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研究生: 周曜堂
CHOU, YAO-TANG
論文名稱: 應用三維數位影像相關法檢測碳纖複材圓管內部之缺陷
INSPECTION OF INTERNAL DEFECTS IN CFRP CIRCULAR TUBES BY THREE-DIMENSIONAL DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD
指導教授: 王偉中
WANG, WEI-CHUNG
口試委員: 羅鵬飛
陳政寰
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 144
中文關鍵詞: 三維數位影像相關法破壞性負載非破壞性負載碳纖複材圓管人工缺陷內部缺陷碳纖複材車架
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  • 本研究利用三維數位影像相關(Three-Dimensional Digital Image Correlation, 3D-DIC)法搭配破壞性及非破壞性負載,建立一檢測碳纖複材圓管內部缺陷之方法。本研究藉由碳纖複材拉伸實驗驗證3D-DIC法可成功應用於碳纖複材變形量測上,也藉由碳纖複材圓管三點彎矩實驗驗證3D-DIC法搭配三點彎矩負載可成功應用於檢測碳纖複材圓管內部人工缺陷之位置、形狀及尺寸。
    本研究亦藉由碳纖複材圓管之檢測與驗證,比對本研究與國立清華大學動力機械系光測力學實驗室曾執行之經濟部科技研究發展專案學研聯合計畫之檢測結果,以驗證3D-DIC法搭配破壞性及非破壞性負載(氣壓及溫度負載)檢測碳纖複材圓管內部缺陷之可行性。此外,本研究也應用3D-DIC法搭配非破壞性負載(溫度負載)實際檢測自行車產品碳纖複材車架,以期許能改善目前自行車碳纖複材車架之製程。


    目錄 目錄 I 圖目錄 IV 一、簡介 1 二、文獻回顧 5 2.1 數位影像相關法 5 2.2 碳纖維複合材料 9 三、實驗原理 12 3.1 數位影像相關法 12 3.2 變形與位移 13 3.3 相關函數 15 3.4 數值方法 17 3.4.1 粗-細法 17 3.4.2 牛頓-拉福森法 20 3.5 影像重建 24 3.5.1 雙線性內插法(Bilinear Interpolation Method) 25 3.5.2 雙立方內插法(Bicubic Interpolation Method) 26 3.5.3 雙立方樣條內插法(Bicubic Spline Intepolation) 27 3.6 三維影像相關法 29 四、實驗裝置與試片規劃 34 4.1 實驗裝置 34 4.2 實驗試片 39 4.2.1 碳纖複材拉伸試片 40 4.2.2 碳纖複材圓管試片 40 4.2.3 人工缺陷規劃與製作 41 4.2.4 碳纖複材車架試片 43 五、實驗程序 45 5.1 DIC法分析步驟 45 5.2 碳纖複材拉伸實驗 47 5.3 Gig E介面五百萬像素CCD取像程序 48 5.4 碳纖複材圓管試片三點彎矩實驗程序 49 5.5 碳纖複材圓管試片檢測與驗證 50 5.5.1 氣壓負載實驗程序 51 5.5.2 溫度負載實驗程序 51 5.6 碳纖複材車架檢測實驗 51 六、結果與討論 53 6.1 碳纖複材試片拉伸實驗 53 6.1.1 0°拉伸試片實驗結果 53 6.1.2 90°拉伸試片實驗結果 54 6.1.3 45°拉伸試片實驗結果 54 6.2 0°碳纖複材圓管試片三點彎矩實驗 55 6.2.1 未埋入人工缺陷試片實驗結果 56 6.2.2 膠帶密封型缺陷試片實驗結果 57 6.2.3 氣泡型缺陷I試片實驗結果 60 6.2.4 氣泡型缺陷II試片實驗結果 61 6.3 碳纖複材圓管之檢測與驗證 69 6.4 碳纖複材車架檢測實驗 72 七、結論與未來展望 74 7.1 結論 74 7.2 未來展望 77 八、參考文獻 79 圖目錄 圖1.1 整體實驗架構圖 82 圖3.1 典型隨機斑點圖紋影像 83 圖3.2 變形前後斑點相對位置示意圖 83 圖3.3 變形前後之相對位置 83 圖3.4 變形參數向量與灰階值分佈關係 83 圖3.5 數位影像之離散性 83 圖3.6 雙線性內插法示意圖 83 圖3.7 經雙線性內插法重建之影像曲面 83 圖3.8 雙立方內插法示意圖 83 圖3.9 三種影像內插法比較 83 圖3.10 三維影像相關法立體幾何模型 83 圖3.11 相機取像時轉換座標流程圖 83 圖3.12 鏡頭畸變與相機模型 83 圖4.1 Marlin F-201B CCD相機 83 圖4.2 1.9/35鏡頭 83 圖4.3 焦距28-200mm之鏡頭 83 圖4.4 Neo Carmagne 840腳架 83 圖4.5 M-1000光源 83 圖4.6 VCC-G60FV11 GE CCD相機 83 圖4.7 網路介面卡 86 圖4.8 函數產生器 86 圖4.9 示波器 86 圖4.10 R-150 光源 86 圖4.11 Instron-3366 拉伸試驗機 86 圖4.12 Instron-3365 拉伸試驗機 86 圖4.13 Newport 升降台 86 圖4.14 CJ05 升降台 86 圖4.15 鹵素燈源 86 圖4.16 空氣壓縮機 86 圖4.17 壓力感測器 86 圖4.18 碳纖複材0°拉伸試片及應變規實景圖 86 圖4.19 碳纖複材90°拉伸試片及應變規實景圖 86 圖4.20 碳纖複材 45°拉伸試片及應變規實景圖 86 圖4.21 碳纖複材圓管試片實景圖 86 圖4.22 膠帶密封型缺陷實景圖 86 圖4.23 含膠帶密封型缺陷之試片實景圖 86 圖4.24 氣泡型缺陷I實景圖 86 圖4.25 含氣泡型缺陷I之試片實景圖 86 圖4.26 氣泡型缺陷II實景圖 86 圖4.27 含氣泡型缺陷II之試片實景圖 86 圖4.28 碳纖複材圓管層數示意圖 86 圖4.29 碳纖複材車架試片一實景圖 86 圖4.30 碳纖複材車架試片二實景圖 86 圖5.1 校正試片實景圖 86 圖5.2 2D-DIC系統架設與分析示意圖 86 圖5.3 3D-DIC系統架設與分析示意圖 86 圖5.4 關注區域與種子點之示意圖 86 圖5.5 拉伸實驗實際架設圖 86 圖5.6 碳纖複材圓管三點彎矩實驗流程圖 86 圖5.7 三點彎矩實際架設圖 86 圖5.8 氣壓負載實驗實際架設圖 86 圖5.9 溫度負載實驗實際架設圖 86 圖5.10 碳纖複材車架試片檢測區域實景圖 86 圖5.10 碳纖複材車架檢測實驗實際架設圖 86 圖6.1 0°拉伸試片應力-應變圖 86 (a) 試片1 86 (b) 試片2 86 圖6.2 90°拉伸試片應力-應變圖 86 (a) 試片1 86 (b) 試片2 86 圖6.2 45°拉伸試片應力-應變圖 86 (a) 試片1 86 (b) 試片2 86 圖6.4 3D-DIC法選取分析範圍 