第五章 結論與展望
5.2 未來展望
本研究以音洩參數判斷複材壓力容器的指標破壞壓力，但對於缺陷 的辨識及缺陷的生成機制瞭解尚更不足，判斷脫層的生成位置僅以爆破 後的外觀判斷。將來可配合相關非破壞檢測技術，探討壓力容器的缺陷 形成及破壞機制。
本研究採用的壓力容器端蓋之幾何尺寸較為複雜，若以殼元素在端 蓋假設脫層會使得更限元素模型更為複雜，日後可嘗詴以三維實體元素 對含更脫層的壓力容器進行模擬，使結果更接近真實狀況。
參考文獻
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[17] ANSYS, Release 12.0 Documentation for ANSYS: Element Library.
SAS IP, Inc., USA, 2009.
附錄 A 壓力容器端蓋座標、纖維纏繞角度、厚度
X(mm) Y(mm) Angle Thick(mm) 附註 50.8 73.03 15.92 0.79
51.8 73.02 15.93 0.79 52.8 72.98 15.93 0.79 53.8 72.92 15.95 0.79 54.8 72.83 15.97 0.79 55.8 72.71 15.99 0.79 56.8 72.57 16.03 0.8 57.8 72.4 16.06 0.8 58.8 72.2 16.11 0.8 59.8 71.98 16.16 0.8 60.8 71.73 16.22 0.81 61.8 71.45 16.29 0.81 62.8 71.13 16.36 0.81 63.8 70.79 16.44 0.82 64.8 70.42 16.53 0.82 65.8 70.02 16.63 0.83 66.8 69.59 16.73 0.83 67.8 69.12 16.85 0.84 68.8 68.62 16.98 0.85 69.8 68.09 17.11 0.85 70.8 67.51 17.26 0.86
72.8 66.25 17.6 0.88
96.05 24.41 55.18 3.98 (反曲點) 96.3 23.36 60.98 4.15
96.55 22.23 66.78 4.33 96.8 21.02 72.58 4.54 97.05 19.68 78.38 4.63 97.3 18.2 84.18 4.09 97.48 17 90 3.89
附表
表 2.1 壓力容器疊層角度與幾何尺寸
直筒段直徑 146.05(mm)
開口直徑 34(mm)
直筒段長度 101.6(mm)
螺旋繞線厚度 0.79(mm)
周向繞線厚度 0.99(mm)
直筒段繞線順序 [±15.92°2/90°4]
表 2.2 薄殼假設採用的壓力容器材料係數 複材彈性常數(GPa)
E1 143.96
E2 6.067
G12 8.412
柏松比
1 0.33
複材強度(MPa)
X 2,047.8
Y 26.2
S 31.3
X' 1623
Y' 143.63
表 2.3 薄殼假設計算之首層破壞壓力值 Hill-Tsai Tsai-Wu 1,085.3(psi) 1,098(psi)
表 3.1 AE-FRP -06 振盪計數急遽增加前後的斜率變化及壓力值 AE-FRP-06
前次最大壓力(psi) 振盪計數急遽增 加之壓力(psi)
FR
第二次加壓 1,440 1,346 0.935
急遽增加前斜率 (counts/psi)(a)
急遽增加後斜率 (counts/psi)(b)
( ) ( ) b
a 比值
第二次加壓 3.35 47 14.03
表 3.2 AE-FRP -11 振盪計數急遽增加前後的斜率變化及壓力值 AE-FRP-11
前次最大壓力(psi) 振盪計數急遽增 加之壓力(psi)
FR
第二次加壓 736.5 736.5 1
第三次加壓 1,493 1,332 0.892
第四次加壓 2,251 2,013 0.894
第五次加壓 2,623 2,341 0.892
急遽增加前斜率 (counts/psi)(a)
急遽增加後斜率 (counts/psi)(b)
( ) ( ) b
a 比值
第二次加壓 9.2 50 5.43
第三次加壓 17.4 94 5.4
第四次加壓 12.2 47 3.85
第五次加壓 8.3 67.1 8.08
表 3.3 AE-FRP -13 振盪計數急遽增加前後的斜率變化及壓力值 AE-FRP-13
前次最大壓力(psi) 振盪計數急遽增 加之壓力(psi)
FR
第二次加壓 736.5 773 1.05
第三次加壓 1,485.5 1,303 0.877
第四次加壓 2,237 1,930 0.863
第五次加壓 2,616 2,210 0.845
急遽增加前斜率 (counts/psi)(a)
急遽增加後斜率 (counts/psi)(b)
( ) ( ) b
a 比值
第二次加壓 11.5 80.9 7.03
第三次加壓 10.1 120.9 11.97
第四次加壓 7.28 57.3 7.87
第五次加壓 6.1 86.8 14.22
表 3.4 AE-FRP -14 振盪計數急遽增加前後的斜率變化及壓力值 AE-FRP-14
前次最大壓力(psi) 振盪計數急遽增 加之壓力(psi)
所佔比例
第二次加壓 1,020 950 0.931
第三次加壓 1,488.5 1,350 0.907
第四次加壓 2,234.4 1844 0.825
第五次加壓 3,087 2,623 0.85
急遽增加前斜率 (counts/psi)(a)
急遽增加後斜率 (counts/psi)(b)
( ) ( ) b
a 比值
第二次加壓 11.73 93.98 8.01
第三次加壓 12.42 55.73 4.49
第四次加壓 11.89 46.95 3.94
第五次加壓 12.4 36.3 2.93
表 3.5 不同判斷方式所得指標破壞壓力
表 4.1 數值計算採用的複材材料係數 彈性常數(GPa)
E1 143.96
E2 6.067
E3 6.067
G12 8.412
G13 8.412
