...13
圖 3-2 鋁合金蜂巢夾層版試片實體圖...14
圖 3-3 Instron 8872 型單軸向材料試驗系統 ...15
圖 3-4 四點彎矩夾具...16
圖 3-5 Instron 8872 型單軸向材料試驗液壓系統 ...17
圖 4-1 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下靜態實驗之破壞型式[23] ...24
圖 4-2 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下靜態之負荷-壽命曲線圖[23]...25
圖 4-3 鋁合金蜂巢夾層板常溫下負荷階 55%疲勞實驗之破壞型式[23]...26
圖 4-4 鋁合金蜂巢夾層板常溫下負荷階 60%疲勞實驗之破壞型式[23]...27
圖 4-5 鋁合金蜂巢夾層板常溫下負荷階 65%疲勞實驗之破壞型式[23]...28
圖 4-6 鋁合金蜂巢夾層板常溫下負荷階 70%疲勞實驗之破壞型式[23]...29
圖 4-7 鋁合金蜂巢夾層板常溫下負荷階 75%疲勞實驗之破壞型式[23]...30
圖 4-8 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1322.60 N 之疲勞負荷下殘餘強度之負載- 位移曲線圖 ...31
圖 4-9 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1322.60 N 之疲勞負荷下殘餘強度之負載- 位移曲線圖 ...32
圖 4-10 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1266.18 N 之疲勞負荷下殘餘強度之負載-
位移曲線圖 ...33
圖 4-11 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1208.99 N 之疲勞負荷下殘餘強度之負載- 位移曲線圖 ...34
圖 4-12 周次比=0.2 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移圖曲線圖 ...35
圖 4-13 周次比=0.4 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移圖曲線圖 ...36
圖 4-14 周次比=0.6 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移圖曲線圖 ...37
圖 4-15 周次比=0.8 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移圖曲線圖 ...38
圖 4-16 在基本壽命 10 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖...39
圖 4-17 在基本壽命 25 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖...40
圖 4-18 在基本壽命 35 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖...41
圖 4-19 在基本壽命 50 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖 ….42 圖 4-20 鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次之比較圖...43
圖 4-21 鋁合金蜂巢夾層板承受靜態殘餘強度實驗之態破壞型式...44
圖 4-22 鋁合金蜂巢夾層板承受靜態殘餘強度實驗之態破壞型式-脫膠 ...45
圖 4-23 在基本壽命 10 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖.46 圖 4-24 在基本壽命 25 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖.47 圖 4-25 在基本壽命 35 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖.48 圖 4-26 在基本壽命 50 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖.49 圖 4-27 鋁合金蜂巢夾層板在各週次之殘餘勁度與週次比之比較圖………...50
符號說明
a 材料參數
b 材料參數
E 楊氏係數
Fmax 最大下壓負荷值 Fmin 最小下壓負荷值
F ult 靜態極限負荷
N f 疲勞壽命
N 對應負荷階下之疲勞週次
n 施加疲勞周次數
F 實驗中兩圓棒之最大下壓負荷
S 夾頭位移量
Fres 殘餘強度
第一章 序論
1-1 引言
鋁合金蜂巢夾層板為夾層型複合材料的一種特殊形式，蜂巢的結構可由金 屬、塑膠、發泡之高分子聚合物甚至是紙類等不同材料構成。在多種不同材料構 成之蜂巢結構中又以鋁合金蜂巢結構之應用範圍最為廣泛，舉凡一般航太工業、
