[參見申請人期刊Applied Mathematical Modeling 2018]
有關承受點熱源作用下之多數異質問題在已知文獻中很少出現,主 要原因在於處理點熱源接近界面時會 發生數值不易收斂現象。本研究將分別處理 差排函數位於異質與界面上,利用總合力積分法巧妙避開因奇異點所造成非連續行 為。基於解析連續與交替技巧並利用保角轉換技巧,可解得含點熱源之多數異質熱 彈性問題之快速收斂級數解。
[參見申請人期刊 Bone & Joint Research 2020]
鎖定式骨板已廣泛地應用於股骨骨折,但鎖定螺絲仍常有破壞 情形發生,特別是遠端骨折。本研究分別採用理論分析與生物力學測試來探討骨板 與皮質骨接觸對骨板應力之影響,經研究結果發現骨板與皮質骨在無接觸情形下之 螺絲應力遠超過骨板與皮質骨在接觸情形下之螺絲應力,且其局部應力大小與骨折 位置、鎖定螺絲間之相對距離有關,此結果與實驗所得完全一致。
[參見申請人期刊International Journal of Applied Mechanics 2021]
含裂紋之多邊形塗層孔洞問題在已知文獻中很 少出現,主要原因在於處理裂紋接近界面時會發生數值不易收斂現象。多邊形塗層 孔洞包括三角形、四角形以及非均勻厚度塗層孔洞。藉由保角轉換技巧,可將以上不 同多邊形塗層孔洞映射至形狀為同心圓塗層孔洞。基於解析連續與交替技巧並利用 保角轉換技巧,可解得含裂紋之多邊形塗層孔洞問題之快速收斂級數解。藉由已推 導格林函數之積分表示式及裂紋表面邊界條件,可進一步求得裂紋端點之應力強度 因子。
[參見申請人期刊Ceramics International 2022]
近年來TBC (Thermal barrier coating)技術受到廣泛重視,已被廣泛應用於燃 氣輪機及航空發動機葉片之防護作用。TBC服役過程受到機械負載,環境負載及高 溫氣流作用下,同時各材料組件間的熱失配,黏結層高溫氧化等造成塗層內部和介 面處之裂紋引發,最終導致塗層剝落。一般薄膜/基底結構中,薄膜與基底具有不同 的熱膨脹係數,在熱循環載荷作用下薄膜結構常處於拉伸或壓縮力狀態,繼而造成 表面裂紋及介面裂紋。本研究所建立之數學模式可解釋塗層破壞機制並建立可靠的 疲勞壽命預測。
[參見申請人期刊Materials and Design 2023]
本研究藉由實驗與模擬方式探討微觀結構下變態誘發塑性鋼(TRIP steel)複合材料的變形與破壞分析。變態誘發塑性鋼複合材料包含了變態致塑鋼之沃 斯田鐵基材以及氧化鎂部分穩定氧化鋯(Mg-PSZ)陶瓷材。為了提高基材的機械性能和 相變化比率,研究人員將陶瓷材料混合進變態誘發塑性鋼中,形成了變態誘發塑性鋼 複合材料。通過陶瓷材料受力時的應力誘導相變化(tetragonal-to-monoclinic transformation)與體積膨脹,從而增加基材的相變化(austenite-to-martensite),提高材 料的延展性(elongation)與流動應力(flow stress)。此複合材料充分展現在外力作用下 導致相變化發生而產生轉變韌化的優勢。
脛骨螺絲在臨床應用時會有破斷或鬆脫的問題,本研究建立三維非線性有限元素模型來模擬螺絲破斷與鬆脫,以多變數回歸分析建立目標函數,最後以遺傳演算法搜尋最佳的脛骨螺絲設計,本研究之最佳化結果已改進市售產品設計不佳的問題。
在鋼材製造過程中的熱處理製程和拉伸負載 條件下,鋼材中將產生被氧化鐵層包圍所形成的任意形狀裂縫,如下圖所示。然而, 鋼材中裂縫與周圍氧化鐵層之間相互作用影響尚未被詳細討論。實際上了解任意形 狀的裂縫在剪切應力條件下與含裂紋基材中的氧化物層相互作用時所產生的失效演 變乃是刻不容緩的重要課題。本研究解決多邊形孔洞和任意形狀裂縫交互作用下之 應力集中現象。在本研究中之基材考慮Fe2O3、Al2O3、ZrO2、MgO 等材料含多邊形孔洞 與任意形狀裂縫之交互作用。本研究之結果將有助於提升鋼材製程中之良率。
鎖定式骨板最弱處與骨折位置相關,骨幹 骨折由於高彎矩環境,在力學試驗與數值模型中皆測得最高的應力應變,選用骨板進 行治療手段需特別謹慎;骨板治療是踝上骨折最適合的選擇,但較薄弱的幾何處需進 行改善以增加使用壽命;較長的工作長度在特定邊界條件選擇下可降低骨板上的應 變並增加骨折間隙處的軸向運動,刺激骨痂生長。本研究之結果將可提供外科醫師臨 床手術之成功率,並增加病人於術後之骨折癒合率。
熱障塗層目前廣泛使用在飛機的引擎和葉片當中,目 的是提供隔熱屏障讓飛機葉片或是引擎在發動時不會因為溫度過高導致破壞。在實驗 中發現加入熱障塗層的飛機,在經過包括起飛、空中飛行及降落的循環,共可以工作 30000小時。熱障塗層的結構包括兩層陶瓷材料和兩層金屬材料,從最外層到最內層分 別為TC (Top coat)、BC (Bond coat)、熱氧化層(thermally-grown oxide)和基板 (Substrate)。 透過本研究之數值模擬結果可以大幅提高飛機在高空中飛行的壽命。
本研究主要探討含有5%陶瓷材料的變態誘發塑 性鋼複合材料。為了瞭解影響材料壽命的因素,本研究透過同步掃描式電子顯微鏡與 拉伸試驗(In-situ SEM tensile test)和內聚力(Cohesive zone model)的數學模型探討 材料受到強化材影響與其介面破壞下變形與應力分析。同時基於數位影像相關性與影 像辨識法可以量化探討微結構的局部變形與破壞演變過程。最終,藉由質化與量化方 法討論出模擬與實驗相似關係。本研究結果可解釋強化材周圍從初始單一應力集中到 破壞後的多個應力集中的演化,並且可以成功提升含多數異質塑性鋼複合材料之疲勞 壽命與強度。