G23 8.412
柏松比
1 0.33
2 0.33
3 0.33
表 4.2 數值計算採用的金屬接頭材料係數 彈性常數(GPa)
E1 205
柏松比
1 0.29
表 4.3 數值計算採用的平板材料係數 彈性常數(GPa)
E1 200
柏松比
1 0.3
表 4.4 平板力平衡驗證 脫層處平均應
力(MPa)
無脫層處平 均應力(MPa)
脫層處合力 (N)
非脫層處合力 (N) Layer1 9.08 10.35 54.48 248.4 Layer2 8.06 10.44 48.36 250.56 Layer3 8.1 10.44 48.6 250.56 Layer4 8.14 10.44 48.84 250.56
表 4.5a 第一類脫層的 1-4 層應力統計比較
LAYER1 LAYER2 LAYER3 LAYER4 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22
更 脫 層 平 均 應力(MPa)
468 19.6 467 19.6 465 19.7 463 19.7
無 脫 層 平 均 應力(MPa)
467.6 19 468.4 19 469.2 19 470 19
表 4.5b 第一類脫層的 5-8 層應力統計比較
LAYER5 LAYER6 LAYER7 LAYER8 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22 更 脫 層 平 均
應力(MPa)
509 24.2 506 23.8 502 23.6 499 23.3
無 脫 層 平 均 應力(MPa)
317.3 23.6 317.9 23.6 317.7 23.7 318.1 23.7
表 4.6a 第二類脫層的 1-4 層應力統計比較
LAYER1 LAYER2 LAYER3 LAYER4 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22
更 脫 層 平 均 應力(MPa)
410 26.5 375 25 318 24.6 305 24
無 脫 層 平 均 應力(MPa)
467.6 19 468.4 19 469.2 19 470 19
表 4.6b 第二類脫層的 5-8 層應力統計比較
LAYER5 LAYER6 LAYER7 LAYER8 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22 σ11 σ22 更 脫 層 平 均
應力(MPa)
505 24.2 504 25.9 504 27.6 503 29.3
無 脫 層 平 均 應力(MPa)
317.3 23.6 317.9 23.6 317.7 23.7 318.1 23.7
表 4.7 全尺寸分析與實驗結果比較
首層破壞壓力 指標性破壞壓力 薄殼應力分析 Hill-Tsai
破壞準則
1,085 -
薄殼應力分析 Tsai-Wu 破壞準則
1,098 -
全尺寸應力分析 Hill-Tsai 破壞準則
1,026 -
全尺寸應力分析 Tsai-Wu 破壞準則
1,044 -
明顯能量峰值所得指標性破壞壓力 - 1,239
累計振盪計數所得指標性破壞壓力 - 1,038
附圖
圖 2.1 複材層板的全域座標與局部座標
圖 3.1 依據 ASTM D-2585 製作複材壓力容器的幾何尺寸圖[13]
圖 3.2 油壓裝置及夾具示意圖
strain gauge
preamplifier
Wheatstone bridge
Strain indicator
Vallen AMS3 system Pressure
vessel
AE sensor1 AE sensor5
PC
圖 3.3 音洩量測系統架構圖
圖 3.4 液壓實驗裝置實體照片
圖 3.5 音洩量測系統 Vallen AMS3 實體照片
layer4 layer3 layer2 layer1 layer5 layer6 layer7 layer8
layer1 layer2 layer3 layer4
layer1 layer2 layer3 layer4
直筒段
端蓋 端蓋
圖 3.6 壓力容器疊層順序
a
b
c
d
e
a=2min hold below 50% of test pressure b=2min hold at 50% of test pressure c=2min hold at 75% of test pressure d=2min hold at 87.5% of test pressure e=10min hold at 100% of test pressure
time
% of test pressure 87.5
(a)
0 2000 4000 6000
time (s)
圖 3.7 (a)ASTM E2191-02 所建議分段加壓歷時曲線，(b)本實驗所採用反 覆加壓歷時曲線圖
time
% of test pressure
a
b
c
a=2min hold below 50% of test pressure b=rising load
c=10min hold at 100% of test pressure
87.5
圖 3.8 (a)ASTM E2191-02 所建議連續加壓歷時曲線，(b)本實驗所採用連 續加壓歷時曲線圖
圖 3.9 探頭擺放位置示意圖，2 號探頭位於 1 號探頭背面
0 1000 2000 3000
time (s) 0
1000 2000 3000 4000
pressure (psi)
AE-FRP-06
圖 3.10 AE-FRP-06 負載歷時曲線
0 1000 2000 3000 4000
culumative AE counts
AE-FRP-06
2nd_stage
圖 3.11 AE-FRP-06 累計振盪計數曲線
0 400 800 1200 1600
pressure (psi)
culumative AE counts
1346psi1440psi
2nd_stage