電子工業到建築事業都常選擇鋁合金蜂巢結構進行不同需要之應用。因此鋁合金 蜂巢結構在工業應用上佔有重要的地位，對於鋁合金蜂巢結構的各方面強度及耐 久度都需要有更進一步的探討及分析。根據文獻的探討指出，蜂窩結構的強度取 決在蜂窩的幾何形狀及材料，所以了解蜂窩形狀與蜂窩強度的關係，便成了本文 主要探討的內容，故本研究將針對含有上下面板之鋁合金蜂巢板在靜態強度及疲 勞特性上進行更深入的了解及分析。(本文中之蜂巢板係指含有上下兩片面板之蜂 巢結構，而對於不具面板單指中間部份之蜂巢則以蜂巢結構稱之)
鋁合金蜂巢夾層板有以下之特點：
1、由於有許多蜂巢形狀，所以耐壓的情況遠大於其他材料的耐壓值。
2、由於兩面板的鋁蜂巢材料由許多高度完全相同的且垂直的蜂巢結構所組成，所 以面板擁有卓越的平整度。
3、蜂巢結構有助於節省大量的面板材料，因此大大的減少重量，如 15 毫米厚蜂 巢板和 1mm 厚的面板在 1 平方米的重量約只有 6 公斤重。
4、鋁合金材料是不可燃的，所以鋁合金蜂巢板具有良好的阻燃性能，運用在建材
上隔間蜂巢板能延緩火勢蔓延，增加防火時效。
5、鋁合金蜂巢夾層板因不含輻射及有毒材料，幾乎所有的材料都可以有效的回收 再利用。
6、六角蜂巢結構的隔音效果非常好，另外由於蜂巢結構內有空氣所以在熱源的隔 絕可以達到一定的程度。
鋁合金蜂巢夾層板有上述幾項特點，在國內運輸交通則實際的應用在台北捷 運 301 車廂地板結構上，如圖 1-1。
鋁合金蜂巢夾層板在各項靜態強度的力學分析上已有許多成果。一般對於鋁 合金蜂巢夾層板之破壞形式分析大致可以簡單的歸納為三種形式，第一種破壞形 式為上下面板的凹陷所造成之破壞；第二種形式為蜂巢結構的挫屈所造成之破 壞；而最後一種形式為蜂巢結構與上下面板間的脫膠破壞。
一般金屬結構在週次應力或應變持續作用下，結構中某些部份會逐漸產生微 小裂縫，隨著週次負荷持續的施加，這此微小裂縫將導致材料巨觀裂縫的形成和 延伸（Crack Initiation & Propagation），當裂縫長度成長到一定程度時，元件就會 導致破壞，此破壞過程稱為疲勞破壞（Fatigue Failure）。材料疲勞破壞的最大特 徵是當結構承受週次負荷，材料並不會立即產生破壞，而是在反覆受力超過一定 次數後，才會發生破壞。根據統計，約有 50% ~ 90%的機械結構破壞是由疲勞損傷 所引起的。因此疲勞設計是對於結構強度設計上的重要工作之一。透過疲勞實驗 可得到不同之負荷-壽命曲線與破壞模式。
雖然對於靜態的分析上，鋁合金蜂巢夾層板已有許多的成果。但是在考量其 疲勞特性上並沒有很多完整的評估及實驗。因此本研究將針對鋁合金蜂巢夾層板 進行四點彎矩靜態及疲勞試驗；以期能對蜂巢結構的殘餘機械性質能有更完整的 了解。
1-2 研究內容
本研究利用 Instron-8872 型材料試驗系統對鋁合金蜂巢夾層板結構進行四點彎 矩實驗，利用實驗結果探討鋁合金蜂巢夾層板的機械性質。
本文所考慮的蜂巢結構變數，分別為上下面板厚度、蜂巢高度及單一蜂巢大 小。對於同一尺寸參數之鋁合金蜂巢板，其疲勞實驗將考量多個不同的負荷。
研究中的主要內容包括：
1、對鋁合金蜂巢夾層板進行四點彎矩靜態強度實驗。
2、對鋁合金蜂巢夾層板進行四點彎矩疲勞強度實驗。
3、對鋁合金蜂巢夾層板進行靜態殘餘強度實驗。
此研究的目的即在以實驗方法瞭解在四點彎矩實驗下蜂巢板之靜態及疲勞強 度之影響，藉由此實驗步驟，可了解鋁合金蜂巢夾層板結構之殘餘強度隨負荷週 次變化之情形。
1-3 本文架構
本文共分為五章：第一章為序論，分為引言、研究內容、本文架構等；第二 章為文獻回顧；第三章為靜態實驗內容與程序，對於進行實驗的試片製作過程、
儀器設備及實驗內容與步驟等作一完整的說明；第四章為靜態與疲勞理論分析架 構，說明本文對於靜態強度及疲勞週次對鋁合金蜂巢板的影響。第五章結論，探 討實驗結果，並對蜂巢結構之殘餘強度進行討論分析。
圖 1-1 台北捷運 301 型車廂地板組成示意圖[1]
踢板 平頭十字螺絲
蜂巢結構
陶瓷纖維棉 硬木
不鏽鋼板
不鏽鋼板
不鏽鋼板 蜂巢結構
陶瓷纖維棉 硬木
不鏽鋼板
第二章 文獻回顧
蜂巢結構有許多的材質運用在現今各項產業中，也提供了很多的優勢，製造 蜂巢板的廠商也越來越多，所以在研究的文獻報告中在蜂巢夾層板的結構與力學 也有諸多的研究分析。各項相關之研究各界也持續的在發表。包括了對鋁合金 蜂巢結構、鋁合金蜂巢夾層板之面板及鋁合金蜂巢結構與面板界面之膠合強度 等相關研究均有學者著手進行研究，在以下針對各項不同方面的研究作一整理。
(一) 蜂巢之結構行為分析
在蜂巢結構方面首先看到在 1996 年 Huang 和 Lin [2]對蜂巢材料之單軸疲 勞行為進行研究結果發現蜂巢板的相對密度與幾何形狀、循環載重幅度與蜂巢材 料的疲勞性質相關及 1999 年 Paik 等人 [3]針對蜂巢各項參數對於鋁合金面板強 度之影響而進行了一系列之實驗，結果發現當蜂巢壁厚越厚、蜂巢高度越高時，
