TW201425929A - 彎曲應力的測試方法及其測試裝置 - Google Patents

Abstract

一種彎曲應力的測試方法，其包括下列步驟。首先，建立一待測結構的一應力分布數值模型。接著，提供待測結構的一測試樣品，並且對測試樣品的兩端施力使其彎曲，直至測試樣品斷裂於一斷裂點為止，以獲取測試樣品斷裂時的兩端之間的一第一距離以及斷裂點至兩端中較近一端的一第二距離。之後，依據第一距離或第二距離分別獲得在測試樣品斷裂時的應力分布數值模型上的一最大主應力值或應力分布數值模型於斷裂點上的一斷裂點主應力值。此外，適用於上述之彎曲應力的測試方法之測試裝置亦被提出。

Description

彎曲應力的測試方法及其測試裝置

本發明是有關於一種測試方法及測試裝置，且特別是有關於一種彎曲應力的測試方法及其測試裝置。

近年來，隨著電子技術的日新月異，高科技電子產業的相繼問世，使得更人性化、功能更佳的電子產品不斷地推陳出新，並朝向輕、薄、短、小的趨勢設計。於習知技術中，將基板薄化是一種能使電子裝置的重量與厚度減小的方法。然而，薄化後之基板的彎曲強度會減弱，進而降低基板的結構強度。

此外，習知的基板係藉由切割而形成所需的大小。然而，基板一般包括玻璃、矽基板、陶瓷等脆性材料，其在被切割時，斷面易產生缺陷。若基板切割斷面存在傷痕、裂痕或者異物等的微小缺陷，則當基板彎曲時，會在缺陷附近產生應力集中的問題，從而導致基板破損。因此，需透過定量的量測以求得具有切割缺陷之基板的彎曲應力強度，並據以判斷出基板在製造過程中或其成品的結構是否安全。

本發明提供一種彎曲應力的測試方法，其可藉由簡易、快速、有效的方式來測試材料的彎曲應力，以得到精 確的測試結果。

本發明提供一種彎曲應力的測試裝置，適用於前述測試方法。

本發明之彎曲應力的測試方法包括下列步驟。首先，建立一待測結構的一應力分布數值模型。接著，提供待測結構的一測試樣品，並且對測試樣品的兩端施力使其彎曲，直至測試樣品斷裂於一斷裂點為止，以獲取測試樣品斷裂時的兩端之間的一第一距離以及斷裂點至兩端中較近一端的一第二距離。之後，依據第一距離或第二距離分別獲得在測試樣品斷裂時的應力分布數值模型上的一最大主應力值或應力分布數值模型於斷裂點上的一斷裂點主應力值。

本發明之彎曲應力的測試裝置，適於對一測試樣品進行一彎曲應力的測試。此測試裝置包括兩治具以及一傳動單元。兩治具相對設置，且適於沿一軸向相對移動。兩治具分別具有一承載部，用以抵靠測試樣品的兩端，以對測試樣品的兩端施力。傳動單元耦接兩治具，以帶動兩治具沿軸向相對移動而彎折測試樣品。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明之一實施例之一種彎曲應力的測試方法的流程示意圖。圖2是依照本發明之一實施例之有限 元素分析法的流程示意圖。請先參照圖1，本實施例之彎曲應力的測試方法適於對一待測結構進行測試，而待測結構的材料例如為脆性材料。本實施例之彎曲應力的測試方法包括下列步驟：首先，執行步驟S110，建立一待測結構的一應力分布數值模型。在本實施例中，建立應力分布數值模型的方法包括有限元素分析法(finite element analysis,FEA)。具體而言，有限元素分析法的步驟可如圖2之流程圖所示，首先，執行步驟S112，選擇待測結構之元素型態。在本實施例中，待測結構之元素型態設定為三維實體(3D solid)、板殼(shell)或二維元素(2D element)。接著，執行步驟S114，輸入待測結構之材料屬性，其中，待測結構的材料屬性包括待測結構之楊氏係數(Young’s modulus)及帕松比(poisson’s ratio)等。接著，執行步驟S116，建立待測結構之實體模型(solid model)。接著，再執行步驟S118，將待測結構之實體模型網格化(mesh)為有限數目個元素，以形成待測結構的應力分布數值模型。如此，透過有限元素分析法建立之待測結構的應力分布數值模型即大致完成。