圖 3.12 局部放大 AE-FRP-06 第二次加壓累計振盪計數曲線
0 2000 4000 6000 8000
0 1000 2000 3000
pressure (psi) 0
200000 400000 600000
cumulative AE counts
AE-FRP-11
0 400 800 1200 pressure (psi)
20000 30000 40000 50000
cumulative AE counts
736.5psi 1135.9psi
2nd_stage
圖 3.15 局部放大 AE-FRP-11 第二次加壓累計振盪計數曲線
0 400 800 1200 1600 pressure (psi)
120000 140000 160000
cumulative AE counts
1332psi 1493psi
3rd_stage
圖 3.16 局部放大 AE-FRP-11 第三次加壓累計振盪計數曲線
0 500 1000 1500 2000 2500
cumulative AE counts
2013psi 2251psi
4th_stage
圖 3.17 局部放大 AE-FRP-11 第四次加壓累計振盪計數曲線
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
cumulative AE counts
2341psi 2623psi
5th_stage
圖 3.18 局部放大 AE-FRP-11 第五次加壓累計振盪計數曲線
0 2000 4000 6000 8000 time (s)
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
AE-FRP-13
圖 3.19 AE-FRP-13 負載歷時曲線
0 1000 2000 3000
pressure (psi) 0
200000 400000 600000 800000
cumulative AE counts
AE-FRP-13
2nd_stage 3rd_stage 4th_stage
5th_stage
圖 3.20 AE-FRP-13 累計振盪計數曲線
0 200 400 600 800 1000 pressure (psi)
40000 50000 60000 70000
cumulative AE counts
736.5psi
2nd_stage 773psi
圖 3.21 局部放大 AE-FRP-13 第二次加壓累計振盪計數曲線
0 400 800 1200 1600 pressure (psi)
240000 250000 260000 270000 280000 290000
cumulative AE counts
1303psi 1485.5psi
3rd_stage
圖 3.22 局部放大 AE-FRP-13 第三次加壓累計振盪計數曲線
0 500 1000 1500 2000 2500 pressure (psi)
470000 480000 490000 500000 510000
cumulative AE counts
1930psi 2237psi
4th_stage
圖 3.23 局部放大 AE-FRP-13 第四次加壓累計振盪計數曲線
0 1000 2000 3000
pressure (psi) 580000
590000 600000 610000 620000 630000
cumulative AE counts
2210psi 2615.7psi 5th_stage
圖 3.24 局部放大 AE-FRP-13 第五次加壓累計振盪計數曲線
0 2000 4000 6000 8000 time (s)
0 1000 2000 3000 4000
pressure (psi)
AE-FRP-14
圖 3.25 AE-FRP-14 負載歷時曲線
0 1000 2000 3000 4000
pressure (psi) 0
200000 400000 600000
culumative AE counts
AE-FRP-14
2nd_stage 3rd_stage
4th_stage 5th_stage
圖 3.26 AE-FRP-14 累計振盪計數曲線
0 400 800 1200 pressure (psi)
40000 50000 60000 70000 80000
culumative AE counts
1020psi 950psi
2nd_stage
圖 3.27 局部放大 AE-FRP-14 第二次加壓累計振盪計數曲線
0 400 800 1200 1600
pressure (psi) 160000
170000 180000 190000
culumative AE counts
1488.5psi 1350psi
3rd_stage
圖 3.28 局部放大 AE-FRP-14 第三次加壓累計振盪計數曲線
0 500 1000 1500 2000 2500
culumative AE counts
2234psi 1844psi
4th_stage
圖 3.29 局部放大 AE-FRP-14 第四次加壓累計振盪計數曲線
0 1000 2000 3000 4000
pressure (psi) 460000
480000 500000 520000
culumative AE counts
3056psi 2623psi
5th_stage
圖 3.30 局部放大 AE-FRP-14 第五次加壓累計振盪計數曲線
0 200 400 600 800 1000
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
amplitude (mV) AE-FRP-05
(d)
圖 3.31 AE-FRP-05 壓力容器的(a)負載歷時曲線、(b)能量、(c)振盪計數、
(d)振幅分佈
0 200 400 600 800
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
amplitude (mV) AE-FRP-09
