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2017/11/9

材料性質:楊氏係數

在這裡不會去仔細介紹楊氏係數、蒲松氏比跟密度的詳細定義,
主要是說明這些值在 Inventor 應力分析中的用法。

楊氏係數:Young's modulus,經常又稱為楊氏模數、楊氏模量、彈性係數、彈性模量...
在台灣跟大部分國家地區慣用的主要單位是 GPa (1x10N / m2),
通常楊氏係數會以英文字母符號 "E" 來表示。

揚氏係數通常會以拉伸實驗來取得,
拉伸實驗結果的圖表說明:
橫軸為應變,以量測到的兩監測點距離變化(位移量)除以量測長度,稱為工程應變。
縱軸為應力,以Load Cell量測到力量除以材料樣品的斷面積,稱為工程應力。
可以得到典型的鋼材應力與應變關係圖形如下:

圖片來源:d&t Online
楊氏係數就是直線段線條的斜率。
如果是非直線段的斜率通常會稱為彈性係數、彈性模量,而不會再稱為楊氏係數。

這個性質在 Inventor應力分析中很重要,
主要是用來計算變形量,
相對的會影響到多個約束條件上反作用力分布。

楊氏係數在 Inventor 應力分析中就是固定值,
就是上圖中應力從 0 開始直線段的斜率,直線斜率應該為固定值,
當彈性係數為固定值時,一般稱材料為"線性"行為。

實際上的材料在受力過程中彈性係數可能不是一個固定值,
例如材料受到比較大的作用力跟變形時,彈性係數也會改變,
例如像金屬材料的鐵、鋼在受到超過線性極限以上的力量作用時,
彈性係數通常會變小,甚至僅有原來使用的楊氏係數數值的1/10不到。
如上圖所示。

或者是橡膠類型的非線性材料,彈性係數就不是固定值;
非線性CAE軟體把橡膠材料的模擬歸類在Hyperelastic材料

不過對於非線性材料來說,基本上在不要發生太大變形的情況下,
使用 Inventor應力分析搭配固定的楊氏係數(線性材料)作模擬還是有一定的參考價值。

加上即使使用支援非線性材料的CAE軟體作模擬,
還是會面臨準確性的問題,畢竟真實的元件與材料不是那麼均勻跟完美,
所以既然在數值會有誤差,那還不如使用 Inventor應力分析很快得到趨勢參考,
再搭配實驗數值作修正來得快。

但是如果是比較大的變形量,那就會有元件中材料的彈性係數變化很大的問題要注意,
例如混合彈性與較大的塑性變形,連模擬結果趨勢都會有問題,
此時建議還是要使用支援非線性模擬的CAE軟體會比較好,至少趨勢上比較準。
註,非線性分析建議使用Abaqus、Marc等非線性功能較強的CAE軟體。

再來一個問題是每一種材料都需要正確的材料性質資料才能進行正確的模擬,
那如果使用包括 SS41(結構鋼,便宜、強度OK,現在改SS400,類似的有ASTM為A36,英國、中國各有不同編號...)、S45C、SPCC、SPGC、S60C、SUS304、SUS303、SUS316等等多種鋼材,
或者是多種鋁材,例如A6061、A6063、A5052、A2024、A7075、A6N01S等等多種鋁材與不同的時效處理該怎麼辦?
光是蒐集材質資料就是一個大工程!!!

實務上,機械材料性質的蒐集與建立確實是一個大工程,
甚至是某些公司的技術優勢項目,
例如像波音跟NASA就擁有驚人種類與數量的材料性質資料庫,
甚至同一支型號,不同生產廠商的材料間的微細差異資料都有。

如果設計時對結構分析的重點是放在變形量的預估跟趨勢判斷,
目的在於修改設計方向的確認與評估,
其實只要模擬數值上的差異只要不要大到超過一定比率,例如20%,
而且重點在於變形量,不是破壞的話,
有關變形量的模擬結果主要就是跟楊氏係數有關,
所以只要楊氏係數的值接近就可以了。

例如中碳鋼類,楊氏係數幾乎都在200~210 GPa,
即使混合有18%鎳鉻的不鏽鋼 SUS 304約193 GPA,其實差距都並不大,
像A6063跟A6N01兩種用在鋁擠出製造用的材料,其楊氏係數都是68.9GPa左右,
對多數的金屬材料而言,只要基本金屬成分是一樣的,楊氏係數的差異都不大,
各種改質的番號不同主要是反映在降伏與抗拉強度的不同,
而不是在楊氏係數上,可參考材料的降伏與抗拉強度

不過在合成塑膠就差異很大,尤其是一般商用塑膠跟工程用塑膠,
會因為混料加入的其他材料、製程上的影響而有不同,
這時候就要小心注意,例如聚乙烯 (PE),低密度PE、高密度HDPE、超高密度UHDPE,性質上的差異就很大。

至於一般有時我們會提到材料的軟硬,
意義上有兩種情況,
一種是像鑽石般很硬的材料,描述的是在硬度上的差異,跟降伏(破裂、抗拉)強度比較有關係。
一種是鋼比塑膠硬,描述的是同樣受力的變形量不同,這種的描述跟楊氏係數有關;塑膠比較軟,在發生永久變形前可以允許較大的變形量。
至於一般量測到的表面硬度跟楊氏係數的關係反而比不上跟降伏強度的關係來得密切,可參考材料的硬度與機械性質

相關材料的性質資料可以從 www.matweb.com 找找看。
另外一個資料來源可以找歐美日的材料供應大廠網站,有的甚至會有拉伸實驗的資料。

幾個相關資料:
蒲松比 Poisson' Ratio
材料的降伏與抗拉強度
材料硬度與降伏強度的關係
脆性材料的破壞與強度測試
其他材料性質
機械設備常用材料
工程塑膠
鋁合金
Secant Modulus


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