復(fù)合結(jié)構(gòu)損傷的檢測和評估的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體涉及用于檢測和評估復(fù)合結(jié)構(gòu)損傷的系統(tǒng)和方法。該過程和方法兼容并且不限于使用防雷系統(tǒng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代飛行器用更多百分比的復(fù)合材料來設(shè)計和建造。在一些飛行器中，多于50%的結(jié)構(gòu)部件是用復(fù)合材料制造的。復(fù)合材料是堅韌輕質(zhì)的材料。主要類型的復(fù)合材料(例如，玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維或硼纖維)與偶聯(lián)劑(例如，樹脂)結(jié)合，以生成具有改進的或優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特性的產(chǎn)品，這種結(jié)構(gòu)特性在原始材料中是不存在的。與鋁相比，復(fù)合材料更輕并且具有更好的機械和疲勞特性。然而，它們也有較差的導(dǎo)電性，并且提供較差的電磁屏蔽。導(dǎo)電率降低使電流耗散減小，這可能在電磁效應(yīng)(例如，雷擊)發(fā)生時導(dǎo)致?lián)p傷。
[0003]更具體地說，當(dāng)雷電擊中飛行器時，飛行器蒙皮上的導(dǎo)電路徑允許電流沿著蒙皮行進，并且在飛行器上的某個其他位置處離開。如果沒有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電路徑，會產(chǎn)生電弧和過熱點(hot spot),從而可能地影響蒙皮。同樣,復(fù)合材料的較低的電氣屏蔽能力增加了對飛行器內(nèi)的布線和系統(tǒng)的雷電威脅。
[0004]一種用于保護飛行器上的復(fù)合蒙皮避免雷擊損傷的現(xiàn)有機制是，包含傳導(dǎo)雷電的蒙皮防護系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以存在于飛行器復(fù)合蒙皮內(nèi)或者之上。被用于提供飛行器上的導(dǎo)電路徑的一種類型的系統(tǒng)是交織線布料(IWWF)。對于這種類型的系統(tǒng)，導(dǎo)線(例如，磷青銅導(dǎo)線)被嵌入在最接近風(fēng)吹表面的復(fù)合材料的頂層中。其他類型的系統(tǒng)可以包括使用薄銅箔片。對于機身中的交織線布料系統(tǒng)，導(dǎo)線通常具有約0.003到約0.004英寸的厚度范圍。這些類型的導(dǎo)線被彼此間隔開。在90度網(wǎng)狀模式中，典型的間距為約0.010英寸。
[0005]高強度的放電，例如對包含IffffF的復(fù)合材料的雷擊，可能導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)的IWWF的非順應(yīng)(non-compliant)特性,這進而導(dǎo)致了一部分復(fù)合材料是非順應(yīng)的。某些部分的非順應(yīng)復(fù)合材料可能不能通過觀察識別。非順應(yīng)的IWWF必須被替換，以便為飛行器提供電磁事件(EME)保護，包括移除具有IWWF損失的區(qū)域并且用順應(yīng)的IffffF替換被移除的區(qū)域。
[0006]此外，測試已經(jīng)表明，某些雷電防護結(jié)構(gòu)容易經(jīng)歷基板微裂紋并且最終產(chǎn)生裂紋。由于反復(fù)且極端的溫度、濕度以及壓力波動，導(dǎo)致容易形成微裂紋。由于多個因素，包括因熱膨脹系數(shù)不同以及復(fù)合系統(tǒng)中各部件之間的非最優(yōu)界面粘接導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致發(fā)生微裂紋。
[0007]增強纖維復(fù)合蒙皮面板可能要求局部修復(fù)，以去除已經(jīng)缺乏抵抗力的一部分面板。局部修復(fù)包括去除缺乏抵抗力的部分面板，準備將要修復(fù)的區(qū)域，用傾斜的或階梯的方式大致砂磨周圍的復(fù)合材料和邊緣部分，制作、粘合以及固化復(fù)合材料補片，所述復(fù)合材料補片采用充分重疊/交疊(overlap)的復(fù)合材料和交織線布料，以確保來自粘合的修復(fù)段上的雷擊的能量轉(zhuǎn)移到周圍的蒙皮面板中。