面板強度也會較大。1999 年 Albuquerque 等人 [4]對蜂巢結構在製造過程中造成 蜂巢壁缺損對整體蜂巢強度的影響作了完整的評估；其研究結果發現缺損的蜂 巢壁數量越多會使蜂巢結構的挫屈應力值降低；但與完整蜂巢結構之挫屈應力 值比較差異甚小。以及 2000 年 Lee 等人 [5]對於玻璃纖維/環氧化物之複合材料 面板，考量其受到單點集中負載所造成之凹陷型式破壞作了一系列之數值與有 限元素分析。其結果發現面板厚度越大及蜂巢相對密度越高時，面板之強度越 高。前面幾個文獻的實驗結果再對照 2002 陳宗珷 [6]中對蜂巢板的結構密度的 分佈進行蜂巢板的強度及力學分析，結果發現，不含巨觀裂紋之蜂巢材料於單 軸載重作用下，可以保有最佳形狀的微觀構件，已獲得最大的單軸強度。其次 在微觀結構中的微小裂紋，因大小、分佈及多寡的不同，使得蜂巢材料結構的 破裂模數並非一定的值。2003 張富淼 [7]探討具曲桿與具直桿的蜂巢材料力學 性質的差異，在經過模擬分析結果後發現具曲桿的蜂巢材料的楊氏模數、柏松比 及脆性強度接與相對密度無關，由於都只理論模式之推導分析，與真實的材料的 相關力學性質不一定吻合，只適合工程上的設計。以上幾點可以說明不論蜂巢的 密度、形狀及排列以及夾板的厚度等各項結構都影響著整個蜂巢板的強度。
(二) 蜂巢板之靜態力學分析
在 1969 年 Allen [8]對於蜂巢板的夾層型式結構，在靜態負荷之力學行為所 承受的有初步的探討。在 1997 年 Saito 等人 [9]利用數值分析並配合實驗對於蜂 巢結構面板之楊氏係數及阻尼係數有了初步的了解。同年，Burton 等人 [10]首 先利用有限元素分析面板厚度及膠厚度等參數對蜂巢及面板間膠合強度之影響 進行探討。其結果發現當膠厚度越大時，其應變能也隨之增加；而對於相同厚 度之黏合膠，面板厚度越低，其應變能越大。1998 年 Zhao 等人 [11]針對鋁合金 蜂巢結構進行實驗探討於不同速率之衝擊負載下，蜂巢相互擠壓之行為進行分 析。結果指出在平面外方向之衝擊速率越低，蜂巢結構所能承受之衝擊越大。
1999 年 Meraghni 等人 [12]對蜂巢結構之面板，利用數值分析配合實驗及有限元 素模擬，推得蜂巢結構面板之等效楊氏係數及剪力模數。同年，Petras 等人 [13]
利用三點彎矩實驗，對蜂巢面板之各種破壞型式進行分類及探討。而將面板破 壞的型式分成面板降伏 (Face Yielding)、內部蜂巢凹陷 (Intra-Cell Dimpling)、
面板皺摺 (Face Wrinkling)等三種不同型式。同年，Paik 等人 [14]針對蜂巢各項 參數對於鋁合金面板強度之影響，進行了一系列之實驗。結果發現當蜂巢壁厚 越厚、蜂巢高度越高時，面板強度也會較大。王喬瑩[15]在蜂窩板的高速擠壓 模擬中，將模擬的結果與先前之文獻的實驗結果比較，發現其變形的方式極為 類似，而值得注意的事，應力集中的地方是在較小的蜂窩組織。
(三) 蜂巢板及蜂巢結構之疲勞性質分析
相同於一般金屬結構，蜂巢結構在週次應力或應變持續作用下，也會發生 疲勞破壞的情形。在蜂巢結構的疲勞力學行為方面，也有許多學者提出相關之 研究。Huang 等人 [16]在 1996 年對於蜂巢材料在平面內方向，利用 Paris law、
Coffin-Manson law 及 Basquin law 對其進行疲勞壽命預測。其結果顯示蜂巢材料 之 疲 勞 壽 命 會 與 週 次 應 力 強 度 、 蜂 巢 幾 何 形 狀 及 蜂 巢 之 相 對 密 度 (Relative Density)有關。1997 年 Burman 及 Zenkert [17]又對於具有缺陷之發泡蜂巢板進行 相同之疲勞強度分析，該研究應用局部應力之觀念成功地對具有裂縫之發泡蜂 巢結構之壽命作出預測。2001 年 Harte 等人 [18]對鋁合金發泡蜂巢板利用四點
彎矩測試法進行疲勞強度分析，其結果顯示蜂巢強度會隨著週次負載之應力比 下降而降低。同年，Huang 等人 [19]對蜂巢結構在承受平面內多軸負載之疲勞 行為進行分析探討，其結果指出蜂巢之疲勞強度與週次應力範圍、結構本身具 有之缺陷、裂縫長度、蜂巢尺寸及蜂巢相對密度有關。2003 年 Kulkarni 等人 [20]對承受彎矩負載之發泡型蜂巢板，利用裂縫成長速率對其疲勞壽命加以預 測。該研究將破壞程序分為三個階段，首先裂縫由施加負載之周邊開始形成，
接著裂縫將貫穿中間部分之蜂巢，最後裂縫會沿著蜂巢及下方面板交界處繼續 成長。該研究結果指出在將有 85%的壽命在第一階段之破壞中損耗。2007 年 Belingardi 等人 [21] 利用四點彎矩對面板為碳纖維，夾層為鋁合金的蜂巢結構 復合材料夾層板進行疲勞強度實驗與分析，試片在經過百萬次的疲勞周期後未破 斷再經過殘餘強度試驗後，其試片的殘餘強度和未經過疲勞週次而直接測試殘餘 強度的數值結果相近，由實驗可知蜂巢夾層板的殘餘強度與實驗週期的多寡並無 直接關係。
根據以上的文獻結果可知，蜂巢板的疲勞是一個關鍵需要解決問題，以便 更有效地納入蜂巢板在設計和施工的結構計算。由於結構的疲勞現象確定在鋁 蜂巢夾層板都相當複雜，需要更多的實驗研究，以尋找出更多且有效的問題。
對於蜂巢疲勞性質方面之研究多以蜂巢結構承受平面內負荷時之疲勞行為為主 要研究對象，且研究之蜂巢類型大多為發泡型蜂巢結構或是不含面板之蜂巢結 構。而對於金屬六角型蜂巢構成之鋁合金蜂巢板在平面外方向疲勞特性以及在 鋁合金蜂巢夾成板經過疲勞週次負荷後所剩下之殘餘機械性質所知甚少。有鑑 於此，本研究將針對目前工業界所廣泛採用之鋁合金六角型結構蜂巢板，實驗 將利用四點彎矩實驗，對其靜態及疲勞性質作一系列完整之評估，以期能更加 完整的確立蜂巢結構之各項機械性質。
第三章 實驗內容與程序
