[发明专利]粘合接头的结构健康监测的方法和系统

说明书

提供了使用导波进行粘合接头的结构健康监测的方法和系统。所述方法通过注入高频超声波信号并测量通过粘合剂传播并通过粘合材料和粘合剂之间的界面引导和捕获的超声波的特性来确定两种材料之间的粘合剂粘合的质量。在检查实际的粘合结构之前，使用有限元模型模拟该结构。还模拟所引导的超声波沿着粘合剂粘合线的传播，以获得界面波预测的特性。在实际结构的超声波检测过程中，获得界面波测量的特性。通过比较实验界面波测量的特性和模拟的界面波预测的特性来确定粘合剂粘合线的质量。

技术领域

本公开总体上涉及混合结构的结构健康监测，并且更具体地，涉及用于粘合接头的结构健康监测的系统和方法。

背景技术

粘合结构用于在不同结构元件的表面之间创建负荷路径。粘合剂粘合具有许多积极的属性，使其成为一种有吸引力的组装方法，特别是对于部分或完全由复合材料制成的结构。

混合结构是由具有不同材料特性的两个部分制成的那些接头。这种接头通常在制造过程中共粘合或共固化。典型的混合结构具有一段金属，另一段是复合层压板。

期望提供用于监测混合结构中的粘合剂粘合的手段和方法。

发明内容

本文所述的系统和方法通过将被检结构与模拟的未损坏的结构和/或模拟的损坏的结构进行比较来提供用于监测粘合剂粘合的结构健康的可重复且可靠的非破坏性技术。所公开的系统和方法采用导波。导波是由边界引导的声波。

更具体地，本文公开的主题涉及用于使用导波进行粘合剂粘合的结构健康监测的系统和方法。所述方法通过注入高频(例如，5MHz或更高)超声波信号并测量通过粘合剂传播的超声波的特性来确定两种材料之间的粘合剂粘合的质量，通过粘合材料和粘合剂之间的界面捕获和引导所述超声波。在检查实际的粘合结构之前，使用有限元模型模拟该结构。还模拟所引导的超声波沿着粘合剂粘合线的传播，以获得界面波预测的特性。在实际结构的超声波检测过程中，获得界面波测量的特性。通过比较实验的界面波测量的特性和模拟的界面波预测的特性来确定粘合剂粘合线的质量。根据各种实施方式，所关注的特性可以包括以下波特性中的一个或多个：行进时间(即，速度)、幅度变化、相位变化和波能分布(即，耗散)的变化。

以下详细公开的系统和方法使用数值模拟和建模来研究和可视化超声波在各向同性、各向异性和混合介质中传播的行为。这些建模技术的结果尤其关注非破坏性评估技术的开发以及超声波发生器和超声波传感器在结构健康监测系统中的最佳位置。根据一些实施方式，数值模拟技术使用开源有限元分析(FEA)代码、Abaqus Dynamic Explicit，其具有在各种结构中对不同损坏情况和故障模式进行建模的能力。

利用通过有限元建模的数值模拟的结构健康监测系统可以根据频率、范围、换能器类型和位置的调整，来降低与固定或便携式无损检测(NDT)工具和设备的校准相关的成本。本文公开的系统还可以通过模拟超声波在金属和复合材料中的传播行为以及结构中的任何缺陷或损坏的不利影响来预测检查的预期结果。该系统的一个益处是操作员或检查员可以在调整工具和探究结构以进行检查之前使用模拟结果并可视化检查的预期结果。有限元建模也可以用于验证和证明检查方法，并最终能够从基于时间表的维护概念变为基于条件的维护方法。

下面详细公开的检查方法基于使用界面导波(在下文中称为“界面波”)来评估混合结构的粘合线处的损坏。具体地，所公开的检查方法使用界面波来进行混合结构和层压复合材料粘合评估。界面波在两种材料的界面处具有良好的特性，例如，大位移和高能量。与通常通过介质的厚度传播的其他超声波波形相比，这些特性导致界面波在选定模式和频率下对混合结构的界面损坏具有高敏感度。