圖3是依照本發明之一實施例之對測試樣品的兩端施力之示意圖。請同時參照圖1及圖3，本實施例接續執行步驟S120，意即提供待測結構的一測試樣品110，並且對測試樣品110的兩端112、114施力使其彎曲，直至測試樣品110斷裂於一斷裂點BP為止，以獲取測試樣品110斷裂時的兩端112、114之間的一第一距離D1或斷裂點BP至兩端112、114中較近一端(圖3繪示為端點114)的一 第二距離D2。在本實施例中，待測結構例如為一玻璃基板。具體而言，對測試樣品110的兩端112、114施力使其彎曲的方法例如為分別對測試樣品110的兩端112、114施加相向的一水平力F1，使兩端112、114相互靠近。在此，可以控制測試樣品110的兩端112、114的相對速率小於10毫米/分鐘(mm/min)，亦即，對測試樣品110的兩端112、114提供穩定的施力，使測試樣品110的兩端112、114的相對移動緩慢進行，以達到準靜態(quasi-statics)的測試條件。在本實施例中，測試樣品110的兩端112、114之相對速率小於或等於1毫米/分鐘(mm/min)。

圖4是依照本發明之一實施例之測試樣品應力分布模型之示意圖。請同時參照圖1、圖3及圖4，接續執行步驟S130，以依據步驟S120所獲取之第一距離D1或第二距離D2分別獲得在測試樣品110斷裂時，應力分布數值模型120上的一最大主應力值或應力分布數值模型120於斷裂點BP上的一斷裂點主應力值。具體而言，將測試樣品110斷裂時兩端112、114之間的第一距離D1代入測試樣品110應力分布模型，也就是在圖4所示之應力分布模型120中輸入測試樣品110的兩端112、114的位移量，以透過有限元素分析法獲得如圖4所示之待測結構之應力分布模型120之最大主應力值或其於斷裂點BP上的斷裂點主應力值。值得注意的是，若依據第一距離D1，也就是依據測試樣品110斷裂時兩端112、114之間的距離，來計算測試樣品110之最大主應力值，其操作與計算上較為簡便。當然，設計者亦可選擇獲取測試樣品110於斷裂點BP之主應力值。前者的結果較輕易獲得，而後者的結果則為較為精確。 設計者可依工程實務而自行應用及選擇。

接著，執行步驟S140，重複步驟S120至步驟S130，直至重複次數達到一預設樣品數，以獲得多個測試樣品的最大主應力值或斷裂點主應力值，再執行步驟S150，對獲得的最大主應力值或斷裂點主應力值進行統計分析。如此，即可推得上述之多個測試樣品的彎曲應力強度。舉例而言，若預設樣品數為30，則分別對30個測試樣品執行步驟S120至步驟S130。而獲得的30個測試樣品之第一距離D1、第二距離D2以及依據第一距離D1及第二距離D2分別獲得之最大主應力值及斷裂點主應力值詳列於下表1，其中，MS代表應力分布數值模型之最大主應力值，BS則代表應力分布數值模型在斷裂點之斷裂點主應力值。

之後，依據上述數據進行統計分析，例如分別計算出30個測試樣品之最大主應力值及斷裂點主應力值的平均值以及標準差(standard deviation)。其中，平均值可推知上述30個測試樣品其平均而言對抗彎曲應力的強度，而標準差則可推知上述30個測試樣品之最大主應力值及斷裂點主應力值的統計離散程度(statistical dispersion)。表1的數據經統計分析後所獲得之最大主應力值及斷裂點主應力值的平均值及標準差詳列於下表2。

