(34.237.124.210) 您好!臺灣時間:2021/02/25 19:43
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果

詳目顯示:::

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:王桀民
研究生(外文):Jieming Wang
論文名稱:應用能量指標法於編織複合材料疊層板之非破壞檢測
論文名稱(外文):Nondestructive Detection of Damage in Woven Fabric Composite Laminates Using Energy Index Method
指導教授:胡惠文
指導教授(外文):Huiwen Hu
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:車輛工程系所
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:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:181
中文關鍵詞:平面編織複合材料應變能法等效模型模態分析掃描破壞指標法
外文關鍵詞:woven fabric compositemodal strain energyequivalent modelsexperimental modal analysisscanning damage index
相關次數:
  • 被引用被引用:1
  • 點閱點閱:191
  • 評分評分:系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本文應用模態應變能法(SEM)針對平面編織複合材料疊層板之表面裂縫進行非破壞檢測。材料採用Hexcel 所生產平織型編織複合碳纖維/環氧樹酯(F3T-282/ epoxy (DICY))製造疊層板。並以美工刀切割一個不影響整體剛性的表面裂縫作為代表性的破壞。以三種模型cross-ply、orthotropic與representative cell來模擬編織複合材料疊層板。首先應用有限元素分析軟體(ANSYS)與實驗模態分析,採用逆向法獲得三種模型疊層板未知的等效機械性質,經比對分析與實驗之模態參數,確認有限元模型之等效性。進行模態分析以獲得破壞前後疊層板之自然頻率與模態振型位移,經由將破壞前後之模態振型位以區塊應變能法定義一破壞指標用來檢測破壞的位置,其中應變能之計算採用微分值積法(DQM)。裂縫檢測方式以整體模態、局部敲擊之模態與以整體模態模態掃描應變能指標三種方式進行檢測。結果顯示分析與實驗之整體與局部檢測破壞指標均可成功地預測出複合材料疊層板之表面裂縫位置,掃描應變能指標法則顯示可能找出裂縫方向。
The work presents the detection of surface cracks in a woven fabric composite laminate using a modal strain energy method. A carbon fabric F3T-282/epoxy (DICY) is used to fabricate a plain woven laminate. In the first place, the unknown material properties are computed by utilizing an inverse method through the finite element analysis and experimental modal analysis. Three equivalent models, i.e. cross-ply [0/90]ns, orthotropic and representative cell, are established to simulate the woven laminate. A surface crack is created to represent a nominal damage which is comparatively small and not to significantly affect the global stiffness of the woven laminate. Experimental modal analysis is conducted on the woven laminate to obtain the modal displacements before and after damage. The modal displacements are used to compute the modal strain energies through the three equivalent models. A damage index is defined by employing the fractional modal strain energy of the woven laminate before and after damage, and then used to identify the location of surface crack. Limited by grid points in measurement, a differential quadrature method is utilized to compute the partial differential terms in strain energy formula. Global, locate and scanning damage index three detection way are developed. Results show, the damage indices obtained from global and local measurements successfully locate the surface crack in woven laminate. The scanning damage index well identify the surface crack location and crack direction. Only few measured mode shapes are required in this method, which holds a relatively low cost and flexibility in measurement, nondestructive evaluation, and feasibility of real-time monitoring in woven laminates.
