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Physics · real student question

積層板由五層單向玻璃纖維(縱向勁度各 106 GPa)以 0/+45/90/−45/0 疊成。用 Hart-Smith 10% 法則求積層板勁度(取到小數點後一位)。

Question

一片複合材料積層板由五層單向玻璃纖維製成,每層的縱向勁度為 E11=106E_{11}=106 GPa。疊層順序是 0/+45/90/−45/00/+45/90/-45/0。

請用 Hart-Smith 10%10\% 法則計算整片積層板的勁度,取到小數點後一位。

Step-by-step solution

  1. 先把法則講清楚。 Hart-Smith 10%10\% 法則是一個快速的設計估算:與載重方向對齊的鋪層貢獻完整的 E11E_{11},而任何離軸鋪層——不論 +45∘+45^\circ、−45∘-45^\circ 還是 90∘90^\circ——都只貢獻 E11E_{11} 的 10%10\%。積層板的勁度就是每一層貢獻的平均。

  2. 數出各組的層數。 序列 0/+45/90/−45/00/+45/90/-45/0 中有

    2 層在 0∘,3 層離軸 (+45, 90, −45).2\ \text{層在 }0^\circ,\qquad 3\ \text{層離軸 }(+45,\ 90,\ -45).

  3. 先加上軸向鋪層的貢獻。

    2×106=212 GPa.2\times 106=212\ \text{GPa}.

  4. 再把離軸貢獻按每層一成加進來。

    3×0.10×106=3×10.6=31.8 GPa.3\times 0.10\times 106=3\times 10.6=31.8\ \text{GPa}.

    注意 90∘90^\circ 與 ±45∘\pm 45^\circ 被同等對待——這正是這條法則刻意做的簡化。

  5. 對全部五層取平均。

    E積層板=212+31.85=243.85=48.76 GPa≈48.8 GPa.E_{\text{積層板}}=\frac{212+31.8}{5}=\frac{243.8}{5}=48.76\ \text{GPa}\approx 48.8\ \text{GPa}.

  6. 用比例捷徑做合理性檢查。 有 40%40\% 的鋪層在軸上、60%60\% 離軸,

    E=106(0.40+0.10×0.60)=106(0.46)=48.76 GPa,E=106\left(0.40+0.10\times 0.60\right)=106(0.46)=48.76\ \text{GPa},

    得到同一個數字。結果低於 E11E_{11} 的一半,對於大多數鋪層並不指向載重方向的疊層而言,這正是預期的。

Answer

E積層板=2(106)+3(0.1)(106)5=48.76≈48.8 GPaE_{\text{積層板}}=\frac{2(106)+3(0.1)(106)}{5}=48.76\approx 48.8\ \text{GPa}

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