如此，上述的應力數據即可用以推知待測結構本身之結構強度是否足以抵抗在製造過程中或成品應用中所承受之彎曲應力。也就是說，上述的應力數據可用以作為待測結構是否安全，或其在製造過程中以及成品應用中受破壞與否的判斷準則。

在本實施例中，測試樣品具有一測試長度，而決定測試長度的方法包括下列步驟：首先，執行一第一步驟，提供一預設長度的一長度評估樣品。接著，執行一第二步驟，也就是在與圖1之步驟S120相同的施力條件下對上述之長度評估樣品進行一預測試，使長度評估樣品彎曲，直至長度評估樣品斷裂，以獲取前述之長度評估樣品斷裂時其兩端之間的第一距離(例如為圖3所示之第一距離D1)。此時，若長度評估樣品斷裂時之第一距離與預設長度的比值實質上大於0.46，也就是說，第一距離實質上大於0.46 倍的預設長度，則以此時之預設長度作為測試長度。若長度評估樣品斷裂時之第一距離與預設長度的比值實質上小於或等於0.46，也就是說，第一距離實質上小於或等於0.46倍的預設長度，則重複上述之第一步驟至第二步驟至少一次，且在第一步驟中提供具有比前次更短的一預設長度的另一長度評估樣品，直至長度評估樣品斷裂時，第一距離與預設長度的比值實質上大於0.46為止。如此，即以此時的長度評估樣品之預設長度作為測試長度。

舉例來說，先提供一長度評估樣品，其預設長度為210毫米。接著，在與步驟S120相同的施力條件下對此長度評估樣品進行一預測試，以彎曲長度評估樣品直至長度評估樣品斷裂，以獲取前述之長度評估樣品斷裂時其兩端之間的第一距離。此時，若長度評估樣品斷裂時之第一距離實質上小於0.46倍的預設長度，也就是96.6毫米，則提供具有比前次210毫米(mm)長之長度評估樣品更短的一長度評估樣品，其預設長度例如為200毫米，並對此長度評估樣品執行上述之預測試，若此次長度評估樣品斷裂時之第一距離實質上大於0.46倍的預設長度，則預設長度200毫米即可作為本實施例之長度評估樣品的測試長度。若長度評估樣品斷裂時之第一距離實質上仍未大於0.46倍的預設長度，則再提供比200毫米長之長度評估樣品更短的一長度評估樣品繼續進行上述之預測試，直至長度評估樣品斷裂時之第一距離實質上大於0.46倍的預設長度為止，並以此次長度評估樣品之預設長度當做本實施例之 測試樣品的測試長度。

在本發明之另一實施例中，決定測試長度的方法更可例如為下列步驟：首先，執行上述之第一步驟，也就是提供一預設長度的一長度評估樣品。接著，執行上述之第二步驟，也就是在與圖1之步驟S120相同的施力條件下對上述之長度評估樣品進行一預測試，使長度評估樣品彎曲，直至長度評估樣品斷裂，以獲取前述之長度評估樣品斷裂時其兩端之間的第一距離。此時，執行一第三步驟，也就是若長度評估樣品斷裂時之第一距離與預設長度的比值實質上大於0.46，則以此時之預設長度作為一驗證長度。若長度評估樣品斷裂時之第一距離與預設長度的比值實質上小於或等於0.46，則重複上述之第一步驟至第二步驟至少一次，且在第一步驟中提供具有比前次更短的一預設長度的另一長度評估樣品，直至長度評估樣品斷裂時，第一距離與預設長度的比值實質上大於0.46為止，並且以此時的長度評估樣品的預設長度作為驗證長度。接著，重複上述第一步驟至第三步驟至少一次，以獲得多個不同的驗證長度，再依據上述不同的驗證長度來決定測試樣品的測試長度。