本研究實驗方向規劃成三個部分:第一部分是利用四點彎矩夾具對鋁合金蜂巢 夾層板進行靜態強度實驗，第二部份則進行基本疲勞實驗以建立最大應力-疲勞壽 命曲線圖。第三部份分別依據疲勞壽命曲線圖取出對應的四個疲勞壽命 (10 萬、25 萬、35 萬、50 萬)之負荷階，再分別以此負荷階，同樣利用四點彎矩夾具對鋁合金 蜂巢夾層板試片在相同週次下取出四種不同週次比分別是0.2、0.4、0.6、0.8 進行 疲勞實驗，當預定的週次到達後停機，則進行下一步的靜態疲勞試驗探討對鋁合 金蜂巢夾層版殘餘壽命強度之影響。
首先在進行疲勞之四點彎矩及靜態實驗方面。將分別對不同參數之蜂巢板試 片進行靜態四點彎矩實驗，實驗中將記錄鋁合金蜂巢夾層板在靜態負載下之靜態 強度及負載-應變 (位移)之關係；並觀察其破壞型式。靜態實驗之結果可用於選取 後續疲勞實驗之負荷；本研究用於進行四點彎矩靜態及疲勞實驗之鋁合金蜂巢夾 層板試片尺寸規劃係依據ASTM C393-62 [22]標準規範。藉此獲得鋁合金蜂巢夾層 板之疲勞-壽命曲線，實驗之結果也將作為後續實驗之依據。
3-1 研究對象
本研究對象之鋁合金蜂巢夾層板試片係由 3104 鋁合金蜂巢結構與上下兩片 5052 鋁合金面板組成，中間部分之蜂巢結構系利用鋁合金薄片拉伸展開製成。由 於其製造程序之故，導致單一蜂巢在水平方向的兩個邊上會具有兩倍之厚度，此 邊稱為中心壁 (Central Wall)，另外四邊則稱為斜邊壁 (Inclined Wall)。黏著劑係 採用朝澤企業公司所生產之編號為EP-512 混合式之環氧樹脂黏著劑進行接合；此 種型式黏著劑之使用方法需將環氧樹脂主劑與變性聚胺硬化劑以2：1 的重量混合 比混合攪拌後方可進行接合。
本研究用於進行四點彎矩靜態及疲勞實驗之鋁合金蜂巢夾層板試片尺寸規劃 係依據ASTM C393-62 [22]標準規範設定其長寬尺寸為 200 mm × 60 mm，蜂巢高
度為20 mm，面板厚度為 1mm，單一蜂巢結構皆為正六邊形且內徑為 3 mm，且蜂 巢壁厚皆為0.07 mm (試片之幾何尺寸及受力情況如圖 3-1 所示)。所有實驗試片皆 由1200 mm × 2400 mm 之蜂巢板塊切割為 198 塊相同規格之試片(如圖 3-2 所示)，
於切割時均採用水刀切割加工以避免在切割過程中對試片造成之殘留應力、硬化 及二度變形之現象。
3-2 儀器介紹
本研究實驗部分需使用下列之儀器
（一）材料試驗系統：
本 實 驗 係 使 用 Instron-8872 型 單 軸 向 動 態 材 料 試 驗 系 統 ， 分 別 配 合 FASTTRACK 與 SAX 兩套數位控制軟體對試片進行靜態與疲勞之材料性質實驗，
(如圖 3-3 所示)。其主要組成構件為控制系統(Control System)、負載架組合(Load Frame Assembly)、伺服液壓致動器(Servo Hydraulic Actuator)、液壓動力供應器 (Hydraulic Power Supply)及冷卻系統等。Instron-8872 型單軸向動態材料試驗系統 在運作過程中會將負載、行程、時間、週次數等訊息訊號輸出，將所得到之數據 儲存於電腦中，並使用FASTTRACK 與 SAX 兩套數位控制軟體將訊息以圖形視窗 同步顯示在電腦螢幕上，以便有效即時掌控實驗流程。
Instron-8872 型伺服液壓動態試驗系統在運作過程中會將負載、行程、應力及 壽命等訊息訊號輸出，由於此系統本身並具備儲存這些訊息訊號的功能，因此為 了儲存這些訊號，將所得到的數據送到電腦硬碟中儲存，以利往後數據查詢，並 將所有訊息以圖形視窗同步地顯示在電腦螢幕上，以便有效掌控整個實驗過程。
（二）四點彎矩夾具：
本研究中對鋁合金蜂巢夾層板進行彎矩測試之設備為自行設計之四點彎矩夾 具（如圖3-4 所示）。本夾具之基座上具有滑軌可隨不同使用需要進行下方跨距之 調整，為避免由形狀造成之應力集中且為了確保施力分佈均勻本上方內跨距處利
用兩根鎢鋼材質之圓棒作為對試片之施力端；而下方外跨距位置處同樣以兩根鎢 鋼材質之圓棒作為試片之支承端。另外夾具於上連接桿及上夾具中心點挖出一圓 孔，並於上連接桿及上夾具中間放置一鋼球，以確保施力均勻分佈在上方內跨距 之兩根鎢鋼材質圓棒上。
3-3 實驗步驟與內容
本研究進行之實驗可分為以下三部分
1、對鋁合金蜂巢夾層板進行四點彎矩靜態強度實驗[23]。
2、對鋁合金蜂巢夾層板進行四點彎矩疲勞強度實驗[23]。
3、對鋁合金蜂巢夾層板進行靜態殘餘強度實驗。
3-3-1 鋁合金蜂巢夾層板靜態強度實驗[23]
本實驗取三個試片來進行靜態強度實驗，進行實驗之前，必須先取得鋁合金 蜂巢夾層板試片在室溫環境下之基本機械性質，以作為疲勞實驗的依據。靜態極 限強度測試係利用Instron 8872 材料試驗系統，利用四點彎矩進行多次靜態極限強 度測試，找出鋁合金蜂巢夾層板在室溫環境下之靜態極限強度。本研究中四點彎 矩測試規範遵守ASTM C393-62 [22]標準規範，內跨矩定為 50 mm，外跨距定為 150 mm。實驗將控制下壓速率為 0.01 mm/sec 且位移量為 5 mm，其靜態實驗中破 壞條件設定為在出現極限強度之後，當鋁合金蜂巢夾層板試片以肉眼觀察下其外 觀出現明顯破壞為止，紀錄全部靜態實驗過程之負載及位移之關係並建立疲勞曲 線圖。
3-3-2 鋁合金蜂巢夾層板四點彎矩疲勞實驗[23]
在常溫環境下進行鋁合金蜂巢夾層板之靜態彎矩強度測試後，鋁合金蜂巢夾 層板所得到之靜態極限強度，利用其靜態極限強度之75%、70%、65%、60%、55%