86 圖6.5 0°拉伸試片面外位移圖 86 (a) 13MPa 86 (b) 46MPa 86 圖6.6 90°拉伸試片面外位移圖 86 (a) 13MPa 86 (b) 46MPa 86 圖6.7 45°拉伸試片面外位移圖 86 (a) 13MPa 86 (b) 46MPa 86 圖6.8 未埋入人工缺陷試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.9 未埋入人工缺陷試片受三點彎矩負載之變形資訊 86 (a) X方向面內位移圖(負載144.97N) 86 (b) Y方向面內位移圖(負載144.97N) 86 (c) 面外位移圖(負載144.97N) 86 (d) X方向應變圖(負載144.97N) 86 (e) Y方向應變圖(負載144.97N) 86 (f) X方向面內位移圖(負載165.12N) 86 (g) Y方向面內位移圖(負載165.12N) 86 (i) X方向應變圖(負載165.12N) 86 (j) Y方向應變圖(負載165.12N) 86 圖6.10 Tape-L7(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.11 Tape-L7(17S)人工缺陷試片受負載376.26N變形資訊 86 (a) X方向面內位移圖 86 (b) Y方向面內位移圖 86 (c) 試片面外位移圖 86 (d) 試片X方向應變圖 86 (e) 試片Y方向應變圖 86 圖6.12 Tape-C7(17S)及Tape-C6(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.13 Tape-C7(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) 面外位移圖(負載215.99N) 86 (b) Y方向應變圖(負載215.99N) 86 (c) 面外位移圖(負載292N) 86 (d) Y方向應變圖(負載292N) 86 圖6.14 Tape-C6(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) 面外位移圖(負載236.05N) 86 (b) Y方向應變圖(負載236.05N) 86 (c) 面外位移圖(負載319.86N) 86 (d) Y方向應變圖(負載319.86N) 86 圖6.15 AB 1-C7(17S)& AB 1-C7NL(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.16 AB 1-C7(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載97.36N) 86 (b) Y方向應變圖(負載97.36N) 86 圖6.17 AB 1-C7NL(17S)試片受負載303.83N之Y方向應變圖 86 圖6.18 AB 2-C7(17S)& AB 2-C7NL(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.19 AB 2-C7(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載180.18N) 86 (b) Y方向應變圖(負載387.31N) 86 圖6.20 AB 2-C7NL(17S)試片受負載333.35N之Y方向應變圖 86 圖6.21 AB 2-C7(17S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載180.18N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之Y方向應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載387.13N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.22 圖6.21(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.23 AB 2-C6(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.24 AB 2-C6(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載179.84N) 86 (b) Y方向應變圖負載(314.67N) 86 圖6.25 AB 2-C6(17S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載179.84N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載314.67N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.26 圖6.24(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.27 AB 2-C5(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.28 AB 2-C5(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載257.25N) 86 (b) Y方向應變圖(負載392.6N) 86 圖6.29 AB 2-C5(17S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載257.25N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載392.6N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.30 圖6.29(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.31 AB 2-C4(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.32 AB 2-C4(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載127.81N) 86 (b) Y方向應變圖(負載274.19N) 86 圖6.33 AB 2-C4(17S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) 257.25N下之Y方向應變圖 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載257.25N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.34 