簡單而言，本實施例之決定測試長度的方法與前一實施例之方法相似，惟本實施例重複前一實施例之步驟至少一次，以獲得多個不同的驗證長度，再將上述具有不同的驗證長度之不同長度評估樣品的彎曲強度測試數據做比較，透過比較不同長度評估樣品的彎曲強度測試數據來決 定合宜的測試長度。就理論上來說，重複前一實施例之步驟所得到之不同驗證長度之不同長度評估樣品，其彎曲強度測試數據實質上應為一致，惟工程實務上為求謹慎，本實施例透過反覆驗證以決定更精確且合宜的測試長度。

在本實施例中，測試樣品的尺寸為200×20×0.1毫米，且係利用例如雷射等方式切割而得。用以切割至上述尺寸之測試樣品的紫外線(ultraviolet,UV)雷射，其功率例如為3瓦特(Watt)，光斑大小約為30微米(μm)，頻率約為40千赫(kHz)，且波長約為355奈米(nm)。但本實施例僅用以舉例說明，本發明並不限定測試樣品的尺寸、切割測試樣品的方法以及用以切割測試樣品之切割參數。

圖5是依照本發明之一實施例之彎曲應力的測試裝置之示意圖。在本實施例中，上述之彎曲應力的測試方法可例如透過圖5所示之彎曲應力的測試裝置200來執行。請參照圖5，本實施例之彎曲應力的測試裝置200包括兩治具210以及一傳動單元220。兩治具210相對設置，且適於沿一軸向A1相對移動。兩治具210分別具有一承載部216，用以抵靠測試樣品110的兩端，傳動單元220則耦接兩治具210，以帶動兩治具210沿軸向A1相對移動而彎折測試樣品110。傳動單元220例如為導螺桿、皮帶輪、齒輪齒條或繩索輪等。如此，即可如彎曲應力的測試方法的步驟S120所述之對測試樣品110的兩端進行施力，以彎折測試樣品110。在本實施例中，各治具210包括一本體 212以及一插銷214。插銷214插置於本體212表面，以形成具有L形斷面的承載部216，其中測試樣品110的兩端分別承靠於兩治具210的承載部216的L形斷面的轉角。如此，測試樣品110的兩端受力而彎曲時，治具210僅靠L形斷面的承載部216來支持測試樣品110，因而可減少測試樣品110尺寸過小時治具210夾持困難或是治具210易對測試樣品110的表面造成損傷的問題。此外，本實施例利用插銷214來支撐測試樣品110更可減少測試樣品110與治具210的接觸面積，進而降低了測試樣品110與治具210間之摩擦力，彎曲應力的測試精確度因此可被提高。

在本實施例中，彎曲應力的測試裝置200更可包括一驅動單元230、一感測單元240以及一控制單元250。驅動單元230耦接傳動單元220，以驅動傳動單元220沿軸向A1移動，以帶動兩治具210沿軸向A1相對移動。在本實施例中，驅動單元230例如為電動馬達、氣壓元件或油壓元件等。感測單元240則用以感測測試樣品110彎折至斷裂與否。在本實施例中，感測單元240可為聲音感測單元、視覺感測單元或光學感測單元等。也就是說，感測單元240可利用聲音、視覺或光學等方式來感測出測試樣品110的斷裂時間點。控制單元250耦接驅動單元230及感測單元240。當感測單元240感測到測試樣品110斷裂時，控制單元250控制驅動單元230停止作動，以停止驅動傳動單元220繼續沿軸向A1移動。

綜上所述，本發明透過對待測結構的測試樣品之兩端施力使其彎曲，直至測試樣品斷裂於一斷裂點，以獲取測試樣品斷裂時的兩端之間的第一距離或斷裂點至兩端中較近一端之第二距離。並依據第一距離以及第二距離代入待測結構之應力分布數值模型中以獲取應力分布模型上之最大主應力值或其於斷裂點上的斷裂點主應力值，即可推知待測結構對抗彎曲應力的強度，以作為待測結構是否安全，或其在製造過程中以及成品應用中是否會受到破壞的判斷準則。

