[发明专利]用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试下对象中的缺陷的集成系统和方法

说明书

本发明涉及用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料(150)中的缺陷的集成系统和方法。该系统包括与扫描系统(20)集成的测试系统(10)，该扫描系统包括：探针组件(52)，其用于在安装在测试系统上的CFRP复合材料(150)的表面上产生涡流；以及3D扫描器组件(60)，其用于探针组件(50)在CFRP复合材料(150)的整个表面区域之上沿X轴、Y轴和Z轴移动。操作者控制台(70)连接到测试系统和扫描系统(20)，用于控制(3)测试系统中的机械测试过程以及用于控制探针组件(52)以同步方式沿X轴、Y轴和Z轴的三维运动。这种系统和方法实现了对CFRP复合材料(150)的(3D)自动和同步3D扫描，以在机械测试之前/期间/之后准确地检测CFRP复合材料(150)中的缺陷，而不中断机械测试过程。

技术领域

本实施例一般涉及对经受静态和循环负载测试的对象进行扫描。本实施例更具体地涉及一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷的集成系统和方法。

背景技术

通常，碳纤维增强聚合物或塑料(CFRP)复合材料广泛用于：(a)航空航天，用于制造飞行器；(b)船运，用于制造船舶、船等；(c)汽车，用于制造高速车辆；(d)运动器材，用于制造网球、羽毛球、冰球、板球、自行车轮辋、轮子和框架；(e)土木工程，以增强混凝土、木材等强度；(f)乐器，以制作吉他、小提琴、鼓；(g)枪械，以替代木材或金属部件；(h)家具，如三脚架腿、钓鱼杆、台球和步行杆；以及(i)牙科，以替代牙槽。CFRP复合材料的这些广泛应用是由于其优异的性能，例如：(i)高强度重量比；(ii)高刚度；(iii)各向异性导电率；(iv)低热膨胀系数；(v)高抗疲劳性；(vi)耐腐蚀和化学稳定；(vii)易燃；(viii)热稳定和更高的传导性。

但是，由于制造缺陷或外部负载模式，这些CFRP复合材料在其使用寿命期间经常被发现存在缺陷。CFRP复合材料的一些缺陷包括分层、空隙、堆积无序、内含物、湿气、冲击损伤、纤维断裂和未对准。当CFRP复合材料用于各种应用时，这些缺陷在CFRP复合材料中的持续性会导致严重的后果。因此，必须检测这些缺陷以避免这种后果并增加CFRP复合材料的使用寿命。这些缺陷不能被肉眼注意到，并且需要在不改变材料和几何特性的情况下进行检测。

CFRP复合材料中的缺陷和损伤可以通过多种方法检测，但是常规的检测方法通常限于某些种类的材料和结构几何形状。具体地，它需要复杂的非破坏性测试(NDT)方法，例如超声厚度测量(A-扫描)、超声线性扫描(B-扫描)、超声穿透扫描(C-扫描)、声学扫描(AC)、激光超声(LU)、膜共振(MR)、声发射(AE)、声超声(AU)、激光立体成像(LS)、涡流测试(ECT)、瞬时热成像(TT)、锁定热成像(LT)、振动热成像(VT)、X射线成像(XR)、X射线断层摄影(XT)、X射线背反射(XB)以及声冲击(AI)。涡流测量对CFRP复合材料中的碳纤维的特定响应以及无需制备样品(CFRP)表面都使得涡流测试适合于检测分层和纤维断裂形式的损坏。

在用于CFRP复合材料的NDT技术的现有方法中，样品，例如CFRP复合材料，被脱机测试并且在NDT期间不经受任何负载。这种非破坏性CFRP扫描要求三维机械手(台架系统)控制的高精度位移，以在CFRP复合材料的表面区域之上移动传感器。在非破坏性涡流测试(ECT)方法的设置中，在CFRP复合材料或受试对象中产生电磁信号，其中CFRP复合材料具有导电性。这导致了CFRP复合材料中的涡流形成，其中分析裂纹周围这些涡流的变化以检测CFRP复合材料中的缺陷。

图1示出了根据现有技术的用于使用涡流传感器(3)脱机扫描CFRP复合材料(4)的系统(1)的示意图。现有技术的系统(1)和其扫描CFRP复合材料(4)的方法基本上限于脱机扫描：(a)以在生产后立即检测CFRP复合材料样本(4)中的制造缺陷；(b)以检测CFRP试样(4)在其使用寿命期间或在实验室中模拟使用寿命条件期间的条件，例如在各种负载条件下使用独立测试系统测试CFRP复合材料(4)之后。