及50%作為疲勞實驗之最大負荷，再對鋁合金蜂巢夾層板以正弦波方式施加負載進 行疲勞試驗。在疲勞實驗中負荷比R設為10（負荷比的定義為兩邊圓棒最小下壓負
荷/最大下壓負荷）；且將頻率設為7 Hz，並繪製出常溫環境下之負荷-壽命曲線圖。
疲勞實驗中，鋁合金蜂巢板夾層板試片出現破壞而停止實驗之條件為該週次之夾 頭位移量達3.2mm時，即代表該試片符合破壞之標準。若疲勞實驗週次數達一百萬 次以上即終止實驗，代表該實驗具有無窮壽命。同條件的疲勞實驗需重複三次，
以確保疲勞壽命數據的可靠性。疲勞實驗完成後，即可得到鋁合金蜂巢夾層板之 最大負荷-疲勞壽命曲線圖，以作為靜態殘餘強度實驗設定之依據。
3-3-3 鋁合金蜂巢夾層板承受疲勞負荷後之靜態殘餘機 械性質實驗
本研究以週次作為控制參數，從疲勞曲線圖求出四個疲勞壽命週次分別為10 萬、25萬、35萬、50萬週次之負荷階，並取其各週次之四個疲勞壽命週次比，分 別為0.2、0.4、0.6、0.8作為承受疲勞負荷實驗指定週次之依據，當達到預定週次 時，即停止施加疲勞負荷，當疲勞實驗達到預設週次停機後，接著對試片進行四 點彎距靜態實驗直至蜂巢夾層板試片破壞為止，控制程式隨即記錄其殘餘強度與 位移量數據。藉由此實驗步驟，可了解試片殘餘強度試片勁度隨負荷週次變化之 情形。
對同條件的實驗均重覆進行三次，若試片在疲勞試驗過程中尚未達到預設的 疲勞週次即斷裂時，需立即停機取下試片，試片之數據則不列入紀錄，重置新蜂 巢夾層板試片實驗以達到數據的正確性。
表3-1 蜂巢結構鋁合金之材料性質[23]
鋁合金 楊氏係數 E (GPa)
浦松比 ν
密度 D (g/cc)
剪力模數 G (GPa)
降伏強度 σys (MPa)
3104 69.0 0.34 2.72 26.0 260.0
5052 70.3 0.33 2.68 25.9 193.0
1 m m
5 0 m m
1 5 0 m m
3 mm
X
Z Y F
2
60 mm 20 mm
1 mm
200 mm F
2
F 2
F 2
圖3-1 試片外型、受力情況、量測位置及各項參數代表之示意圖
圖3-2 鋁合金蜂巢夾層板試片實體圖
圖3-3 Instron 8872 型單軸向材料試驗系統
圖3-4 四點彎矩夾具
圖3-5 Instron 8872 型單軸向材料試驗液壓系統
第四章 結果與討論
4-1 鋁合金蜂巢夾層板承受四點彎矩靜態實驗結果[23]
本研究利用鋁合金蜂巢夾層板在四點彎矩靜態實驗中，觀察並記錄鋁合金蜂巢夾 層板在實驗中受到彎矩負載的破壞位置及型式，表 4-1 為常溫環境下鋁合金蜂巢夾層 板之四點彎矩靜態實驗結果，圖 4-1 為受到彎矩負載的破壞位置及型式。由實驗結果 發現在常溫環境下鋁合金蜂巢夾層板在受到靜態彎矩負載時，破壞型式皆為面板的壓 痕(indentation)破壞為主。
4- 2 鋁合金蜂巢夾層板之四點彎矩疲勞實驗結果[23]
本研究在常溫環境下考量 6 個不同負荷階對蜂巢夾層板試片的疲勞實驗結果如 表 4-2 所示。本研究對於試片疲勞壽命曲線以下式來描述：
Fmax( )N =a N
( )
f b (4-1)其中Fmax為疲勞實驗中之最大負荷，a、b為材料常數，N 為疲勞壽命。本文將f 疲勞實驗之結果利用曲線配湊法(Curve Fitting)的方式繪於雙對數圖上。圖 4-2 為考量 外力Fmax對應疲勞實驗週次數之負荷-壽命曲線 (各種試片之材料常數a、b列於表 4-3)。由此結果可以得到蜂巢夾層板試片之疲勞強度之容忍極限。
鋁合金蜂巢夾層板在常溫環境下之四點彎矩疲勞實驗中的破壞型式多為面板凹 陷破壞與蜂巢的脫膠破壞如圖 4-3 至圖 4-7 所示。常溫環境下透過四點彎矩疲勞實驗 觀察其 5 個負荷階(55%、60%、65%、70%、75%)下之鋁合金蜂巢夾層板破壞型式中 發現，當負荷階為 55%時發現其破壞型式為蜂巢與夾層板之間的脫膠(圖 4-3)，其餘 在負荷階為 60%、65%、70%及 75%時，破壞型式為均為面板彎曲破壞與蜂巢結構之 塌陷(圖 4-5、圖 4-6、圖 4-7)。
4-3 鋁合金蜂巢夾層板承受疲勞後之殘餘強度實驗結果
本實驗係利用基本疲勞實驗中對應四個疲勞壽命週次(10 萬、25 萬、35 萬、50 萬)之負荷階進行疲勞實驗，取其四個疲勞壽命週次比，分別為 0.2、0.4、0.6、0.8 作 為疲勞實驗停止之依據，接著對試片進行靜態實驗至破壞為止，以觀察試片殘餘強度 隨負荷週次變化之情形。最後將實驗後之試片進行破壞型式之觀察，進而瞭解在不同 應力階與週次比下殘餘強度與鋁合金蜂巢夾層板破壞變化之情形。
實驗結果分別列於表 4-4，與圖 4-8 至圖 4-15，由圖中對應四個不同疲勞壽命(10 萬、25 萬、35 萬、50 萬.)，在不同之負荷階下，承受固定週次後之殘餘強度至材料 發生疲勞破壞前的強度與未承受疲勞週次之試片比較的結果均無明顯下降情況，有些 甚至大於未承受疲勞週次試片之強度。從圖 4-16 至圖 4-20 殘餘強度與週次之關係圖 中可以了解試片在承受一定週次比的疲勞週次時，其殘餘強度實驗結果的平均值大致 與未承受疲勞週次之試片的平均值相差不遠。
鋁合金蜂巢夾層板承受殘餘強度實驗破壞後所產生的主要破壞型式為面板凹陷 破壞與蜂巢結構之塌陷，如圖 4-21，有極少數為脫膠的破壞型態，如圖 4-22，多數 的試片都是以面板壓痕為破壞型態，其包含在所有的週次中都有發生，有極少數的試 片會發生脫膠現象原因則是可能鋁合金蜂巢夾層板在製作過程中黏著劑強度不足所 造成，才產生的脫膠破壞現象發生。