此外，本發明更利用沿測試樣品之軸向相對移動的兩治具來對測試樣品的兩端進行施力。測試樣品的兩端分別承靠於兩治具的L形斷面承載部上而非由治具所夾持，因而可減少測試樣品尺寸過小時治具夾持困難或是治具易對測試樣品的表面造成損傷的問題。且本發明之L形斷面承載部係利用插銷插置於治具本體而形成，因此本發明僅靠插銷來支撐測試樣品，而減少測試樣品與治具的接觸面積，進而降低了測試樣品與治具間之摩擦力，彎曲應力的測試精確度因此可被提高。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧測試樣品

112、114‧‧‧兩端

120‧‧‧應力分布數值模型

200‧‧‧彎曲應力的測試裝置

210‧‧‧治具

212‧‧‧本體

214‧‧‧插銷

216‧‧‧承載部

220‧‧‧傳動單元

230‧‧‧驅動單元

240‧‧‧感測單元

250‧‧‧控制單元

A1‧‧‧軸向

BP‧‧‧斷裂點

D1‧‧‧第一距離

D2‧‧‧第二距離

F1‧‧‧水平力

圖1是依照本發明之一實施例之一種彎曲應力的測試方法的流程示意圖。

圖2是依照本發明之一實施例之有限元素分析法的流程示意圖。

圖3是依照本發明之一實施例之對測試樣品的兩端施力之示意圖。

圖4是依照本發明之一實施例之測試樣品應力分布模型之示意圖。

圖5是依照本發明之一實施例之彎曲應力的測試裝置之示意圖。

110‧‧‧測試樣品

200‧‧‧彎曲應力的測試裝置

210‧‧‧治具

212‧‧‧本體

214‧‧‧插銷

216‧‧‧承載部

220‧‧‧傳動單元

230‧‧‧驅動單元

240‧‧‧感測單元

250‧‧‧控制單元

A1‧‧‧軸向

Claims (16)

