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研究生： 施佩文
Pei-wun Shih
論文名稱： 有限元素法研析擬脆材料受熱驅破壞之熱-固耦合
Finite Element Analysis of Heat Induced Damage in Quasi-brittle Materials Considering Coupled Thermal and Solid Mechanics
指導教授： 陳堯中
Yao-Chung Chen
口試委員: 陳立憲
Li-Hsien Chen
楊國鑫
Kuo-Shin Yang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2013
畢業學年度： 101
語文別： 中文
論文頁數： 132
中文關鍵詞： 熱驅破壞 、熱擴散係數 、升溫速率 、側壓係數 、熱-固耦合
外文關鍵詞： heat induced damage, thermal diffusivity, heating rate, lateral pressure coefficient, Coupled Thermal and Solid Mechanics
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    • 現今工程案例之熱效應事件相當受到矚目，如能資源開採、工程火害與核廢料封存等，本研究以有限元素法研析擬脆材料受熱驅破壞之熱-固耦合行為，分別由溫度場與應力場探討材料對於受熱後之破壞演化。
    藉由改變材料變數(遠-近域半徑比b/a與熱擴散係數)、熱驅變數(升溫速率)與環境變數(側壓係數)進行熱-固耦合之彈-塑性力學分析，研探材料受熱驅效應之破壞機制(How)及其發生時機(When)與位置(Where)，俾供工程實務之參佐。
    由熱驅破壞之溫度場結果顯示：擬脆性材料熱擴散係數與溫度分佈呈正相關；且升溫速率呈顯著負相關。
    再由熱驅破壞之應力場結果顯示：於遠-近域半徑比(b/a)達50時為不受尺寸效應之最小臨界值，當破壞溫度達450℃時其破壞主控模式由拉力破壞轉換至壓力破壞；擬脆性材料之熱擴散係數與熱應力場呈負關係；升溫速率與張力破壞發生時機呈正關係；同時，塑性破壞區隨側壓係數之增加亦有增加之趨勢。

    現今工程案例之熱效應事件相當受到矚目，如能資源開採、工程火害與核廢料封存等，本研究以有限元素法研析擬脆材料受熱驅破壞之熱-固耦合行為，分別由溫度場與應力場探討材料對於受熱後之破壞演化。
    藉由改變材料變數(遠-近域半徑比b/a與熱擴散係數)、熱驅變數(升溫速率)與環境變數(側壓係數)進行熱-固耦合之彈-塑性力學分析，研探材料受熱驅效應之破壞機制(How)及其發生時機(When)與位置(Where)，俾供工程實務之參佐。
    由熱驅破壞之溫度場結果顯示：擬脆性材料熱擴散係數與溫度分佈呈正相關；且升溫速率呈顯著負相關。
    再由熱驅破壞之應力場結果顯示：於遠-近域半徑比(b/a)達50時為不受尺寸效應之最小臨界值，當破壞溫度達450℃時其破壞主控模式由拉力破壞轉換至壓力破壞；擬脆性材料之熱擴散係數與熱應力場呈負關係；升溫速率與張力破壞發生時機呈正關係；同時，塑性破壞區隨側壓係數之增加亦有增加之趨勢。

    目 錄 致謝 III 論 文 摘 要 V 目 錄 VII 圖目錄 IX 表目錄 XI 符號對照表 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法與範圍 4 1.3 流程與內容 6 第二章 文獻回顧 8 2.1 熱驅行為特徵之理論發展 8 2.1.1 水泥砂漿之熱學性質 8 2.1.2 水泥砂漿高溫後之性質變化 15 2.2 熱-固耦合之數值模擬 20 2.2.1 熱傳導理論 20 2.2.2 ABAQUS熱傳導與應力分析之運算邏輯 21 2.3 熱-固耦合文獻蒐彙 24 2.3.1 熱-固耦合之數值模擬 24 2.3.2 熱-固耦合之實驗 26 2.3.2 熱-固耦合之理論 28 第三章 熱-固耦合數值分析 29 3.1 物理場描述與其變數之探討 29 3.2 ABAQUS數值模型建構與分析步驟 34 3.2.1 模組生成與遠-近域半徑比 35 3.2.2 材料參數 37 3.2.3 分析種類與輸出變數 42 3.2.4 邊界條件設定 43 3.2.5 選用元素與劃分網格 43 3.3 彈-塑性理論解比對 46 3.3.1 熱彈性應力比對 46 3.3.2 彈-塑性內孔壓應力比對 49 第四章 模擬結果與討論 53 4.1 熱驅破壞之溫度場 55 4.1.1 溫度分佈 55 4.1.2 相變破壞 66 4.2 熱驅破壞之應力場 73 4.2.1 應力分佈 73 4.2.2 塑性破壞 92 第五章 結論與建議 105 5.1 結論 105 5.1.1 熱驅破壞溫度場 105 5.1.2 熱驅破壞應力場 107 5.2 建議 110 參考文獻 113

    參考文獻
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    6. 陳姿菁，「水泥漿及水泥砂漿受火害所造成為裂縫之研究」，碩士論文，國立成功大學土木工程(2006)
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