[0008]當(dāng)前，不同的方法被用于檢查由復(fù)合材料構(gòu)成的已修復(fù)的結(jié)構(gòu)。例如，美國專利7，898，246公開了一種非破壞性檢查包括交織線布料的已修復(fù)復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。現(xiàn)有的過程被用于證實結(jié)構(gòu)性修復(fù)，但是不可以證實交織線布料導(dǎo)電性。特別地，它們既檢測不到需要維護或修復(fù)交織線布料損傷，也不能隔離或評估與EME/HIRF相關(guān)的問題的潛在風(fēng)險。
[0009]本申請主張于2013年12月26日提交的美國臨時申請61/920，808的利益。
[0010]在現(xiàn)有的用于檢查和/或監(jiān)測復(fù)合結(jié)構(gòu)的健康狀況的系統(tǒng)和方法的基礎(chǔ)上的任何改進將是有益的，尤其是如果這種改進可以被應(yīng)用到原始的和已修復(fù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)兩者。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本文公開的主題涉及被設(shè)計為提供預(yù)測信息并且定位和識別、評估嚴重性，以及驗證復(fù)合結(jié)構(gòu)的維護和修復(fù)的系統(tǒng)、過程以及軟件算法。本文公開的系統(tǒng)提供用于維護和修復(fù)人員的日常信息并且在結(jié)構(gòu)性或嵌入式系統(tǒng)損傷(例如，制造過程不純、修復(fù)失敗或者復(fù)合材料已經(jīng)過度形變、切割、燒傷、脫層等)的情況下，使損傷評估能夠支持分派(dispatch)。
[0012]本文公開的一些過程提供集成的測量和測試技術(shù)，以便維護由交織線布料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)在整個飛機壽命周期內(nèi)的健康狀況，并且檢測會潛在地導(dǎo)致EME/HIRF(高強度輻射場)相關(guān)問題的損傷等級的發(fā)生。特別地，本文公開的系統(tǒng)能夠識別在現(xiàn)有的復(fù)合結(jié)構(gòu)和為了保護內(nèi)部系統(tǒng)免于EME/HIRE相關(guān)的系統(tǒng)損傷進行修改而導(dǎo)致的新引入的復(fù)合結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電率的可能波動和/或脫層。系統(tǒng)所要求的信息能夠被用于評估例如由于沖擊波或雷擊而導(dǎo)致的動態(tài)沖擊的嚴重性。
[0013]根據(jù)本文公開的說明性實施例，提供了一種監(jiān)測復(fù)合結(jié)構(gòu)中針對已經(jīng)被修復(fù)的區(qū)域的結(jié)構(gòu)完整性的系統(tǒng)和方法。當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)被修復(fù)時，由于雷擊問題，還存在電氣方面的考慮，這些考慮通過在補片準備期間確保交織線布料的重疊來滿足。下文公開的說明性實施例采用嵌入的傳感器、射頻識別(RFID)以及數(shù)據(jù)提取。特別地，本文所公開的一些系統(tǒng)能夠?qū)?fù)合修復(fù)區(qū)域中包含的雷擊緩沖器件進行壽命周期監(jiān)測。
[0014]本文公開的復(fù)合修復(fù)系統(tǒng)包括被嵌入在復(fù)合修復(fù)補片的板層之間的傳感器(傳感器類型可以包括壓力傳感器、應(yīng)變傳感器(例如，應(yīng)變計)、導(dǎo)電率傳感器、光纖傳感器、聲音傳感器以及電容傳感器)。飛行器上的每個修復(fù)補片可以被提供有一個或多個傳感器。在某些情況下，多個離散的傳感器被設(shè)置在修復(fù)補片中的選定位置。在其他情況下，傳感器可以被具體設(shè)計為具有與修復(fù)補片的形狀一致的形狀。
