專利名稱：老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料修復(fù)與健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的修復(fù)，特別是一種采用光纖智能 復(fù)合材料修復(fù)老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷及修復(fù)后的健康監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
利用復(fù)合材料預(yù)浸料搭接修復(fù)老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)的方法可有效抑制現(xiàn)有 損傷的擴(kuò)展，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命和使用安全性。與金屬卯固技術(shù)相比， 復(fù)合材料搭接修復(fù)技術(shù)具有應(yīng)力傳遞平穩(wěn)、避免卯固帶來的附加應(yīng)力集 中，具有優(yōu)異的疲勞與損傷容限性能，同時(shí)在結(jié)構(gòu)曲面處易于施工等特點(diǎn)。 復(fù)合材料搭接層板修復(fù)通常設(shè)計(jì)為越接近層板邊緣位置，層板厚度越低， 以降低層板邊緣部分的應(yīng)力集中所導(dǎo)致的層板破壞。因?yàn)樾迯?fù)結(jié)構(gòu)發(fā)生損 傷破壞時(shí)，分層與脫粘破壞在這種楔形區(qū)域擴(kuò)展迅速，所以對該區(qū)域進(jìn)行 監(jiān)測十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而引入了采用光纖智能復(fù) 合材料修復(fù)老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷及修復(fù)后的健康監(jiān)測方法。是一種實(shí)時(shí)監(jiān)測 評(píng)估復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)完整性的方法，利用該方法就可以對修復(fù)結(jié)構(gòu)的損 傷(分層或脫粘)在達(dá)到危險(xiǎn)尺寸前就能被監(jiān)測出來，并提供預(yù)警信號(hào)， 確保修復(fù)結(jié)構(gòu)的安全。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案利用埋入FBG光柵傳感 器網(wǎng)絡(luò)的智能復(fù)合材料搭接層板修復(fù)老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷，以監(jiān)測修復(fù)結(jié)構(gòu)在服役過程中的應(yīng)變狀況，從而對修復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行評(píng)估。工作原理 該發(fā)明將FBG光柵傳感器埋入復(fù)合材料搭接層板的邊緣位置，當(dāng)該區(qū)域出 現(xiàn)分層或脫粘破壞時(shí)，該區(qū)域的應(yīng)變分布會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光柵傳感 器測量應(yīng)變異?；蚬鈻欧瓷涔鈏普的異化，由此可確定搭接層板的破壞位置 和狀況。
本發(fā)明是通過下述具體工藝步驟實(shí)現(xiàn)的
(a) 老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)損傷的表面處理，主要處理過程為l)用 砂布打磨去除修理區(qū)域內(nèi)的所有漆層；2)采用便攜式吹砂槍對復(fù)合材料修 理區(qū)域進(jìn)行吹砂處理，吹后可明顯改變待修表面的狀態(tài)，并除去表面陳舊 的和結(jié)合力不強(qiáng)的氧化層、污染物，增加機(jī)械結(jié)合力；3)用丙酮清洗修理 區(qū)域，以去除油脂、灰塵和其他外來物質(zhì)；4)連續(xù)刷涂硅烷偶聯(lián)劑15min， 刷涂后立即用電吹風(fēng)烘干約15min，硅烷分子鏈的一側(cè)對鋁有親合力，另 一側(cè)對環(huán)氧樹脂有親合力，使經(jīng)過處理的結(jié)構(gòu)表面具有高的表面能，從而 獲得較高的膠接強(qiáng)度與耐久性。
(b) 通過對結(jié)構(gòu)損傷的分析診斷和設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了復(fù)合材料粘接 層板的幾何參數(shù)、鋪層數(shù)量及鋪層的取向，制作了對稱式的復(fù)合材料粘接 層板。
(c) 在老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料粘接層板之間使用樹脂粘接層，可 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇相應(yīng)的樹脂類型。
