[发明专利]用于检测结构元件之间粘合强度的弱化的系统和方法

说明书

本发明的方面涉及用于检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间粘合强度的弱化的方法和系统。系统包括一个或更多个负荷销(LP)以及控制器。一个或更多个LP可以垂直于两个或更多个接合表面而被插入穿过两个或更多个结构元件，使得LP最初没有感测到剪切负荷。系统还包括控制器，该控制器被配置成：在从一个或更多个LP接收到剪切负荷值时，检测两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化。

发明背景

使用各种胶水粘合结构元件是一种广泛使用的附接方法，尤其是由两种不同类型的材料(例如复合材料和金属)制成的结构元件的附接。这种附接的主要问题之一是两个结构元件的分离或部分分离，这是由于结构元件的接合表面之间的粘合强度的弱化。这种分离或弱化很难检测，特别是在结构元件的使用寿命期间。例如，当两个结构元件被包括在交通工具(例如，飞行器、海船或汽车)中时，在交通工具行驶(例如，驾驶、俯冲、航行或飞行)时，几乎不可能检测弱化。

目前已知的方法使用负荷销(load pin)(LP)来测量结构中的负荷(例如，动态负荷)。LP安装到结构上，使得LP承载从作用在接合结构上的负荷衍生出的负荷。因此，这种LP以高精度测量作用在结构上的动态负荷。例如，位于飞行器机翼中的LP将测量飞行期间作用在机翼上的动态负荷。

当开始检测两个元件(例如，机翼中的两个元件)之间的分离或粘合强度的弱化时，可以采取不同的方法。测量作用在整个接合结构(例如，机翼)上的实际负荷不能指示分离或粘合的弱化是否已经发生，因为它没有测量粘合力本身。虽然接合结构可能负荷很重，但是粘合力仍然可以保持两个元件而不失效。

有几种已知的检测分离或弱化的方法，其通过将传感器放置在两个结构元件之间的粘合层内而使用对粘合强度的直接测量。应变仪(例如，压电设备)可以嵌入粘合层中，直接感测作用在粘合层中的负荷的变化。该方法限于插入传感器的区域，并且可能通过将异物体插入粘合层而削弱粘合强度。另外的方法是使用放置在结构元件中各个区域处的声学传感器。由于声学传感器及附属装备的尺寸，这种方法非常有限，且无法应用于空间和可达性有限的结构中，这些结构是不可接近的，并且位于封闭组件中。此外，声学方法只能在组件(交通工具)静止时使用。

因此，需要一种简单的系统来测量接合结构中两个或更多个元件之间的分离或粘合的弱化。根据本发明的一些实施例的这种系统可以使用LP来间接检测接合结构中两个或更多个元件之间的分离或粘合的弱化。根据本发明的一些实施例的LP可以插入到接合结构，使得LP本身不测量作用在接合结构上的动态负荷，并且即使接合结构被动态地加载，最初(当粘合强度足够保持接合结构时)也没有负荷作用在LP上。

发明概述

需要一种可靠的系统和方法，用于在结构的使用寿命期间检测结构元件的接合表面之间的分离或粘合强度的弱化。还需要一种系统，用于检测由作用在两个或更多个粘合结构元件上的意外负荷(例如，外部负荷)引起的两个或更多个粘合结构元件的意外快速分离。特别地，需要一种系统，该系统可以在结构失效之前警告分离过程(例如，部分分离或弱化)的开始。在交通工具中，这一点在交通工具行驶时例如当无人驾驶飞行器(UAV)飞行或者赛车比赛或潜艇潜水时尤其重要。根据本发明的实施例的系统可以使用一个或更多个负荷销(LP)来实时感测两个结构元件之间的粘合强度的弱化，从而警告在粘合完全失效之前可能发生严重损坏。根据本发明的实施例的LP是感测换能器，其可以包括插入销内的传感器(例如，应变计)，用于感测作用在销上的负荷(例如，力、应力和应变)。可附接到销内壁的传感器可以感测作用在销外壁上的负荷，并将感测到的负荷转换成电信号。一个或更多个LP可以基本上垂直于粘合的表面而被插入(并固定)到两个或更多个粘合的结构元件中，使得LP最初没有感测到剪切负荷。当两个或更多个结构元件之间的粘合强度良好时，负荷销可能检测到很少至没有负荷。当两个或更多个结构元件之间的粘合强度发生弱化或失效时，负荷(例如，剪切应力)可以施加在负荷销上，并被传感器感测到。警报可以启动一组动作来处理即将到来的失效，例如，降低交通工具的速度，限制飞行器的飞行机动，以及使交通工具返回。