鄭暐翰、鄭昭玄、黃心豪 / 臺灣大學工程科學及海洋工程學系
儲氫高壓氣瓶是一種氫氣的儲存裝置，在氫能領域發揮著關鍵的角色。由於儲氫高壓氣瓶的高壓性質，這些氣瓶經常受到極端的環境和應力作用，可能會引起隱藏損傷或缺陷的形成。這些損傷如果未能及早發現和評估，可能會影響氣瓶的性能、安全性和壽命。本文提出了接觸式與非接觸式檢測方法，在接觸式方法中開發移動式無基線的蘭姆波檢測方法，非接觸方法則透過影像方法進行，旨在檢測和評估氣瓶中的不可見損傷，以確保其安全使用。
【內文精選】
前 言
儲氫高壓氣瓶(Pressure Vessels)是氫氣儲存的一種裝置，對於氫氣的儲存、運輸和應用扮演著關鍵角色，提供了有效解決方案。隨著全球對清潔能源和可持續發展的日益關注，氫能作為高效、綠色的能源媒介正受到廣泛關注和應用。
這些高壓氣瓶的主要功能是將氫氣儲存在高壓下，確保氫氣保持在可靠且安全的壓力範圍內。然而，由於氣瓶的高壓特性，在儲氫高壓氣瓶的製造和使用過程中，極端的環境條件和應力作用可能導致氣瓶內部形成隱藏的損傷或缺陷。這些潛在的損傷可能對氣瓶的性能、安全性和壽命產生不利影響，因此，檢測和評估氣瓶變得至關重要。
研究方法
1. 無基線損傷概率成像法
本研究室結合損傷概率成像法和時間互易原理，開發了一種接觸式無基線方法的損傷檢測法。損傷概率算法的計算邏輯，是透過比較健康無損與受損後各個感應路徑上的訊號差異來尋找損傷位置，因此需要有健康無損情況下的基線訊號，並與之相比較，才能得到損傷潛在位置。在這樣的條件下，感測器勢必需要永久地貼附或鑲嵌於結構中。
時間互易原理是指彈性波在材料介質中傳播時的發射源與接收器之間存在反轉對稱性，呈線性、弱非線性或均勻分布非線性。蘭姆波就具有這樣的性質，且互易原理在複合材料板這種均勻分布非線性介質中是有效的。
2. 非接觸式複合材料損傷檢測方式
高壓氣瓶在灌入或釋放氣體時會自然地產生溫度變化，本研究室透過給予複合材料溫度差來產生短暫可復原的熱變形，藉由這些熱變形來檢測出隱藏於其中的損傷。由於複合材料本身複雜的特性，健康無損的部分與受損的部分會擁有不同的熱學及機械性質，其中包含不同的熱傳性質及熱膨脹係數。透過使用高影像分辨率的相機來拍攝並使用立體數位影像相關法(StereoDigital Image Correlation; Stereo DIC)進行分析，但這樣的差異是很微小的，這些微小的差異可以經由一些訊號後處裡技術凸顯出來。在我們的研究中引入了多尺度間隙平滑算法(Multi-scale Gapped Smoothing Algorithm; MSGSA)進行損傷的檢測，該處理方式原先用於閃光熱成像的損傷檢測中，用以檢測分層損傷與健康材料部分熱學性質的差異。
結果討論
1. 曲面複合材料板損傷檢測
在複合材料曲板上進行了實驗，證明移動損傷缺陷方法可以應用於複合材料結構的複雜表面。複合板由T800玻璃纖維和環氧樹脂基體組成，其包含8層橫向玻璃纖維增 強聚合物層壓板，序列為[0/90]2S，曲率半徑為925 mm。為驗證所提出的複雜表面無基線損傷檢測方法之有效性和可行性，在複合材料板LC3和LC5位置人為創建了兩個裂紋缺陷，如圖五(a)所示，兩者尺寸均為15 mm；曲面板損傷檢測路徑如圖五(b)所示。
圖五、(a)實驗中曲面面板損傷檢測區域的線掃描；(b)傳感位置的定義
2. 非接觸式複合材料損傷檢測方式
此部分所使用之試片設置與前述相同，為T800玻璃纖維和環氧樹脂基體組成，它包含8層橫向玻璃纖維增 強聚合物層壓板，序列為[0/90]2S，曲率半徑為925 mm。針對衝擊造成的複雜損傷形式進行討論，在實驗室尺度下透過鹵素燈將試片加溫後使試片產生溫度差，以雙相機系統拍攝記錄圖像，透過立體數位影像相關法計算待側部分在不同溫度變化下的變形來進行三維重建，並計算各方向位移量與應變，如圖七。由於受損部分表現出的性質會與健康狀態不同，可以藉由分析位移場及應變場中突然出現的些微異常變化判定損傷位置。但因為這種差異非常小，若直接觀察位移場及應變場是無法直接地判斷出損傷區域，而透過多尺度間隙平滑算法能將異常數值提取進行損傷分析 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、Stereo DIC進行損傷檢測示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》444期，更多資料請見下方附檔。