圖6.33(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.35 AB 2-C3(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.36 AB 2-C3(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載188.99N) 86 (b) Y方向應變圖(負載365.16N) 86 圖6.37 AB 2-C3(17S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載188.99N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載365.16N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.38 圖6.37(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.39 AB 2-C2(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.40 AB 2-C2(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載185.82N) 86 (b) Y方向應變圖(負載510.71N) 86 圖6.41 AB 2-C2(17S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載185.82N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載510.71N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.42 圖6.41(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.43 AB 2-C1(17S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.44 AB 2-C1(17S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載268.67N) 86 (b)Y方向應變圖(負載387.45N) 86 圖6.45 AB 2-C1(17S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載268.67N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載387.45N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.46 圖6.44(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.47 AB 2-C7(10S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.48 AB 2-C7(10S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載191.86N) 86 (b) Y方向應變圖(負載311.22N) 86 圖6.49 AB 2-C7(10S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載191.86N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載311.22N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.50 圖6.49(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.51 AB 2-C6(10S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.52 AB 2-C6(10S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載224.17N) 86 (b) Y方向應變圖(負載321.58N) 86 圖6.53 AB 2-C6(10S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載224.17N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載321.58N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.54 圖6.53(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.55 AB 2-C5(10S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.56 AB 2-C5(10S)試片受負載453.75N之Y方向應變圖 86 圖6.57 AB 2-C5(10S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載453.75N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.58 圖6.56(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.59 AB 2-C4(10S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.60 AB 2-C4(10S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載160.38N) 86 (b) Y方向應變圖(負載362.14N) 86 圖6.61 AB 2-C4(10S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載160.38N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載362.14N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.62 圖6.59(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.63 AB 2-C3(10S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.64 