国立勤益技术学院cae实验室讲义

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1、【國立勤益技術學院CAE實驗室】講義《模流分析基礎入門》　　謝慶雄博士編著@版權所有允許下載、複製、列印，但禁止販售或用於商業用途http://www.quarx.com.tw/第五章材料性質與塑件設計5-1材料性質與塑件設計　　塑膠材料的多樣性使得塑膠射出成形比金屬成形更具有設計的自由度。然而，塑件的機械性質受到負荷種類、負荷速率、施加負荷期間長短、施加負荷的頻率、以及使用環境溫度變化與溼度變化等因素的影響，所以設計者必須將這些使用條件列入考慮。5-1-1應力--應變行為　　　　　　　　　　材料的應力--應變行為決定其強度或勁度。影響材料強度的因素包括塑件的幾何形狀、負荷

2、、拘束條件、成形製程導致的殘留應力和配向性。根據施加在塑件的負荷或拘束條件的不同，必須考慮不同種類的強度性質，包括拉伸強度、壓縮強度、扭曲強度、撓曲強度和剪變強度等。設計塑件時，應該根據塑件承受的主要負荷來決定材料相關的強度。將其使用環境溫度及應變率下的主要負荷所相關的應力應變行為列為重要考慮。然而，由於拉伸試驗以外的其他測試程序先天上都有準確性的問題，使得塑膠材料往往只提供短期的拉伸試驗(tensiletest)結果。讀者如果有其他負荷狀態的應用，應參閱相關的文獻資料。圖5-1說明拉伸試驗棒和預設固定負荷下的變形量，其中，應力(σ)與應變(ε)的定義為：圖5-1(a)拉伸

3、實驗棒截面面積A，原始長度L0；(b)於固定負荷下拉長至長度L。　　圖5-2熱塑性塑膠的應力—應變曲線，可以獲得楊氏模數、比例極限，彈性極限、降伏點、延展性、破壞強度和破壞之伸長量等材料性質。圖5-2典型熱塑性塑膠的應力—應變曲線圖　　楊氏模數是應力—應變曲線起始直線部份的斜率。定義為：楊氏模數經常被用作材料強度指標。楊氏模數實際上是材料剛性(rigidity)的指標，它可以應用於工程上簡化的線性運算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。　　比例極限是圖5-3上的P點，曲線從這點開始偏離其線性行為。彈性極限是圖5-3的I點，它是材料承受應變而仍能夠回復原形的最大限度。

4、假如應變量超過彈性極限，並且繼續增加，則材料可能發生拉伸現象而無法回復原形，或者可能發生破壞，如圖5-2所示。圖5-3局部之應力—應變曲線，其中，P點是比例極限，經常用作設計上的應變限度。I點是彈性極限。　　圖5-4顯示相同基底樹脂材料的兩種熱塑性複合物之應力—應變曲線，其中一者添加了30%玻纖，另一者無填充料。玻纖填充料使得塑料的破壞強度、降伏應力、比例極限應力及楊氏模數都明顯地提昇，並且承受較低的應變量就產生破壞。無填充料的熱塑性塑膠在降伏點以上產生拉伸現象，使應力減小。拉伸造成剖面面積的縮小量可以根據蒲松比計算。　　負荷速率（或應變率）及溫度對於塑膠的應力應變行為有很

5、大的影響。圖5-5是半結晶塑膠受負荷速度及溫度影響時之拉伸實驗應力—應變曲線。通常，在高負荷速率和低溫條件時，塑膠材料顯得剛且脆；低負荷速和高溫條件時，受到其黏滯性的影響，塑膠材料較具有撓性和延展性。從圖5-5可以觀察到，高負荷速率使得材料的破壞應力和降伏應力大幅提高。然而，提高溫度會使得破壞應力和降伏應力降低。圖5-4添加30%玻纖與無添加物之熱塑性樹脂的應力應變曲線圖5-5負荷速率與溫度對於典型聚合物之應力—應變圖的影響　　加熱半結晶性塑膠使之通過玻璃轉移溫度（Tg），則負荷速度、溫度等相關的效應更加明顯，結果導致塑料產生全然不同的運動行為。不定形塑膠通過軟化區後呈現黏

6、性流。5-1-2潛變與應力鬆弛　　設計承受長期負荷的塑件時，應非常注意潛變效應及應力鬆弛。不論所施加負荷的大小，只要持續地施加一定量負荷在塑膠材料上，塑膠材料就會連續地變形，這種長期間、永久性的變形稱為潛變(creep)，如圖5-6所示。圖5-6典型的潛變曲線，其潛變量根據負荷及時間而變化。　　要設計承受長期負荷的塑件，必須使用潛變數據以確保塑件不會在壽命週期內產生破壞、產生降伏、裂縫或是過量的變形。雖然大多數塑料擁有在相當時間內、特定應力及溫度條件下的潛變數據，但是每個塑件設計仍需對其特定的負荷與使用條件來調整設計值。由於要針對各別設計塑件進行長期間的試驗並不可行，而且塑

7、件將來使用期間的應力與環境條件不容易進行長期間的預測，所以，往往必須從較短的潛變試驗數據執行內插和外插。通常，工程師使用樹脂供應商提供的潛變資料庫獲得應變相對於時間之數據，再進行內插和外插，以獲得同一時間之應力—應變非線性曲線，如圖5-7。這些曲線將取代短期的應力—應變曲線，應用於長期靜負荷之塑性設計。圖5-7在固定應變下，應力隨著經歷時間而遞減的情形。　　潛變模數(creepmodulus,Ec)可以應用於固定應力或應力鬆弛計算。潛變模數與時間、溫度有關係，它與固定應力(σ)以及隨時間、溫度變化的應變ε(t,T)