(d) 樹脂粘接層上^鋪放復(fù)合材料粘接層板，樹脂粘接層和復(fù)合材 料粘接層板的位置主要由結(jié)構(gòu)損傷決定。復(fù)合材料搭接層板由復(fù)合材料預(yù) 浸料組成，其形狀為逐層遞減的楔形結(jié)構(gòu)，^^復(fù)面積、^^復(fù)層數(shù)和遞減長 度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定。(e )將FBG光柵傳感器埋入復(fù)合材料粘接層板的邊緣位置并與其邊 界平行。埋入FBG光柵傳感器及光纖。具體的步驟為(l)將兩段短光 纖粘接在光纖的刻寫光柵部位，粘接劑使用502膠水；(2)短光纖的端 部用硅橡膠封裝保護(hù)，為避免光柵的界面?zhèn)鬟f效果，在光柵部位不使用硅 橡膠；(3 )硅橡膠封裝后的光纖光柵用502膠水粘接在兩層窄布帶間(碳 纖維、玻璃纖維或芳綸纖維布帶)；(4)復(fù)合材料成型過程中，將布帶 放入復(fù)合材料的預(yù)定位置。(5)光纖與復(fù)合材料的出入口位置，用硅橡 膠進(jìn)行封裝。
(f )埋入FBG光柵傳感器的智能復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)的成型采用真空 袋共固化的方法。完成一個(gè)固化周期需要幾個(gè)步驟真空壓緊、加溫、固 化和降溫。固化周期的長短由所用膠膜與預(yù)浸料決定。固化完成后，冷卻 到6(TC以下后再釋方文壓力，拆除真空袋和分離膜。
本發(fā)明可實(shí)時(shí)監(jiān)測評(píng)估復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)完整性，利用該方法就可以 對修復(fù)結(jié)構(gòu)的損傷分層或脫粘在達(dá)到危險(xiǎn)尺寸前就能^皮監(jiān)測出來，并提供 預(yù)警信號(hào)，確保修復(fù)結(jié)構(gòu)的安全。具有方法科學(xué)、易于推廣的特點(diǎn)。該發(fā) 明可廣泛應(yīng)用到軍用或民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的修復(fù)及健康監(jiān)測領(lǐng)域，對提高 飛機(jī)結(jié)構(gòu)修復(fù)后的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測和評(píng)估具有重要意義。


圖l是本發(fā)明的俯—見圖。 圖2是圖1的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例
參照圖l和圖2,老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料修復(fù)與健康監(jiān)測方法，具體操作步驟(a )老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)損傷2的表面處理， 主要處理過程為l)用砂布打磨去除修理區(qū)域內(nèi)的所有漆層；2)采用了便 攜式吹砂槍對復(fù)合材料修理區(qū)域進(jìn)行吹砂處理，吹后可明顯改變待修表面 的狀態(tài)，并除去表面陳舊的和結(jié)合力不強(qiáng)的氧化層、污染物，增加機(jī)械結(jié) 合力；3)用丙酮清洗修理區(qū)域，以去除油脂、灰塵和其他外來物質(zhì)；4) 連續(xù)刷涂硅烷偶聯(lián)劑15min，刷涂后立即用電吹風(fēng)烘干約15min，硅烷分 子鏈的一側(cè)對鋁有親合力，另一側(cè)對環(huán)氧樹脂有親合力，4吏經(jīng)過處理的結(jié) 構(gòu)表面具有高的表面能，從而獲得較高的膠接強(qiáng)度與耐久性。上述老化飛 機(jī)結(jié)構(gòu)可以是金屬結(jié)構(gòu)，也可以是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
(b)通過對結(jié)構(gòu)損傷2的分析診斷和設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了復(fù)合材料粘 接層板3的幾何參數(shù)、鋪層數(shù)量及鋪層的取向，制作了對稱式的復(fù)合材料 粘接層板3。
(c )在老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)1與復(fù)合材料粘接層板3之間使用樹脂粘接層 4。上述修復(fù)用復(fù)合材料粘接層板3可選用碳纖維(Kevlar纖維)/環(huán)氧 (雙馬)樹脂復(fù)合材料預(yù)浸料。其形狀為逐層遞減的楔形結(jié)構(gòu)，修復(fù)面積、 修復(fù)層數(shù)和遞減長度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定。