(d)
圖 3.32 AE-FRP-09 壓力容器的(a)負載歷時曲線、(b)能量、(c)振盪計數、
(d)振幅分佈
0 400 800 1200 1600
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
amplitude (mV) AE-FRP-15
(d)
圖 3.33 AE-FRP-15 壓力容器的(a)負載歷時曲線、(b)能量、(c)振盪計數、
(d)振幅分佈
0 1000 2000 3000
cumulative AE counts
AE-FRP-05
1343psi
1980psi
900psi
圖 3.34 AE-FRP-05 累計振盪計數曲線
0 1000 2000 3000 4000
pressure (psi)
cumulative AE counts
AE-FRP-09
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 pressure (psi)
0 100000 200000 300000 400000
cumulative AE counts
AE-FRP-15
1030psi
2410psi
2875psi
圖 3.36 AE-FRP-15 累計振盪計數曲線
圖 3.37 AE-FRP-05 在不同壓力區間下的振盪計數與振幅分佈
圖 3.38 AE-FRP-09 在不同壓力區間下的振盪計數與振幅分佈
圖 3.39 AE-FRP-15 在不同壓力區間下的振盪計數與振幅分佈
圖 3.40 AE-FRP-12 爆破後照片
圖 3.41 AE-FRP-14 爆破後照片
90°方向斷裂
90°方向斷裂
圖 3.42 AE-FRP-15 爆破後照片
圖 3.43 AE-FRP-06 爆破後照片
90°方向斷裂 90°方向斷裂
-15.92°方向斷裂 15.92°方向斷裂
圖 3.44 AE-FRP-09 爆破後照片
圖 3.45 AE-FRP-11 爆破後照片
15.92°方向斷裂 -15.92°方向斷裂
90°方向斷裂
-15.92°方向斷裂 90°方向斷裂
15.92°方向斷裂 端蓋斷裂
圖 3.46 AE-FRP-13 爆破後照片
圖 3.47 AE-FRP-05 爆破後照片 15.92°方向斷裂
-15.92°方向斷裂
端蓋斷裂 端蓋斷裂
90°方向斷裂
45°方向斷裂
圖 4.1 直筒段與端蓋處線段
圖 4.2 將圖 4.1 之線段繞 x 軸旋轉所得壓力容器外殼
圖 4.3 對 y-z 平面鏡射後所得完整實體模型
圖 4.4 元素 Shell91[17]
複材纖維(Shell91)
金屬接頭 (Solid95)
圖 4.5 網格後更限元素模型剖面圖
圖 4.6 擷取紅色線段上的節點應力值
-80 -40 0 40 80 x (mm)
100 200 300 400 500
(MPa)layer1 layer2
圖 4.7 在壓力 1,026psi 作用下，1-2 層 σ11分佈
-80 -40 0 40 80
x (mm) 100
200 300 400 500
(MPa)layer3 layer4
圖 4.8 在壓力 1,026psi 作用下，3-4 層 σ11分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60 x (mm)
316 320 324 328 332
(MPa)layer5 layer6
圖 4.9 在壓力 1,026psi 作用下，5-6 層 σ11分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 320
324 328 332 336
(MPa)layer7 layer8
圖 4.10 在壓力 1,026psi 作用下，7-8 層 σ11分佈
-80 -40 0 40 80 x (mm)
6 12 18 24 30
(MPa)layer1 layer2
圖 4.11 在壓力 1,026psi 作用下，1-2 層 σ22分佈
-80 -40 0 40 80
x (mm) 8
12 16 20 24
(MPa)layer3 layer4
圖 4.12 在壓力 1,026psi 作用下，3-4 層 σ22分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60 x (mm)
23.2 23.6 24 24.4
(MPa)layer5 layer6
圖 4.13 在壓力 1,026psi 作用下，5-6 層 σ22分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 23.6
23.8 24 24.2 24.4
(MPa)layer7 layer8
圖 4.14 在壓力 1,026psi 作用下，7-8 層 σ22分佈
-80 -40 0 40 80 x (mm)
0 0.4 0.8 1.2
Hill-Tsai index
layer1 layer2
圖 4.15 在壓力 1,026psi 作用下，1-2 層失效指數分佈
-80 -40 0 40 80
x (mm) 0.2
0.4 0.6 0.8 1
Hill-Tsai index
layer3 layer4
圖 4.16 在壓力 1,026psi 作用下，3-4 層失效指數分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60 x (mm)
0.84 0.86 0.88 0.9 0.92
Hill-Tsai index
layer5 layer6
圖 4.17 在壓力 1,026psi 作用下，5-6 層失效指數分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 0.86
0.88 0.9 0.92
Hill-Tsai index
layer7 layer8
圖 4.18 在壓力 1,026psi 作用下，7-8 層失效指數分佈
0 1000 2000 3000
