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研究生:劉家棋
論文名稱:預浸複材板孔隙率之非破壞性檢測
論文名稱(外文):The Non-destructive Void Fraction Measurement in Prepreg Composite Laminates
指導教授:廖為忠
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:土木及水利工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
中文關鍵詞:非破壞性檢測孔隙率預浸材
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複合材料在其製作過程時若製程設計不當,將造成複合材料內部產生孔隙,進而使複材結構物之使用壽命受到重大的影響。本研究利用非破壞性縱向波波速之量測,配合傳統破壞性檢測方法,建立縱向波速與有效楊氏係數及層板孔隙率之間的相互關係,作為非破壞性檢測的品管準則。
本研究之另一目的為利用有限元素法分析來預測平織布所製成之層板有效模量。首先使用有限元素所分析之層板孔隙率必須很小,則分析結果才會準確,而且必須配合層板的纖維體積含有率,才能準確預測層板有效模量。對於有孔隙存在之層板,則需先輸入層板孔隙率為零之有效模量,再進行用微觀力學模型分析。以微觀力學模型分析孔隙大小不同時,孔隙率的改變對層板縱向波速及有效彈性常數的影響,並建立其理論關係圖,以作為非破壞性檢測之參考依據。

In this study, the composite panel is made by a carbon prepreg. It is vacuumed and heated up to 65℃ within a homemade mini-clave. The porosity of a composite laminate is measured both by non-destructive and conventional destructive approaches.
We design four curing cycles to produce composite panels with various void contents. The apparent Young’s modulus, Poisson ratio, density, porosity and fiber volume fraction of the laminate are tested by the conventional destructive testing procedure. Thus, the baseline relation between apparent Young’s modulus, longitudinal wave speed and porosity of the laminates can be characterized. On the other hand, the longitudinal wave speed of the laminate is measured by the time shift of two accelerometer signals arising from a dropping weight test. This non-destructive wave speed is consistent with the wave speed obtained from the destructive approaches. By measuring the longitudinal wave speed of the laminate through the small steel ball-dropping test, the porosity of the composite laminate can be estimated.
In the analytical basis, a 3-D finite element model is employed to evaluate the apparent engineering moduli of the woven fabric composite or composite laminate without any void. The analysis should be matched up with fiber volume fraction of the woven fabric composite. In addition, a micromechanics model is adopted to analyze the influence of void content on the apparent engineering moduli and longitudinal wave speed. By way of a 3-D finite element model and a micromechanics model, we wish to set up the relation between apparent Young’s modulus, longitudinal wave speed and porosity of the composite laminates as a reference basis of non-destructive testing methods.

中文摘要………………………………………………………………….I
英文摘要…………………………………………………………………II
目錄………………………………...……………………………………III
表目錄…………………………………………………………………....V
圖目錄…………………………………………………………………..VII
第一章緒論……………………………………………………………..1
1.1前言……………………………………………………………...1
1.2研究背景與動機………………………………………………...1
1.3文獻回顧………………………………………………………...3
1.4研究目的與方法………………………………………………...5
第二章理論分析………………………………………………………..7
2.1 應力波簡介…………...………………………………………...7
2.2 波傳遞理論……………………………………………………..8
2.2.1 材料彈性係數…………………………………………… ..8
2.2.2 應力波波傳……………………………………………….10
2.3 三維有限元素法預測層板有效模量…………………………13
2.3.1 纖維束彈簧模型……………………..……………..….…13
2.3.2 三維有限元素法…………………………………...……..16
2.4 含孔隙複材板有效模量之微觀力學模型分析………………21
第三章試驗內容………………………………………………………23
3.1 碳纖複材板製作……………………………………………….23
3.2 複合材料層板有效模量檢測………………………………….27
3.3 複合材料纖維體積含有率及孔隙率試驗………………….....30
3.4 縱向波速CLx應力波檢測法…………………………………..32
3.5 厚度方向楊氏係數EZ檢測法………………………………...36
第四章試驗結果………………………………………………………41
4.1 前言……………..……………………………………………...41
4.2 纖維體積含有率及孔隙率量測結果………………………….41
4.3 層板有效模量及計算波速結果…………………………….…46
4.4 縱向波速應力波試驗結果…………………………………….53
4.5 厚度方向楊氏係數試驗結果………………………………….60
4.6 有效模量之微觀力學模型分析結果………………………….65
第五章結論與建議……………………………………………………72
5.1 結論…………………………………………………………….72
5.2 建議…………………………………………………………….73
參考文獻………………………………………………………………..75
附錄 A………………..………………………………………………...78
照片附錄………………………………………………………………..91

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