疲勞分析的論文

Engineering Structures
June 11, 2015
Title
　　Theoretical Methodology of Fatigue Analysis
Abstract
　　According to the total times of the circulated live load or wind load, the fatigue stress range can be calculated by the relative formula or the material table, and the maximum and minimum stresses are known at the same time for the fatigue analysis. In the fatigue analysis, the dead load and earthquake load are ignored by the engineer, and the circulated live load or wind load is the adopted external force to execute the structural analysis with the factor 1.0. In the theoretical methodology, the structural analysis result is checked by the maximum and minimum stresses, and the engineer can decide whether the engineering structure is suitable or not.
Keyword: Fatigue Analysis

數學難題：ｃｍｈｕａｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ

Journal of Computational and Applied Mathematics
June 10, 2015
Title
　　cmhuang problem
Abstract
　　In civil engineering, the Reconstruction of Structural Reliability (C. M. Huang 2014) has been proposed by Ching-Min Huang in 2014, but the steel structure design has the unsolved problem of the structural loads in the ASD (AISC 1989) of the final version. As everyone knows, this is not a planning problem for the multi-variables, but the only one solution should be existed in ASD. Ching-Min Huang has become a Great Mathematician, and the unsolved ASD problem is named the cmhuang problem.
Keywords: cmhuang problem, ASD, Structural Reliability

References

C. M. Huang (2016) "Reconstruction of Structural Reliability," Doctoral Dissertation in Mathematics, Registered Number: 2010370005, Institute of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, P.R.C., Supervisor: C. Dong, Ph.D. Aircraft, Oct. 3, 2016
American Institute of Steel Construction (1989) AISC Manual of Steel Construction: Allowable Stress Design, 9th Edition, American Institute of Steel Construction

結構荷載組合公式載重符號ＩＩ

　　我提出３個結構載重組合公式，其載重符號經套用於土木、機械、車輛、造船及航太，詳見以下表格所列項目。其中，靜載重的流體力，都是採用滿載原則。在機械結構設計裡，對於地震力Ｅ的考慮，需要評估擺在地上的問題。靜載重Ｄ的流體力以滿載量概估，而土木的流體力是溢堤２﹒５ｍ估算。靜載重Ｄ的普通靜載重，為設備或集中載重的加載項目。活載重Ｌ的普通活載重，為行業基本活載重的加載項目。

	超額靜載重控制式
	地震力控制式
	風力控制式

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牛頓力學基本原理

★設計地震力（土木工程、機械工程、車輛工程、造船工程、航太工程、防禦工程、武器工程）
◎ＳＴＡＡＤ﹒Ｐｒｏ
◎ＡＮＳＹＳ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
◎ＩＢＣ１９９４
◎建築物耐震設計規範及解說１９９９
◎設計水平地震力加速度ａ_Ｇ ≦ ６００ｇａｌ
◎特大設計水平地震力加速度ａ_Ｍ ≒ ２﹒５ａ_Ｇ ≦１５００ｇａｌ
◎設計垂直地震力加速度和特大設計垂直地震力加速度經工程規範以ａ_Ｇ和ａ_Ｍ比例換算得之

牛頓流體基本原理

★設計風力（土木工程、機械工程、車輛工程、造船工程、航太工程、防禦工程、武器工程）
◎ＡＮＳＹＳ　ＣＦＸ
◎ＡＳＣＥ７－０２
◎建築物耐風設計規範及解說２０１４
◎專業領域之設計水平風力速度Ｖ_Ｇ
◎專業領域之特大設計水平風力速度Ｖ_Ｍ ≒ １﹒５８Ｖ_Ｇ
◎專業領域之設計垂直風力速度和特大設計垂直風力速度經工程規範以Ｖ_Ｇ和Ｖ_Ｍ比例換算得之

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★結構分析（土木工程、防禦工程）
◎ＳＴＡＡＤ﹒Ｐｒｏ
◎ＡＮＳＹＳ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ

★結構設計（土木工程、防禦工程）
◎彈性設計（設計地震力、設計風力）
　樑柱版構件和非結構牆彈性設計／ＳＴＡＡＤ﹒Ｐｒｏ／
◎彈性設計（特大設計地震力、特大設計風力）
　剪力牆和接頭構件彈性設計／ＳＴＡＡＤ﹒Ｐｒｏ／
　重要樑柱版構件彈性設計
　涉倒塌接頭移轉塑鉸塑性設計
（樑構件塑鉸移轉至兩端點向內側估算
　有小樑之大樑結構設計，約構件長度２２﹒２％～２２﹒７％做翼板切削
　無小樑之大樑結構設計，約構件長度２２﹒０％～２２﹒５％做翼板切削）

土 木 工 程 靜載重Ｄ＝①＋②＋③＋④ 活載重Ｌ＝①＋②＋③＋④＋⑤＋⑥＋⑦＋⑧ 地震力Ｅ＝①＋② 風力Ｘ ①結構自重 ②結構表面冰載重 ③結構之流體力 ④結構設備或集中載重 ①結構表面雪載重 ②結構表面雨水載重 ③結構之土壤力 ④結構之溫度效應 ⑤結構之不等沉陷等效應 ⑥結構結構之振動力 ⑦結構之爆炸力 ⑧結構活載重 ①靜載重地震力 ②活載重地震力 ◎風力

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★固體力學分析（機械工程、車輛工程、造船工程、航太工程、武器工程）
◎ＡＮＳＹＳ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ
◎ＡＮＳＹＳ　ＬＳ－Ｄｙｎａ

★流體力學分析（機械工程、車輛工程、造船工程、航太工程、武器工程）
◎ＡＮＳＹＳ　ＣＦＸ

★結構設計（機械工程、車輛工程、造船工程、航太工程、武器工程）
◎彈性設計（設計地震力、設計風力）
　樑柱版牆殼彈性設計／ＡＮＳＹＳ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ／
◎彈性設計（特大設計地震力、特大設計風力）
　接頭構件彈性設計
　重要樑柱版牆殼構件彈性設計
◎塑性設計（高速撞擊活載重）
　重要樑柱版牆殼構件塑性設計／ＡＮＳＹＳ　ＬＳ－Ｄｙｎａ／

機 械 工 程 靜載重Ｄ＝①＋②＋③＋④ 活載重Ｌ＝①＋②＋③＋④＋⑤＋⑥＋⑦＋⑧＋⑨ 地震力Ｅ＝①＋② 風力Ｘ ①機械自重 ②機械表面冰載重 ③機械水箱和油箱之流體力 ④機械設備或集中載重 ①機械表面雪載重 ②機械表面雨水載重 ③機械表面積水載重 ④機械之溫度效應 ⑤機械之不等沉陷等效應 ⑥機械結構不穩定效應 ⑦機械結構之振動力 ⑧機械結構之爆炸力 ⑨機械結構活載重 ①靜載重地震力 ②活載重地震力 ◎風力

車 輛 工 程 靜載重Ｄ＝①＋②＋③＋④ 活載重Ｌ＝①＋②＋③＋④＋⑤＋⑥＋⑦＋⑧ 地震力Ｅ＝①＋② 風力Ｘ ①車輛自重 ②車輛表面冰載重 ③車輛水箱和油箱之流體力 ④車輛設備或集中載重 ①車輛表面雪載重 ②車輛表面雨水載重 ③車輛之溫度效應 ④車輛之不等沉陷等效應 ⑤車輛結構不穩定效應 ⑥車輛結構之振動力 ⑦車輛結構之爆炸力 ⑧車輛結構活載重 ①靜載重地震力 ②活載重地震力 ◎風力

造 船 工 程 靜載重Ｄ＝①＋②＋③＋④ 活載重 Ｌ＝①＋②＋③＋④＋⑤＋⑥＋⑦＋⑧＋⑨ 地震力Ｅ＝①＋② 風力Ｘ ①船舶自重 ②船舶表面冰載重 ③船舶水箱和油箱之流體力 ④船舶設備或集中載重 ①海浪或河川之流體力 ②船舶表面雪載重 ③船舶表面雨水載重 ④船舶表面海水載重 ⑤船舶之溫度效應 ⑥船舶結構不穩定效應 ⑦船舶結構之振動力 ⑧船舶結構之爆炸力 ⑨船舶結構活載重 ①靜載重地震力 ②活載重地震力 ◎風力