(d)樹脂粘接層4上面鋪放復(fù)合材料粘接層板3,樹脂粘接層4和 復(fù)合材料粘接層板3的位置主要由結(jié)構(gòu)損傷2決定。復(fù)合材料粘接層板3 與老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)1之間粘接用的樹脂粘接層4。可以是環(huán)氧樹脂或雙馬樹 脂體系。
(e )將FBG光柵傳感器5埋入復(fù)合材料搭接層板3的邊緣位置并與 其邊界平行。上述FBG光柵傳感器可選擇普通FBG光柵傳感器或啁嗽FBG 光柵傳感器。光纖選用聚酰胺涂層材料。FBG光柵傳感器的應(yīng)變解調(diào)裝置可以選用MOI公司的動(dòng)態(tài)應(yīng)變解調(diào)儀SI425,也可以選用具有全光鐠功能 的靜態(tài)應(yīng)變解調(diào)儀SI125-500。
埋入FBG光柵傳感器5及光纖6。具體的步驟為(1 )將兩段50-100mm 短光纖粘接在光纖的刻寫光柵部位，粘接劑使用502膠水。(2)短光纖 的端部用硅橡膠封裝保護(hù)，為避免光柵的界面?zhèn)鬟f效果，在光柵部位不使 用硅橡膠。(3 )硅橡膠封裝后的光纖光柵用502膠水粘接在兩層5mm寬 的窄布帶間(碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維布帶)。(4 )復(fù)合材料成型 過程中，將布帶放入復(fù)合材料的預(yù)定位置。(5)光纖與復(fù)合材料的出入 口位置，用硅橡膠進(jìn)行封裝。
(f )埋入FBG光柵傳感器5的智能復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)的成型采用真 空袋共固化的方法。完成一個(gè)固化周期需要幾個(gè)步驟真空壓緊、加溫、 固化和降溫。固化周期的長短由所用膠膜與預(yù)浸料決定。本實(shí)施例采用的 固化參數(shù)為升、降溫速率1. 5~ 3°C/min，固化時(shí)間60 ~ 90min,固化溫 度120。C，真空壓力不低于75kPa ( 750mb)。固化完成后，冷卻到60。C以 下后再釋;^文壓力，拆除真空袋和分離膜。
權(quán)利要求
1、老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料修復(fù)與健康監(jiān)測方法，其特征在于該方法利用埋入FBG光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能復(fù)合材料搭接層板修復(fù)老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷，以監(jiān)測修復(fù)結(jié)構(gòu)在服役過程中的應(yīng)變狀況，從而對修復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行評(píng)估，并可以對修復(fù)結(jié)構(gòu)的損傷，分層或脫粘，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測評(píng)估，在達(dá)到危險(xiǎn)尺寸前就能被監(jiān)測出來，并提供預(yù)警信號(hào)。
2、 如權(quán)利要求1所述的老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料修復(fù) 與健康監(jiān)測方法，其特征在于該方法的具體步驟(a)老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)(1)和結(jié)構(gòu)損傷(2)的表面處理，主要處理過 程為l)用砂布打磨去除修理區(qū)域內(nèi)的所有漆層；2)采用了便攜式吹砂槍 對復(fù)合材料修理區(qū)域進(jìn)行吹砂處理，吹后可明顯改變待修表面的狀態(tài)，并 除去表面陳舊的和結(jié)合力不強(qiáng)的氧化層、污染物，增加機(jī)械結(jié)合力；3) 用丙酮清洗修理區(qū)域，以去除油脂、灰塵和其他外來物質(zhì)；4)連續(xù)刷涂硅 烷偶聯(lián)劑15min,刷涂后立即用電吹風(fēng)烘千約15min,硅烷分子鏈的一側(cè) 對鋁有親合力，另一側(cè)對環(huán)氧樹脂有親合力，^使經(jīng)過處理的結(jié)構(gòu)表面具有 高的表面能，從而獲得較高的膠接強(qiáng)度與耐久性，上述老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)可以 是金屬結(jié)構(gòu)，也可以是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；(b )通過對結(jié)構(gòu)損傷(2 )的分析診斷和設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了復(fù)合材料 粘接層板(3)的幾何參數(shù)、鋪層數(shù)量及鋪層的取向，制作對稱式的復(fù)合 材料粘接層板(3 );(c )在老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)(1)與復(fù)合材料粘接層板(3 )之間使用樹脂 