0 1000 2000 3000
pressure (psi)
圖 4.20 平板更限元素及負載邊界
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 0
10 20 30
x
layer1 layer2
(a)
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 0
4 8 12 16
x
layer4 layer3
(b)
圖 4.21 (a) 平板第 1、2 層應力分佈，(b) 平板第 3、4 層應力分佈
圖 4.22 第一類脫層網格加密更限元素模型
圖 4.23 第二類脫層網格加密更限元素模型
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
0 400 800
MPa)delamination no delamination
(a)
-120 -80 -40 0 40 80 120
x (mm) -80
-40 0 40 80
MPa)delamination no delamination
(b)
圖 4.24 第一類脫層於第 1 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
200 400 600 800 1000
MPa)delamination no delamination
(a)
-120 -80 -40 0 40 80 120
x (mm) -40
0 40 80 120
MPa)delamination no delamination
(b)
圖 4.26 第一類脫層於第 3 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
200 400 600 800 1000
Padelamination no delamination
(a)
-120 -80 -40 0 40 80 120
x (mm) -20
0 20 40 60
Padelamination no delamination
(b)
圖 4.27 第一類脫層於第 4 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60 x (mm)
0 400 800 1200
Padelamination no delamination
(a)
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 0
20 40 60 80
Padelamination no delamination
(b)
圖 4.28 第一類脫層於第 5 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60
-60 -40 -20 0 20 40 60
-60 -40 -20 0 20 40 60 x (mm)
0 400 800 1200 1600
Padelamination no delamination
(a)
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) -80
-40 0 40 80
Padelamination no delamination
(b)
圖 4.31 第一類脫層於第 8 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
0 400 800
MPa)delamination no delamination
(a)
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
-80 -40 0 40
MPa)delamination no delamination
(b)
圖 4.32 第二類脫層於第 1 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
200 400 600
MPa)delamination no delamination
(a)
-120 -80 -40 0 40 80 120
x (mm) -40
-20 0 20 40
MPa)delamination no delamination
(b)
圖 4.34 第二類脫層於第 3 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
0 400 800
Padelamination no delamination
(a)
-120 -80 -40 0 40 80 120 x (mm)
-10 0 10 20 30
Padelamination no delamination
(b)
圖 4.35 第二類脫層於第 4 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60
-60 -40 -20 0 20 40 60 x (mm)
300 400 500 600
Padelamination no delamination
(a)
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 0
20 40 60 80
Padelamination no delamination
(b)
圖 4.37 第二類脫層於第 6 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈
-60 -40 -20 0 20 40 60
-60 -40 -20 0 20 40 60 x (mm)
200 400 600 800 1000
Padelamination no delamination
(a)
-60 -40 -20 0 20 40 60
x (mm) 0
40 80 120
Padelamination no delamination
(b)
圖 4.39 第二類脫層於第 8 層，(a)σ11分佈，(b)σ22分佈