1. 一種彎曲應力的測試方法，包括：(a)建立一待測結構的一應力分布數值模型；(b)提供該待測結構的一測試樣品，並且對該測試樣品的兩端施力使其彎曲，直至該測試樣品斷裂於一斷裂點為止，以獲取該測試樣品斷裂時的該兩端之間的一第一距離或該斷裂點至該兩端中較近一端的一第二距離；以及(c)依據該第一距離或該第二距離分別獲得在該測試樣品斷裂時的該應力分布數值模型上的一最大主應力值(maximum principle stress value)或該應力分布數值模型於該斷裂點上的一斷裂點主應力值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲應力的測試方法，更包括：重複步驟(b)至步驟(c)，直至重複次數達到一預設樣品數，以獲得多個測試樣品的最大主應力值或斷裂點主應力值；以及統計分析該些最大主應力值或該些斷裂點主應力值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲應力的測試方法，其中建立該應力分布數值模型的方法包括有限元素分析法(finite element analysis，FEA)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲應力的測試方法，其中該測試樣品具有一測試長度，且決定該測試長度的方法包括：(d)提供一預設長度的一長度評估樣品； (e)在與步驟(b)相同的施力條件下對該長度評估樣品進行一預測試，使該長度評估樣品彎曲，直至該長度評估樣品斷裂為止，以獲取該長度評估樣品斷裂時的該兩端之間的該第一距離；以及(f)若該第一距離與該預設長度的比值實質上大於0.46，則以該預設長度作為該測試長度若該第一距離與該預設長度的比值實質上小於或等於0.46，則重複步驟(d)至步驟(e)至少一次，在步驟(d)中提供具有比前次更短的一預設長度的另一長度評估樣品，直至該長度評估樣品斷裂時，該第一距離與該預設長度的比值實質上大於0.46為止，並且以此時的該長度評估樣品的該預設長度作為該測試長度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲應力的測試方法，其中該測試樣品具有一測試長度，且決定該測試長度的方法包括：(d)提供一預設長度的一長度評估樣品；(e)在與步驟(b)相同的施力條件下對該長度評估樣品進行一預測試，使該長度評估樣品彎曲，直至該長度評估樣品斷裂為止，以獲取該長度評估樣品斷裂時的該兩端之間的該第一距離；(f)若該第一距離與該預設長度的比值實質上大於0.46，則以該預設長度作為一驗證長度，若該第一距離與該預設長度的比值實質上小於或等於0.46，則重複步驟(d)至步驟(e)至少一次，在步驟(d)中提供具有比前次更短的一 預設長度的另一長度評估樣品，直至該長度評估樣品斷裂時，該第一距離與該預設長度的比值實質上大於0.46為止，並且以此時的該長度評估樣品的該預設長度作為該驗證長度；(g)重複步驟(d)至步驟(f)至少一次，以獲得多個不同的驗證長度；以及(h)依據該些不同的驗證長度來決定該測試樣品的該測試長度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲應力的測試方法，其中對該測試樣品的該兩端施力的方法更包括：分別對該測試樣品的該兩端施加相向的一水平力，使該兩端相互靠近，並控制該測試樣品的該兩端的相對速率小於10毫米/分鐘(mm/min)。
7. 如申請專利範圍第6項所述之彎曲應力的測試方法，其中該測試樣品的該兩端的相對速率小於或等於1毫米/分鐘(mm/min)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中藉由一測試裝置來實現該步驟(b)，該測試裝置包括：兩治具，相對設置，且適於沿一軸向相對移動，該兩治具分別具有一承載部，用以抵靠該測試樣品的該兩端，以對該測試樣品的該兩端施力。
9. 如申請專利範圍第8項所述之彎曲應力的測試方法，其中各該治具包括：一本體；以及 一插銷，插置於該本體表面，以形成具有L形斷面的該承載部，其中該測試樣品的該兩端分別承靠於該兩治具的該承載部的L形斷面的轉角。
10. 如申請專利範圍第8項所述之彎曲應力的測試方法，其中該測試裝置更包括一傳動單元，耦接該兩治具，以帶動該兩治具沿該軸向相對移動而彎折該測試樣品。
11. 如申請專利範圍第10項所述之彎曲應力的測試方法，其中該測試裝置更包括一感測單元以及一控制單元，該感測單元用以感測該測試樣品彎折至斷裂與否，該控制單元耦接該感測單元，當該感測單元感測到該測試樣品斷裂時，該控制單元控制該傳動單元停止帶動該兩治具。
12. 一種用於如申請專利範圍第1項所述之彎曲應力的測試方法的測試裝置，適於在所述步驟(b)中對該測試樣品的兩端施力，該測試裝置包括：兩治具，相對設置，且適於沿一軸向相對移動，該兩治具分別具有一承載部，用以抵靠該測試樣品的該兩端，以對該測試樣品的該兩端施力；以及一傳動單元，耦接該兩治具，以帶動該兩治具沿該軸向相對移動而彎折該測試樣品。
13. 如申請專利範圍第12項所述之彎曲應力的測試裝置，其中各該治具包括：一本體；以及一插銷，插置於該本體表面，以形成具有L形斷面的 該承載部，其中該測試樣品的該兩端分別承靠於該兩治具的該承載部的L形斷面的轉角。
14. 如申請專利範圍第12項所述之彎曲應力的測試裝置，更包括：一驅動單元，耦接該傳動單元，以驅動該傳動單元沿該軸向移動，以帶動該兩治具沿該軸向相對移動。
15. 如申請專利範圍第14項所述之彎曲應力的測試裝置，更包括：一感測單元，用以感測該測試樣品彎折至斷裂與否；以及一控制單元，耦接該驅動單元及該感測單元，當該感測單元感測到該測試樣品斷裂時，該控制單元控制該驅動單元停止驅動該傳動單元。
16. 如申請專利範圍第12項所述之彎曲應力的測試裝置，其中該感測單元包括聲音感測單元、視覺感測單元或光學感測單元。