粘接層(4),上述修復(fù)用復(fù)合材料粘接層板(3)可選用^f灰纖維，Kevlar 纖維/環(huán)氧(雙馬)樹脂復(fù)合材料預(yù)浸料，其形狀為逐層遞減的楔形結(jié)構(gòu)， 修復(fù)面積、修復(fù)層數(shù)和遞減長度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定；(d )樹脂粘接層(4 )上面鋪放復(fù)合材料粘接層板(3 ),樹脂粘接層 (4)和復(fù)合材料粘接層板(3)的位置主要由結(jié)構(gòu)損傷(2)決定，復(fù)合 材料粘接層板(3)與老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)(1)之間粘接用的樹脂粘接層(4)， 可以是環(huán)氧樹脂或雙馬樹脂體系；(e )將FBG光柵傳感器(5 )埋入復(fù)合材料搭接層板(3 )的邊緣位 置并與其邊界平行。
3、 如權(quán)利要求1和2所述的老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料 修復(fù)與健康監(jiān)測方法，其特征在于埋入FBG光柵傳感器(5 )及光纖(6 ), 具體步驟為(1)將兩段短光纖粘接在光纖的刻寫光^HM立，粘接劑使 用502膠水；(2)短光纖的端部用硅橡膠封裝保護(hù)，為避免光柵的界面 傳遞效果，在光柵部位不使用硅橡膠；(3 )硅橡膠封裝后的光纖光柵用 502膠水粘接在兩層窄布帶間，如碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維布帶；(4 )復(fù)合材料成型過程中，將布帶放入復(fù)合材料的預(yù)定位置；(5 )光纖 與復(fù)合材料的出入口位置，用硅橡膠進(jìn)行封裝；(f )埋入FBG光柵傳感器(5 )的智能復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)的成型采用 真空袋共固化的方法，完成一個(gè)固化周期需要真空壓緊、加溫、固化和降 溫幾個(gè)步驟，固化周期的長短由所用膠膜與預(yù)浸料決定，固化完成后，冷 卻到60。C以下后再釋放壓力，拆除真空袋和分離膜。
4、 如權(quán)利要求3所述的老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料修復(fù) 與健康監(jiān)測方法，其特征在于所述的固化參數(shù)為升、降溫速率1.5~3 。C/min，固化時(shí)間60~90min，固化溫度120。C，真空壓力不低于75kPa。
5、 如權(quán)利要求3所述的老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料修復(fù) 與健康監(jiān)測方法，其特征在于所述的短光纖為50-100mm ;所述的窄布 帶為5mm寬。
全文摘要
老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的光纖智能復(fù)合材料修復(fù)與健康監(jiān)測方法，該方法利用埋入FBG光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能復(fù)合材料搭接層板修復(fù)老化飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷，以監(jiān)測修復(fù)結(jié)構(gòu)在服役過程中的應(yīng)變狀況，從而對修復(fù)結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行評(píng)估，并可以對修復(fù)結(jié)構(gòu)的損傷，分層或脫粘，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測評(píng)估復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)完整性，在達(dá)到危險(xiǎn)尺寸前就能被監(jiān)測出來，并提供預(yù)警信號(hào)，確保修復(fù)結(jié)構(gòu)的安全。具有方法科學(xué)、易于推廣的特點(diǎn)。該發(fā)明可廣泛應(yīng)用到軍用或民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的修復(fù)及健康監(jiān)測領(lǐng)域，對提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)修復(fù)后的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測和評(píng)估具有重要意義。
文檔編號(hào)G01N21/84GK101561400SQ20091001152
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者盧少微, 偉 李, 王柏臣, 春 陸, 平 陳, 馬克明, 禹 高 申請人:沈陽航空工業(yè)學(xué)院;大連理工大學(xué)