[0015]在復(fù)合修復(fù)已經(jīng)被固化之后，監(jiān)測嵌入在修復(fù)部位的一個或多個傳感器的輸出。接著處理傳感器輸出信號，以識別所獲取的指示可能存在修復(fù)部位的結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)據(jù)組。根據(jù)一些實施例，在修復(fù)已經(jīng)被完成之后并且在已修復(fù)母結(jié)構(gòu)(例如，飛行器)被返回服役之前由傳感器輸出的測量值被認為是基線。
[0016]在已修復(fù)母結(jié)構(gòu)被返回服役之后，可以通過獲取并且處理由嵌入在修復(fù)補片中的一個或多個傳感器輸出的數(shù)據(jù)來連續(xù)地或者周期性地監(jiān)測修復(fù)部位的完整性。在壽命周期監(jiān)測期間，每個傳感器的輸出與相應(yīng)的基線值進行比較。當(dāng)在服役期間的環(huán)境條件是一個因素(例如，溫度)時，必須以去除可歸于在確定基線值期間是不存在的環(huán)境因素的影響的方式處理傳感器輸出。當(dāng)監(jiān)測的傳感器輸出偏離基線傳感器輸出達到預(yù)定義的閾值時(對于每種修復(fù)情形，閾值是不同的)，補片將被修復(fù)或替換。響應(yīng)于檢測到監(jiān)測的傳感器輸出已經(jīng)偏離基線傳感器輸出多于指定閾值的情形，監(jiān)測系統(tǒng)具有發(fā)出警報或警告信號的能力，所述警報或警告信號使得在駕駛艙內(nèi)產(chǎn)生可視或可聽的警報或警告，或者將數(shù)據(jù)存儲在存儲器內(nèi)。
[0017]本文公開的主題的一個方面是一種監(jiān)測由復(fù)合材料構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性的方法。該方法包括:(a)將傳感器放置在沒有完全固化的復(fù)合材料的板層之間，傳感器能夠輸出表示在復(fù)合材料已經(jīng)被固化之后周圍的復(fù)合材料的當(dāng)前結(jié)構(gòu)特性的數(shù)據(jù)；(b)當(dāng)傳感器就位時固化復(fù)合材料板層以產(chǎn)生具有嵌入的傳感器的復(fù)合材料；(C)在固化步驟之后，獲取并且記錄來自嵌入的傳感器的基線數(shù)據(jù)，其表示周圍的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性；(d)在基線數(shù)據(jù)已經(jīng)被獲取并且記錄之后，使層壓結(jié)構(gòu)經(jīng)受負荷；(e)在步驟(d)之后的某個時間或在步驟(d)期間獲取并且記錄來自嵌入的傳感器的負荷后數(shù)據(jù)，負荷后的數(shù)據(jù)表示周圍的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性；(f)以識別相應(yīng)基線和負荷后數(shù)據(jù)之間的差別的方式處理基線數(shù)據(jù)和負荷后數(shù)據(jù)，所述差別指示周圍的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)改變；以及(g)確定所識別的差別是否指示周圍的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)改變超出了指定閾值。步驟(e)到(g)由計算機系統(tǒng)執(zhí)行。在一些實施例中，步驟(f)包括基于基線傳感器數(shù)據(jù)生成基線簽章，基于負荷后傳感器數(shù)據(jù)生成負荷后簽章，并且比較基線簽章和負荷后簽章。
[0018]前述方法可以進一步包括:響應(yīng)于在步驟(g)中確定所識別的差別指示周圍的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)改變超出了指定閾值，發(fā)出警報信號；和/或處理負荷后數(shù)據(jù)，以補償由于在執(zhí)行步驟(C)或(e)時的時間或者其附近的本地條件的不同而導(dǎo)致的影響。
[0019]在層壓結(jié)構(gòu)包括具有修復(fù)部位和被