目 錄
摘 要 I
Abstract III
謝 誌 V
目 錄 VII
表 目 錄 XI
圖 目 錄 XV
符號索引 XIX
第1章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 全文概述 5
第2章 有限元素分析 7
2.1 模型驗證流程 7
2.2 有限元素模型建立 8
2.2.1 元素選用 9
2.2.2 等效有限元素模型建立 10
2.2.3 逆向法求取材料性質 13
2.2.4 材料參數設定 14
2.2.5 邊界與負載條件 15
2.2.6 破壞模擬 15
2.3 收斂性分析 17
第3章 實驗模態分析 19
3.1 編織複合材料疊層板之製作 19
3.2 模態實驗 19
3.2.1 實驗儀器選用 20
3.2.2實驗敲擊點規劃 21
3.2.3 實驗架設與方法 23
3.2.4實驗模態參數擷取 25
3.3 破壞製作 26
3.5拉伸試驗 27
3.5.1 拉伸試件製作 27
3.5.2 試驗方法與結果 29
第4章 模型驗證 31
4.1 等效編織複合材料疊層板之有限元素模型驗證 31
4.1.1 Cross-ply 34
4.1.1.1 Cross-ply模型之頻率響應函數驗證 34
4.1.1.2 Cross-ply疊層板之模態參數驗證 39
4.1.1.3 Cross-ply模型之模態保證指標驗證 45
4.1.2 Orthotropic 47
4.1.2.1 Orthotropic模型之頻率響應函數驗證 47
4.1.2.2 Orthotropic疊層板之模態參數驗證 52
4.1.2.3 Orthotropic模型之模態保證指標驗證 58
4.1.3 RCL 60
4.1.3.1 RCL模型之頻率響應函數驗證 60
4.1.3.2 RCL模型之模態參數驗證 65
4.1.3.3 RCL模型之模態保證指標驗證 70
4.2 等效模型模態驗證優劣之比較 71
第5章 編織複合材料疊層板之表面裂縫檢測 73
5.1 單一纖維方向複合材料疊層板之應變能 73
5.2 應變能破壞檢測程序 78
5.2.1 應變能破壞檢測程式架構 78
5.2.2 微分值積法 81
5.2.3 程式預測流程 84
5.3 表面裂縫破壞檢測結果 86
5.3.1整體模態應變能檢測 88
5.3.1.2實驗模態分析之整體模態應變能檢測 96
5.3.2局部模態表面裂縫檢測 119
5.3.3 掃描破壞指標檢測 126
5.3.3.1 X方向之掃描破壞指標檢測 127
5.3.3.2 Y方向之掃描破壞指標檢測 131
第6章 結論與建議 135
參考文獻 139
附錄 掃描破壞指標各局部區塊檢測結果 143
作者簡介 179












表 目 錄
表2-1 編織複合材料疊層板等效有限元素材料參數 15
表2-2 網格細分對自然頻率之影響 18
表3-1 實驗儀器型號與靈敏度 20
表3-2 拉伸試驗試件尺寸與規格 28
表4-1 無破壞編織複合材料疊層板實驗阻尼比修正 33
表4-2 破壞編織複合材料疊層板實驗阻尼比修正 33
表4-3 Cross-ply模型有無破壞之分析與實驗自然頻率驗證 40
表4-4 Cross-ply模型無破壞之分析與實驗模態振型驗證 41
表4-5 Cross-ply模型表面裂縫之分析與實驗模態振型驗證 43
表4-6 Cross-ply模型無破壞之模態保證指標 45
表4-7 Cross-ply模型表面裂縫之模態保證指標 46
表4-8 Orthotropic有無裂縫之分析與實驗自然頻率驗證 53
表4-9 Orthotropic無破壞之分析與實驗模態振型驗證 54
表4-10 Orthotropic表面裂縫之分析與實驗模態振型驗證 56
表4-11 Orthotropic模型無破壞之模態保證指標 58
表4-12 Orthotropic模型表面裂縫之模態保證指標 59
表4-13 RCL有無裂縫之分析與實驗自然頻率驗證 65
表4-14 RCL無破壞之分析與實驗模態振型驗證 66
表4-15 RCL表面裂縫之分析與實驗模態振型驗證 68
表4-16 RCL模型無破壞之模態保證指標 70
表4-17 RCL模型表面裂縫之模態保證指標 71
表4-18 模型驗證結果優劣比較 72
表5-1 Cross-ply模型表面裂縫實驗檢測結果 98
表5-2 Orthotropic模型表面裂縫實驗檢測結果 100
表5-3 RCL模型表面裂縫實驗檢測結果 102
表5-4 Cross-ply模型實驗單一模態表面裂縫檢測結果 104
表5-5 Orthotropic模型實驗單一模態表面裂縫檢測結果 106
表5-6 RCL模型實驗單一模態表面裂縫檢測結果 108
表5-7 Cross-ply模型局部敲擊表面裂縫檢測結果 120
表5-8 Orthotropic模型局部敲擊表面裂縫檢測結果 122
表5-9 RCL模型局部敲擊表面裂縫檢測結果 124
附表1 Cross-ply有限元素分析X方向掃描破壞指標檢測 143
附表2 Orthotropic有限元素分析X方向掃描破壞指標檢測 145
附表3 RCL有限元素分析X方向掃描破壞指標檢測 147
附表4 Cross-ply第1次實驗X方向掃描破壞指標檢測 149
附表5 Orthotropic第1次實驗X方向掃描破壞指標檢測 151
附表6 RCL第1次實驗X方向掃描破壞指標檢測 153
附表7 Cross-ply第2次實驗X方向掃描破壞指標檢測 155
附表8 Orthotropic第2次實驗X方向掃描破壞指標檢測 157
附表9 RCL第2次實驗X方向掃描破壞指標檢測 159
附表10 Cross-ply有限元素分析Y方向掃描破壞指標檢測 161
附表11 Orthotropic有限元素分析Y方向掃描破壞指標檢測 163
附表12 RCL有限元素分析Y方向掃描破壞指標檢測 165
