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研究生:江俊松
研究生(外文):CHIANG, CHUN-SUNG
論文名稱:圓管壓力容器之非破壞性檢測
論文名稱(外文):NONDESTRUCTIVE INVESTIGATION OF CYLINDRICAL PRESSURE VESSELS
指導教授:王偉中王偉中引用關係
指導教授(外文):WANG, WEI-CHUNG
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:動力機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:非破壞性檢測圓管壓力容器電子剪切光斑干涉術影像轉換快速傅利葉轉換
外文關鍵詞:NONDESTRUCTIVE INVESTIGATIONCYLINDRICAL PRESSURE VESSELSESTRANSFORMATION OF IMAGEFFT
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非破壞性檢測已經廣泛的使用工業界中,不論在產品的製造、使用、保養與維修等等過程都有用到。而所謂的非破壞性檢測便是利用物理原理或是機械、電子的方法與技術,在不破壞產品構件材料的情況下,檢測出材料是否有缺陷或是探測材料物理或是機械性質的檢測技術,其最重要的目的之一在於檢測出材料中是否有缺陷,並藉此判斷此缺陷是否構成安全上的考量。
壓力容器不管是大是小或是圓形或是球形,大多是以焊接的方式製造而成。而壓力容器破壞的因素有很多,從破裂力學的角度來看,破壞與結構件所受之外力、材料本身的物理性質、結構件本身是否有瑕疵、裂縫之大小與數目等都有極大的關係。
本文利用具備全域性、非接觸性、可遙測與非破壞性優點的電子剪切光斑干涉術(Electronic Shearography, ES)的光學方法於圓形壓力容器做非破壞性的檢測。此種方法可以量測到物體的位移梯度,進而可以求得應變之分佈情形,而得知缺陷的所在。
目錄
一、簡介 1
二、文獻回顧 4
三、實驗原理 6
3.1平面外電子剪切光斑干涉術 6
四、實驗方法 13
4.1 電子剪切光斑干涉術之實驗裝置 13
4.2模擬分析軟體 14
4.2.1有限元素法ANSYS套裝軟體 14
4.2.2套裝軟體 MATLAB 14
4.2.3套裝軟體WINSURF 14
4.3實驗試片 15
4.3.1 矩形壓力容器 15
4.3.2 單層圓管壓力容器 15
4.3.3雙層圓管壓力容器 15
4.3.4 圓錐型反射鏡 16
五、實驗程序 17
5.1 電子剪切光斑實驗 17
5.2 ANSYS軟體模擬程序 18
5.3 影像處理 19
六、結果與討論 2
6.1 剪切條紋與缺陷的關係 20
6.1.1電子剪切光斑干涉術用於非破壞性檢測 20
6.1.2 缺陷的特性與檢測 20
6.2 實驗結果分析 21
6.2.1 矩形壓力容器 21
6.2.2 單層圓管壓力容器 22
6.2.3 雙層圓管壓力容器 23
6.3 有限元素ANSYSY模型分析 24
6.3.1矩形壓力容器 24
6.3.2單層圓管壓力容器 25
6.3.3雙層圓管壓力容器 26
6.4 影像分析 26
6.4.1 去除影像的雜訊 26
6.4.2 影像的轉換 27
6.4.3 剪切量的估算 29
6.5 定量分析 30
6.5.1 由板殼理論與MATLAB推估缺陷深度 30
6.5.2 將ANSYS模型用WINSURF倒畫 32
七、結論 35
八、未來展望 37
九、參考文獻 38
十、附錄A、影像轉換的方法 84
圖目錄
圖1.1雙層油管之照片 42
圖3.1麥克遜干涉儀剪切示意圖[33] 43
圖4.1電子剪切光斑干涉術光學裝置示意圖[33] 43
圖4.2矩形壓力容器照片 44
圖4.3含缺陷矩形壓力容器之尺寸 44
圖 4.4 單層圓管壓力容器照片 45
圖 4.5 含缺陷之單層圓管壓力容器之尺寸 45
圖4.6單層圓管壓力容器之半圓柱形缺陷 46
圖 4.7 雙層圓管壓力容器照片 46
圖4.8雙層圓管壓力容器之尺寸 47
圖4.9 圓錐反射鏡照片 47
圖4.10 圓錐反射鏡之尺寸 48
圖5.1 矩形壓力容器之架設 48
圖5.2 單層圓管壓力容器之架設 49
圖5.3 雙層壓力容器剪切實驗光路圖 49
圖5.4 雙層圓管壓力容器之架設 50
圖6.1 矩形壓力容器不含缺陷之剪切光斑條紋影像 50
圖6.2含正方形缺陷之矩形壓力容器在不同壓力下剪切條紋的
變化….. 51
(a) 在10KPa時之剪切條紋
(b) 在30KPa時之剪切條紋
(c) 在50KPa時之剪切條紋
(d) 在0.1MPa時之剪切條紋
(e) 在0.2MPa時之剪切條紋
(f) 在0.3MPa時之剪切條紋
(g) 在0.4MPa時之剪切條紋
(h) 在0.5MPa時之剪切條紋
(i) 在0.6MPa時之剪切條紋
(j) 在0.7MPa時之剪切條紋
(k) 缺陷面積大小示意圖
圖6.3 含圓形缺陷的矩形壓力容器於不同壓力下剪切條紋的變化 53