4-4 鋁合金蜂巢夾層板承受疲勞後之殘餘勁度實驗結果
勁度為物體承受負荷時，抵抗變形的能力。由圖4-23至圖4-27顯示鋁合金蜂巢夾 層板試片殘餘勁度值並未隨著不同的週次比改變而一定增加或減少。亦可從中比較發 現，當實驗中使用不同的週次比時，其鋁合金蜂巢夾層板試片勁度值與未經過疲勞週 次的試片比較時只有在週次比＝0.2時些許的下降趨勢，在之後週次的改變並沒有隨 疲勞週次的增加而下降。
表 4-1 室溫下鋁合金蜂巢夾層板之四點彎矩靜態強度[23]
極限負載 Fult (N) 平均極限負載 Fult (N) 4188.87
4463.55 4345.83 4385.07
表 4-2 鋁合金蜂巢夾層板基本疲勞實驗結果[23]
負荷階；
Fmax / Fult
75% 70% 65% 60% 55% 50%
疲勞壽命；
Nf (Cycles)
51013 52408 42470
91447 103687
87530
124679 145819 165310
316632 301515 224356
636892 524171 412575
>1000000
>1000000
>1000000
平均疲勞壽命；
Nf (Cycles) 48630 88835 145266 279834 524546 >1000000
表 4-3 常溫環境下鋁合金蜂巢夾層板之疲勞壽命曲線材料參數[23]
材料常數 25℃
a 6620.141
b -0.1296
表 4-4 常溫環境下鋁合金蜂巢夾層板四點彎距靜態殘餘強度實驗數據 負荷階 週次比 殘餘強度 平均殘餘強度
n /N Fres, (N) Fres,avg (N)
Fmax = 1208.99 N Nf = 500000 cycles
0.2 4463.570 4208.461 4363.616 4345.215 0.4 4425.562 4394.046 4370.227 4396.633 0.6 4222.842 4406.328 4127.881 4252.351 0.8 4156.242 4507.870 4364.763 4342.959
Fmax = 1266.18 N Nf = 350000 cycles
0.2 4350.549 4213.375 4286.842 4283.589 0.4 4238.293 4305.531 4312.172 4285.332 0.6 4299.389 3938.323 4202.261 3768.933 0.8 4059.888 4407.535 4521.861 4329.761
Fmax = 1322.60 N Nf = 250000 cycles
0.2 4294.043 4429.048 4411.243 4378.111 0.4 4448.060 4376.525 4363.596 4396.060 0.6 4182.474 4443.106 4039.209 4221.596 0.8 4597.339 4144.921 4058.888 4267.049
Fmax = 1489.33 N Nf = 100000 cycles
0.2 4165.905 4250.261 4184.083 4200.083 0.4 4020.089 4133.571 4276.817 3685.571 0.6 4038.404 4119.297 4214.680 4124.127 0.8 4157.272 4185.643 4083.530 4142.148
圖 4-1 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下靜態實驗之破壞型式[23]
1x105 1x106
Cycles to Failure; N
f(Cycles)
1000
Ma ximum Lo ad ; F
max(N)
Fmax(N) = 6620.141.Nf-0.129 2000
圖 4-2 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下之負荷-壽命曲線圖[23]
圖 4-3 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下負荷階 55%疲勞實驗之破壞型式[23]
圖 4-4 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下負荷階 60%疲勞實驗之破壞型式[23]
圖 4-5 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下負荷階 65%疲勞實驗之破壞型式[23]
圖 4-6 鋁合金蜂巢夾層板常溫環境下負荷階 70%疲勞實驗之破壞型式[23]
圖 4-7 鋁合金蜂巢板夾層常溫環境下負荷階 75%疲勞實驗之破壞型式[23]
0 1 2 3 4
Displacement; δ (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
Fmax = 1489.33 N Nf = 100000 Cycles
n/N=0.2 n/N=0.4 n/N=0.6 n/N=0.8