附表13 Cross-ply第1次實驗Y方向掃描破壞指標檢測 167
附表14 Orthotropic第1次實驗Y方向掃描破壞指標檢測 169
附表15 RCL第1次實驗Y方向掃描破壞指標檢測 171
附表16 Cross-ply第2次實驗Y方向掃描破壞指標檢測 173
附表17 Orthotropic第2次實驗Y方向掃描破壞指標檢測 175
附表18 RCL第2次實驗掃Y方向描破壞指標檢測 177







圖 目 錄
圖2-1 模型驗證流程圖 8
圖2-2 平織複合材料疊層板模型示意圖 11
圖2-3 無破壞之有限元素模型 12
圖2-4 Cross-ply與orthotropic表面裂縫有限元素模型 16
圖2-5 RCL模型之表面裂縫有限元素模型 16
圖2-6 收斂性分析 18
圖3-1 結構振動分析流程 20
圖3-2 編織疊層板敲擊點數參考之模態振型 22
圖3-3 敲擊點規劃圖 23
圖3-4 編織複合材料疊層板模態實驗架設圖 24
圖3-5 編織複合材料疊層板整體與局部敲擊實驗圖 25
圖3-6 編織複合材料疊層板之表面裂縫位置示意圖 26
圖3-7 拉伸試驗試件切割位置示意圖 27
圖3-8 平面編織複核材料疊層板之拉伸件 28
圖3-9 平面編織複合材料拉伸試驗示意圖 29
圖4-1 Cross-ply模型無破壞同點頻率響應函數驗證 35
圖4-2 Cross-ply模型表面裂縫同點頻率響應函數驗證 36
圖4-3 Cross-ply模型無破壞轉移頻率響應函數驗證 37
圖4-4 Cross-ply模型表面裂縫轉移頻率響應函數驗證 38
圖4-5 Orthotropic模型無破壞同點頻率響應函數驗證 48
圖4-6 Orthotropic模型表面裂縫同點頻率響應函數驗證 49
圖4-7 Orthotropic模型無破壞轉移頻率響應函數驗證 50
圖4-8 Orthotropic模型表面裂縫轉移頻率響應函數驗證 51
圖4-9 RCL模型無破壞同點頻率響應函數驗證 61
圖4-10 RCL模型表面裂縫同點頻率響應函數驗證 62
圖4-11 RCL模型無破壞轉移頻率響應函數驗證 63
圖4-12 RCL模型表面裂縫轉移頻率響應函數驗證 64
圖5-1 複合材料疊層板變形示意圖 74
圖5-2 疊層板座標 75
圖5-3 疊層板承受力矩之示意圖 78
圖5-4 破壞檢測流程 85
圖5-5 理想掃描破壞指標檢測 87
圖5-6 Cross-ply模型有限元素表面裂縫檢測 90
圖5-7 Orthotropic模型有限元素表面裂縫檢測 91
圖5-8 RCL模型有限元素表面裂縫檢測 92
圖5-9 Cross-ply模型有限元素個別模態表面裂縫檢測 93
圖5-10 Orthotropic模型有限元素個別模態表面裂縫檢測 94
圖5-11 RCL模型有限元素個別模態表面裂縫檢測 95
圖5-12 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=13) 110
圖5-13 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=28) 111
圖5-14 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=43) 112
圖5-15 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=58) 113
圖5-16 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=73) 114
圖5-17 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=74) 115
圖5-18 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=88) 116
圖5-19 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=103) 117
圖5-20 第1次無破壞實驗轉移頻率響應函數(i=1, j=118) 118
圖5-21 X方向之掃描示意圖 126
圖5-22 Y方向之掃描示意圖 127
圖5-23 有限元素分析X方向掃描檢測(5×5) 128
圖5-24 第1次實驗X方向掃描檢測(5×5) 129
圖5-25 第2次實驗X方向掃描檢測(5×5) 130
圖5-26 有限元素分析Y方向掃描檢測(5×5) 132
圖5-27 第1次實驗Y方向掃描檢測(5×5) 133
圖5-28 第2次實驗Y方向掃描檢測(5×5) 134
參考文獻
1. Ishikawa, T., 1981, “Anti-Symmetric Elastic Properties of Composites Plates of Satin Weave Cloth,” Fibre Science and Technology, Vol. 15, pp. 127-145.
2. Ishikawa, T., Chou, T. W., 1981, “Stiffness and strength behaviour of woven fabric composites Elastic Behavior of Woven Hybrid Composites,” Journal of Materials Science, Vol. 17, pp. 3211-3220.
3. Akkerman, R., 2006, “Laminate mechanics for balanced woven fabrics,” Composites Part B: Engineering, Vol. 37, pp. 108-116.
4. Gao, F., Boniface L., Ogin, S. L., Smith, P. A., and Greaves, R. P., 1999, “Damage accumulation in woven-fabric CFRP laminates under tensile loading: Part 1. Observations of damage accumulation,” Composites Science and Technology, Vol. 59, pp. 123-136.