(a) 在50KPa時之剪切條紋
(b) 在0.1MPa時之剪切條紋
(c) 在0.2MPa時之剪切條紋
(d) 在0.4MPa時之剪切條紋
(e) 在0.5MPa時之剪切條紋
(f) 在0.7MPa時之剪切條紋
圖6.4 於單層圓管壓力容器中邊長15mm深2mm之半圓柱形缺陷
剪切條紋影像 54
圖6.5於單層圓管壓力容器中邊長10mm深2.5mm之半圓柱形缺
陷剪切條紋影像 54
圖6.6 雙層圓管壓力容器內管之中心O 54
圖6.7 無防振動裝置之雙層圓管壓力容器的剪切影像 55
圖6.8在圓錐反射鏡上加裝防振動設備之ES實驗架設 55
圖6.9 含缺陷之雙層圓管壓力容器之剪切條紋影像 55
圖6.10 含圓形缺陷矩形壓力容器之ANSYS模型 56
(a) ANSYS模型
(b) 矩形壓力容器中之圓形缺陷(直徑20mm,深度4mm)位置示意圖
(c) 不含缺陷之面外位移圖
(d) 含圓形缺陷之面外位移圖
(e) 含圓形缺陷之應變圖
(f) 不含缺陷之應變圖
(g) 含圓形缺陷之應力圖
(h) 不含缺陷之應力圖
圖6.11 含正方形缺陷之矩形壓力容器ANSYS模型 60
(a) ANSYS模型
(b) 矩形壓力容器中之正方形缺陷(邊長20mm,深4mm)位置示意圖
(c) 不含缺陷之面外位移圖
(d) 含缺陷之面外位移圖
(e) 含缺陷之應變圖
(f) 不含缺陷之應變圖
(g) 含缺陷之應力圖
(h) 不含缺陷之應力圖
圖6.12 含半圓柱形缺陷單層圓管壓力容器之ANSYS模型 64
(a) ANSYS模型
(b) 單層圓管壓力容器中之半圓柱形缺陷(邊長10mm,深2.5mm)位置示意圖
(c) 含缺陷之面外位移圖
(d) 不含缺陷之面外位移圖
(e) 含缺陷之應變圖
(f) 不含缺陷之應變圖
(g) 含缺陷之應力圖
(h) 不含缺陷之應力圖
(i) 單層圓管壓力容器中之半圓柱形缺陷(邊長5mm,深2mm)位置示意圖
(j) 含半圓柱形缺陷缺陷(邊長5mm,深2mm)之面外位移圖
(k) 含半圓柱形缺陷(邊長5mm,深2mm)之應變圖
(l) 含半圓柱形缺陷(邊長5mm,深2mm)之應力圖
圖6.13 含半圓柱形缺陷雙層圓管壓力容器之ANSYS模型 68
(a) ANSYS模型
(b) 雙層圓管壓力容器中之半圓柱形缺陷(邊長10mm,深度2mm)位置示意圖
(c) 含缺陷之面外位移圖
(d) 含缺陷之應變圖
(e) 內層圓管之半圓柱形缺陷(邊長10mm,深度2mm)位置示意圖
(f) 含缺陷之面外位移圖
(g) 不含缺陷之面外位移圖
(h) 含缺陷之應變圖
(i) 不含缺陷之應變圖
(j) 含缺陷之應力圖
(k) 不含缺陷之應力圖
圖6.14 FFT用於實驗影像之雜訊去除 74
(a) 含缺陷之單層圓管壓力容器實驗影像
(b) 用FFT轉換圖(a)影像於頻率域之影像
(c) 用FFT轉換LPBF遮罩於頻率域之影像
(d) 將(b)與(c)相乘再轉回空間域之影像
(e) 將(d)平滑化後影像
圖6.15 極座標影像 75
圖6.16 轉換為直角座標影像 75
圖6.17 參考圖形I 75
圖6.18 參考影像II 75
圖6.19 將參考圖形置於雙層圓管內 76
圖6.20 置於圓管內之圖形I 76
圖6.21 置於圓管內之影像II 76
圖6.22 將圖6.20做直座標轉換後之影像 76
圖6.23 將圖6.21做直座標轉換後之影像 77
圖6.24 濾除雜訊後之雙層圓管壓力容器實驗影像 77
圖6.25 將圖6.24做直座標轉換後之影像 77
圖6.26 將圖6.16做影像復原 78
圖6.27 將圖6.22做影像復原 78
圖6.28 將圖6.23做影像復原 79
圖6.29 將圖6.25做影像復原 79
圖6.30 剪切量之估算 79
(a) 估算剪切量之參考影像I
(b) 擷取圖(a)中矩形虛線之影像
(c) 將圖(b)之影像二值化
(d) 估算剪切量之參考影像II
(e) 將圖(d)中的影像細線化
圖 6.31 WINSURF 倒畫剪切條紋級次圖 82
圖6.32 位移梯度立體圖 82
圖 6.33 位移立體圖 83
圖 6.34 實驗影像與倒畫影像比較 83
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[32] 林淑瑜, "含圓孔複合材料平板振動之實驗研究",國立清華大學動力機械工程研究所碩士論文, 1995.
[33] 鄭錡彪, "印刷電路板振動之電子剪切光斑干涉術探討",國立清華大學動力機械工程研究所碩士論文, 1997.
[34] “Digital Image Processing”, Gonzalez, R. C. and Wood, R. E., Addison-Wesley, 1992.
[35] “Stresses in Plates and Shells”, Ugural, A. C. 2nd Edition, New York, 1981.
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