AB 2-C3(10S)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載250.75N) 86 (b) Y方向應變圖(負載431.88N) 86 圖6.65 AB 2-C3(10S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載250.75N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 (d) Y方向應變圖(負載431.88N) 86 (e) Line-B之應變分佈曲線 86 (f) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.66 圖6.65(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.67 AB 2-C2(10S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.68 AB 2-C2(10S)試片受負載292.41N之Y方向應變圖 86 圖6.69 AB 2-C2(10S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載292.41N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.70 圖6.69(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.71 AB 2-C1(10S)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.72 AB 2-C1(10S)試片受負載359.79N之Y方向應變圖 86 圖6.73 AB 2-C1(10S)試片X及Y方向人工缺陷尺寸 86 (a) Y方向應變圖(負載359.79N) 86 (b) Line-B之應變分佈曲線 86 (c) Line-A之應變分佈曲線 86 圖6.74 圖6.73(a)中Line-A隨不同時間之Y方向應變分佈曲線 86 圖6.75 Artificial-P(LF)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.76 Artificial-P(LF)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載896.22N) 86 (b) Y方向應變圖(負載1620.47N) 86 圖6.77 Artificial-P(LF)試片在壓力負載下以ES檢測之結果 86 (a) 干涉條紋圖 86 (b) 相位展開圖 86 圖6.78 Artificial-P (RF)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.79 Artificial-P (RF)之Y方向應變圖(負載650N) 86 圖6.80 Artificial-P(RF)試片在壓力負載下以ES檢測之結果 86 (a) 干涉條紋圖 86 (b) 相位展開圖 86 圖6.81 Artificial-P(RB)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.82 Artificial-P(RB)之Y方向應變圖(負載650N) 86 圖6.83 Artificial-P(RB)試片在壓力負載下以ES檢測之結果 86 (a) 干涉條紋圖 86 (b) 相位展開圖 86 圖6.84 Artificial-N(LF)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.85 Artificial-N(LF)試片受三點彎矩負載變形資訊 86 (a) Y方向應變圖(負載707.56N) 86 (b) Y方向應變圖(負載1129.12N) 86 圖6.86 Artificial-N(LF)試片在壓力負載下以ES檢測之結果 86 (a) 干涉條紋圖 86 (b) 相位展開圖 86 圖6.87 Artificial-N(RF)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.88 Artificial-N(RF)之Y方向應變圖(負載600N) 86 圖6.89 Artificial-N(RF)試片在壓力負載下以ES檢測之結果 86 (a) 干涉條紋圖 86 (b) 相位展開圖 86 圖6.90 Artificial-N(RB)試片受三點彎矩負載圖 86 圖6.91 Artificial-N(RB)之Y方向應變圖(負載600N) 86 圖6.92 Artificial-N(RB)試片在壓力負載下以ES檢測之結果 86 (a) 干涉條紋圖 86 (b) 相位展開圖 86 圖6.93 Artificial-P (RF)試片受氣壓負載之面外位移結果 86 (a) 0KPa 86 (b) 10KPa 86 (c) 20KPa 86 (d) 30KPa 86 (e) 40KPa 86 (f) 50KPa 86 (g) 60KPa 86 (h) 70KPa 86 (i) 80KPa 86 (j) 90KPa 86 圖6.94 Artificial-P (RF)試片受溫度負載曲線 86 圖6.95 Artificial-P (RF)試片受溫度負載之Y方向位移結果 86 (a) 54℃ 86 (b) 50℃ 86 (c) 40℃ 86 (d) 30℃ 86 (e) 28℃ 86 圖6.96 碳纖複材車架試片一受溫度負載曲線 86 圖6.97碳纖複材車架試片一試片受溫度負載之Y方向應變結果.. 86 (a) 64.1℃ 86 (b) 60℃ 86 (c) 50℃ 86 (d) 48℃ 86 (e) 30℃ 86 圖6.98 碳纖複材車架試片二受溫度負載曲線 86 圖6.99 碳纖複材車架試片二試片受溫度負載之Y方向應變結果...86 (a) 66.5℃ 86 (b) 60.3℃ 86 (c) 50℃ 86 (d) 40℃ 86 (e) 30℃ 86 表目錄 表6.1 0°試片拉伸實驗應變規與3D-DIC法所量測之楊氏係數 86 表6.2 90°試片拉伸實驗應變規與3D-DIC法所量測之楊氏係數 86 表6.3 45°試片拉伸實驗應變規與3D-DIC法所量測之楊氏係數. 86 表6.4 試片拉伸實驗3D-DIC法所量測之平均面外位移值 86 表6.5 AB 2試片3D-DIC法所量測之X及Y方向人工缺陷尺寸 -實際尺寸17mm*17mm 86 表6.6 AB 2試片3D-DIC法所量測之X及Y方向人工缺陷尺寸 -實際尺寸10mm*10mm 86

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