航 太 工 程 靜載重Ｄ＝①＋②＋③＋④ 活載重Ｌ＝①＋②＋③＋④＋⑤＋⑥＋⑦＋⑧ 地震力Ｅ＝①＋② 風力Ｘ ①飛機自重 ②飛機表面冰載重 ③飛機水箱和油箱之流體力 ④飛機設備或集中載重 ①飛機表面雪載重 ②飛機表面雨水載重 ③飛機之溫度效應 ④飛機之不等沉陷等效應 ⑤飛機結構不穩定效應 ⑥飛機結構之振動力 ⑦飛機結構之爆炸力 ⑧飛機結構活載重 ①靜載重地震力 ②活載重地震力 ◎風力

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　　鋼筋混凝土維持強度折減係數，其中的柱折減係數改回固定值０﹒７，因為結構可靠度產生的數值非不固定。鋼筋混凝土的折減係數，涉及到樑柱版牆的施工技術，因而我支持維持折減技術。鋼結構在ＡＩＳＣ３６０－１０，拉壓彎剪扭都是採用０﹒９，我決定都是採用１﹒０的不做折減值，然而ＲＣ版、銲接、和螺栓接合設計及鋼板剪力牆（０﹒７）維持折減，結構設計者實際決定結構設計，包括：靜載重、活載重、地震力及風力。

　　建築結構的高寬比，原則上不要超過１：６的門檻；建築高度的最大極限，原則上不要超過１５００公尺的門檻（筒體結構雙層ＢＯＸ為主），而且韌性框架涉崩塌的重要構件吸收１００％的特大地震力（塑性設計），而鋼板剪力牆採取額外吸收７５％的特大地震力（彈性設計）。涉佔地表大面積，必須考慮大地曲率的沉陷效應。樓層高度６﹒５公尺，１０樓以下為ＳＲＣ，１１樓以上是純ＳＳ。

結構系統：筒體結構雙層ＢＯＸ
　　在機械固體力學裡，以ＡＮＳＹＳ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ做Ｄ、Ｌ、Ｅ、Ｘ產生各構件應力，會使各構件都有Ｄ、Ｌ、Ｅ、Ｘ４種內力值，再以我提出的３個結構載重組合公式，讓各構件都擁有３個極限載重的Ｕ值，而每個構件的３個最大ｖｏｎ　Ｍｉｅｓ　Ｓｔｒｅｓｓ都拿來做比較，是否超過普通可銲鋼材ＳＭ４００的２４５ＭＰａ，或是否超過超鋼材９８０鋼板的９８０ＭＰａ，以個別對各構件需求強度訂尺寸做結構設計。

　　Ｄ和Ｌ在不同使用條件下，結構設計者需要把部份荷載拿出來或放進去，以產生一大堆１組３個最大ｖｏｎ　Ｍｉｅｓ　Ｓｔｒｅｓｓ，來達到各種使用條件下滿足結構設計要求的門檻。Ｄ是根據Ｄ和Ｌ當時的條件，以產生出對應的Ｅ數據經靜力分析產生的各構件數值，而Ｘ是不同使用條件下對應風速值的風力，經靜力分析產生的各構件數值。結構每個構件都有各種條件下，以３個１組的ｖｏｎ　Ｍｉｅｓ　Ｓｔｒｅｓｓ，再經採用的材料的彈性降伏應力值Ｆｙ做控制，而剪應力的控制值普通為０﹒５７７Ｆｙ，也就是取Ｆｙ以根號３取倒數的相對應關係，此為剪力理論計算值得彈性剪力降伏應力值。

　　在普通地震力或風力作用時，建築結構設計是採彈性結構設計標準。在鋼筋混凝土的建築設計裡，對於超大地震力或風力作用時，必須考慮到結構韌性設計基本結構設計原則；在鋼結構做建築物設計裡，對於超大地震力或風力作用時，必須考慮到塑性設計允許建築物永久變形，此為結構韌性設計基本結構設計原則。在土木工程裡，其結構設計基本原則，為「小震不壞，中震可修，大震不倒。」業主提出的結構設計標準，乃是中震等級的結構荷載門檻。