5. 王栢村,陳榮亮,1997,「簡支板之實驗模態分析」,國立屏東科技大學學報,第六卷,第四期,第273-281頁。
6. 邱俊賢,王栢村,吳德和,1998,「簡支樑之製作與模態特性驗證」,中國機械工程學會第15屆全國學術研討會,台南市,第291-298頁。
7. Gibson, R. F. and Wen, Y. F., 1993, “Evaluation of Boundary Conditions for A Composite Plate Vibration Test,” Proceeding of The Spring Conference on Experimental Mechanics Conference, Netherlands, pp. 19-27,
8. Tracy, J. J. and Pardoen, G. C., 1989, “Effect of Delamination on the Natural Frequencies of Composite Laminates,” Journal of Composite Materials, Vol. 23, pp. 1200-1215.
9. Shen, M. H. H. and Grady, J. E., 1992, “Free Vibration of Delaminated Beams,” AIAA Journal, Vol. 30, No. 5, pp. 1361-1370.
10. Cawley, P. and Adams, R. D., 1979, “A Vibration Technique for Non-Destructive Testing of Fibre Composite Structures,” Journal of Composite Materials, Vol. 13, pp. 161-175.
11. Hu, H. W., Wang, B. T., Su, J. S. and Lee, C. H., 2004, “Free Vibration Analysis of Composite Symmetrical Laminates Using FEA and EMA,” The 21th National Conference on Mechanical, Kaoshiung, Taiwan, pp. 2449-2454.
12. Hu, H. W., Wang, B. T., Lee, C. H. and Su, J. S., 2004, “Free Vibration Analysis of Damaged Composite Laminates Using FEA and EMA,” The 21th National Conference on Mechanical, Kaoshiung, Taiwan, pp. 2563-2568.
13. Zou, Y., Tong, L. and Steven, G. P., 2000, “Vibration-Based Model-Dependent Damage (Delamination) Identification and Health Monitoring for Composite Structures-a Review,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 230, No. 2, pp. 357-378.
14. Stubbs, N., Kim, J. T., Topole, K., 1992, “An Efficient and Robust Algorithm for Damage Localization in offshore platforms,” Proceedings of the ASCE Tenth Structures Congress, pp. 543-546.
15. Stubbs, N., Kim, J. T., Farrar, C. R., 1995, “Field verification of a nondestructive damage localization and sensitivity estimator algorithm,” Proceedings of the 13th International Modal Analysis Conference, pp. 210-218.
16. Cornwell, P., Doebling, S. W. and Farrar, C. R., 1997, “Application of the Strain Energy Damage Detection Method to Plate-Like Structures,” Proceedings of the 15th International Modal Analysis Conference, Orlando, pp. 1312-1318.
17. Cornwell, P., Doebling, S. W. and Farrar, C. R., 1999, “Application of the Strain Energy Damage Detection Method to Plate-Like Structures,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 224, No. 2, pp. 359-374.
18. Choi, S., Park, P., Yoon, S., Stubbs, N., 2005, “Nondestructive Damage Identification in Plate Structures Using Changes in Modal Compliance,” NDT&E International, Vol. 38, pp. 529-540.
19. Hu, H., Wang, B. T., Lee, C. H., 2006, “Damage Detection of Surface Crack in Composite Quasi-isotropic Laminate Using Modal Analysis and Strain Energy Method” Key Engineering Materials Journal, Vol. 306-308, pp. 757-762.
20. Hu, H., Wang, B. T., Lee, C. H., Su, J. S., 2006, “Damage Detection of Surface Crack in Composite Laminates Using Modal Analysis and Strain Energy Method,” Composite Structures, Vol. 74, No. 4, pp. 379-504.
21. Hu, H., Wang, J., Jwo, S. L., 2006, “A Damage Index to Detect Surface Cracks in Woven Fabric Composite Laminates Using Experimental Modal Analysis,” The 21st Annual Technical Conference of the American Society for Composites, Michigan, Paper No. 161.
22. Bert, C. W., Jang, S. K. and Striz, A. G., 1988, “Two New Approximate Methods for Analyzing Free Vibration of Structural Components,” AIAA Journal, Vol. 26, pp. 612-618.
23. Bellman, R. E., Kashef, B. G. and Casti, J., 1972, “Differential Quadrature: A Technique for the Rapid Solution of Nonlinear Partial Differential Equation,” The International Journal of Compute Physical, Vol. 10, pp. 40-52.
24. Shu, C., and Xue, H., 1999, Solution of Helmholtz Equation by Differential Quadrature Mehod,” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 175, pp. 203-212.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
系統版面圖檔 系統版面圖檔