圖 4-8 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1322.60 N 之疲勞負荷下殘餘強度之負 載-位移曲線圖
0 1 2 3 4
Displacement; δ (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
Fmax = 1322.60 N Nf =250000 Cycles
n/N =0.2 n/N =0.4 n/N =0.6 n/N =0.8
圖 4-9 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1322.60 N 之疲勞負荷下殘餘強度之負 載-位移曲線圖
0 1 2 3 4
Displacement; δ (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
Fmax = 1266.18 N Nf = 350000 Cycles
n/N =0.2 n/N =0.4 n/N =0.6 n/N =0.8
圖 4-10 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1266.18 N 之疲勞負荷下殘餘強度之 負載-位移曲線圖
0 1 2 3 4
Displacement; δ (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
Fmax = 1208.99 N Nf = 500000 Cycles
n/N =0.2 n/N =0.4 n/N =0.6 n/N =0.8
圖 4-11 鋁合金蜂巢夾層板在最大負荷 Fmax =1208.99 N 之疲勞負荷下殘餘強度之 負載-位移曲線圖
0 1 2 3 4
Displacement; δ (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
n/N =0.2
Fmax=4165.904N, Nf =100000 Cycles Fmax=4294.043N, Nf =250000 Cycles Fmax=4346.693N, Nf =350000 Cycles Fmax=4463.569N, Nf =500000 Cycles
圖 4-12 週次比=0.2 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移曲線圖
0 1 2 3 4
Displacement; δ ( mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
n/N =0.4
Fmax=4020.088N, Nf =100000 Cycles Fmax=4448.060N, Nf =250000 Cycles Fmax=4319.068N, Nf =350000 Cycle Fmax=4370.227N, Nf =500000 Cycles
圖 4-13 週次比=0.4 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移曲線圖
0 1 2 3 4
Displacement; δ (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
n/N =0.6
Fmax=4214.680N, Nf =100000 Cycles Fmax=4443.105N, Nf =250000 Cycles Fmax=3938.322N, Nf =350000 Cycles Fmax=4143.145N, Nf =500000 Cycles
圖 4-14 週次比=0.6 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移曲線圖
0 1 2 3 4
Displacement; δ (mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Load; F (N)
n/N=0.8
Fmax=4119.297N, Nf =100000 Cycles Fmax=4058.887N, Nf =250000 Cycles Fmax=4521.860N, Nf =350000 Cycles Fmax=4507.871N, Nf =500000 Cycles
圖 4-15 週次比=0.8 之鋁合金蜂巢夾層板之負載-位移曲線圖
Cycle Ratio, n/N 0
2000 4000 6000
Residual Strength; F res, (N)
Fmax = 1489.33 N, Nf = 100000 Cycles
0 4
0.2 0.4 0.6 0.8 0
圖 4-16 在基本壽命 10 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖
Cycle Ratio, n/N 0
2000 4000 6000
Residual Strength; F res, (N)
Fmax = 1322.60 N, Nf = 250000 Cycles
0 4
0.2 0.4 0.6 0.8 0
圖 4-17 在基本壽命 25 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖
Cycle Ratio, n/N 0
2000 4000 6000
Residual Strength; F res, (N)
Fmax = 1266.18 N, Nf = 350000 Cycles
0 4
0.2 0.4 0.6 0.8 0
圖 4-18 在基本壽命 35 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖
Cycle Ratio, n/N 0
2000 4000 6000
Residual Strength; F res, (N)
Fmax = 1208.99 N, Nf = 500000 Cycles
0 4
0.2 0.4 0.6 0.8 0
圖 4-19 在基本壽命 50 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之關係圖
Cycle Ratio, n/N 0
2000 4000 6000
Residual Strength; F res, (N)
Fmax=1208.99N, Nf =500000 Cycles Fmax=1266.18N, Nf =350000 Cycles Fmax=1322.60N, Nf =250000 Cycles Fmax=1489.33N, Nf =100000 Cycles
0 4
0.2 0.4 0.6 0.8 0
圖 4-20 鋁合金蜂巢夾層板殘餘強度與週次比之比較圖
圖 4-21 鋁合金蜂巢夾層板承受靜態殘餘強度實驗之態破壞型式
圖 4-22 鋁合金蜂巢夾層板承受靜態殘餘強度實驗之態破壞型式-脫膠
Cycle Ratio,n/N
0 2000 4000 6000
Re sidu al St if fn ess, F /S (N /mm)
Fmax =1489.33N, Nf =100000 Cycles
0 0.2 0.4 0.6 0.8
圖 4-23 在基本壽命 10 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖
Cycle Ratio,n/N
0 2000 4000 6000
Residual Stiffness, F /S (N /mm)
Fmax =1322.60N, Nf =250000 Cycles
0 0.2 0.4 0.6 0.8
圖 4-24 在基本壽命 25 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖
Cycle Ratio,n/N
0 2000 4000 6000
Residua l Stiffness, F/S (N/mm)
Fmax =1266.18N, Nf =350000 Cycles
0 0.2 0.4 0.6 0.8
圖 4-25 在基本壽命 35 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖
Cycle Ratio,n/N
0 2000 4000 6000
Re sidual Sti ff nes s , F /S (N /mm)
Fmax =1208.99N, Nf =500000 Cycles
0 0.2 0.4 0.6 0.8
圖 4-26 在基本壽命 50 萬週次下鋁合金蜂巢夾層板之殘餘勁度與週次比之關係圖
Cycle Ratio,n/N
0 2000 4000 6000
Residual Sti ff nes s , F /S (N /mm)
Fmax =1489.33N, Nf =100000 Cycles Fmax =1322.60N, Nf =250000 Cycles Fmax =1266.18N, Nf =350000 Cycles Fmax =1208.99N, Nf =500000 Cycles
0 0.2 0.4 0.6 0.8
圖 4-27 鋁合金蜂巢夾層板在各週次之殘餘勁度與週次比之比較圖
第五章 結論
本文主要探討鋁合金蜂巢夾層板經週次彎距負荷下殘餘機械性質實驗後依據所 得的數值趨勢找出鋁合金蜂巢夾層板機械性質的相關性，以下本研究之結論。
1. 在本研究中鋁合金蜂巢夾層板經四點彎距所造成的破壞而取得的殘餘強度數 據中，可以看出其結果與 G. Belingardi 等[20]的實驗結論相比較，其結果是相近 的。鋁合金蜂巢夾層板的殘餘強度並沒有隨著疲勞的過程時間的長短而有所改變。
2. 鋁合金蜂巢夾層板再經過疲勞過程後的損傷程度在殘餘強度對此種巨觀的材料性 質無法有效的定義。
3. 由實驗結果發現在常溫環境下鋁合金蜂巢夾層板在受到靜態彎矩負載時，破壞型 式皆為面板的凹陷破壞為主。
4. 由靜態殘餘強度實驗結果可發現，本研究中對象之蜂巢結構其破壞形式均為蜂巢 及面板間的蜂巢挫屈及面板的凹陷破壞，而主要的破壞皆由板面處之凹陷破壞。
5. 鋁合金蜂巢夾層板經疲勞負荷後之殘餘強度實驗，實驗結果發現其強度並未因此 而改變，由此結果可以說明鋁合金蜂巢夾層板在未受破壞前可以有效的吸收負載 能量。
6. 鋁合金蜂巢夾層板經疲勞負荷後之殘餘強度實驗，依實驗數據所計算出之殘餘勁 度值比較其結果趨勢並無明顯改變。
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