　　為什麼要塑性設計？以較大的外力做結構分析，而且有納入二階Ｐ－△分析，會對於接頭、柱和剪力牆產生較大的內力，已經超過原結構尺寸對應的彈性強度，此時需要假設構件發揮塑性強度，因而必須對接頭和柱做塑性設計，卻對於重要構件剪力牆做彈性設計。在土木工程裡，塑性設計在於避免崩塌行為，以使內部人員不因結構破壞造成死亡。在機械及機械衍生的領域裡，在不傷及內部人員的前提下，塑性設計為相關構件預估的最大變形量，做為ＡＮＳＹＳ　ＬＳ－Ｄｙｎａ變形後的控制值，以調整樑柱版牆尺寸來降低變形量至不傷及人員為止。

　　在機械相關領域裡，以ＡＮＳＹＳ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ做普通設計標準的結構分析，然後要求機構設計者修改尺寸再做相同的結構分析，並反覆此模式直到結構設計尺寸符合普通設計標準，包括：一、ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ　Ｓｔｒｅｓｓ以Ｆｙ當標準小於各種不同條件的工況；二、剪力ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ　Ｓｔｒｅｓｓ以０﹒５７７Ｆｙ當標準需小於各種不同條件的工況。之後，以ＡＮＳＹＳ　ＬＳ－Ｄｙｎａ做特大設計標準的結構分析產生各種不同條件的工況，然後要求機構設計者修改尺寸再做相同結構分析，並反覆此模式直到結構設計尺寸符合變形量設計標準。然後，以此模型再回復到ＡＮＳＹＳ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ做普通設計標準的結構分析，以確認修改尺寸會造成內力再分配問題的尺寸修改需求。爾後，再回復到ＡＮＳＹＳ　ＬＳ－Ｄｙｎａ做特大計標準的結構分析，並重覆完全相同的結構分析過程以至兩種軟體在兩種條件的各種不同結構分析條件下，都符合工況和變形量的標準為最終的結構設計。

　　在土木領域和機械多數領域，幾乎都存在做疲勞分析的相關需求，而疲勞分析並不是結構分析的範圍，但是我提出以結構分析的模式，來落實結構疲勞分析的方法。根據循環結構荷載條件，以詳細計算出循環結構荷載的總次數，並根據疲勞應力公式或查詢表格的方式，來獲取循環結構荷載次數對應的應力幅，就得定義正應力最大值和負應力最小值。以不同條件的循環結構荷載做為結構荷載，採取結構分析程序去檢查最大應力和最小應力，以確保全部應力介於正應力最大值和負應力最小值，而使得結構不會有疲勞應力破壞的相關問題。以工程結構來說，不是所有的工程結構都要做疲勞分析，要做疲勞分析的項目得考慮我的方法。簡而言之，就是忽略Ｄ和Ｅ，並以循環荷載Ｌ或Ｘ為輸入條件，做應力最大和最小值的檢核，而且並不用考慮到係數１﹒５。

土木領域業主是結構設計人
涉機械領域ＣＥＯ是結構技師
Ｃ﹒Ｍ﹒Ｈｕａｎｇ結構設計理論非常簡單

臺灣軍事航空測量

　　在戰爭爆發時，人造衛星會被擊落，航空測量不得不使用。我在專科期間，對於測量學的航空測量，其印象為以３秒為照相的間隔時間，而前後重疊率６０％和左右重疊率２０％。我替臺灣軍事航空測量，做出簡單的航空測量設計，就照相機倍率經換算為高度，以底片照入４﹒５ｋｍＸ４﹒５ｋｍ的範圍，其飛機以６００ｍ／ｓ的１﹒７５馬赫飛行，而照相機採取長條狀加裝重物於下方，以使照像機鏡頭自動平行於地表面，相隔３﹒６ｋｍ於重新在左右側飛行照像。以往都是沖洗底片後，在航空測量儀器上據地物重疊，然而現代得借助於圖像軟體以完成底片重合。