CN104634488B - 一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置；通过两根端部熔接在一起的布里渊频移温度系数和布里渊频移应变系数不同的单模光纤组成光纤测量环路，两端分别连接在布里渊光时域分析部分的探测激光输出端口和泵浦输出端口，通过实时测量长桁变形引起的光纤的布里渊频移量，得到各测量阶段的应变值和温度值。将单模光纤和长桁构件预浸料胶接在一起，并放置热压罐中进行固化，使单模光纤与长桁构件固化连接成一个整体，且与被测对象紧密接触，保证单模光纤随着长桁构件的变形而变形，确保变形的有效传递，实时测量探测光纤的布里渊频移分布，实现探测光纤温度和应变的实时测量，完成复合材料长桁变形的实时监测与测量。

Description

一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置

技术领域

本发明涉及复合材料变形测量及光纤传感技术领域，具体地说,涉及一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置。

背景技术

复合材料具有比强度和比模量高，优良的抗疲劳性能，以及独特的材料可设计性等诸多优异性能，在航空航天领域中得到了广泛的应用。由于飞机减重及结构需要，加筋结构件是最常用的复合材料零件设计方式，其中工字形长桁是飞机承力结构件中最常用的加筋方式，在各种型号上应用广泛。工字形长桁结构做为提高蒙皮抗弯曲构件之一，越来越广泛应用于航空、宇航、船舶的翼面结构及壳体结构中，并且用量越来越大；但是，复合材料长桁零件在制作过程中经历高温固化成型及冷却过程后，由于材料的热胀冷缩效应、基体树脂的化学收缩效应以及复合材料与成型所用模具材料在热膨胀系数上的显著差异，导致结构在固化过程中存在残余应力，脱模后在室温下的自由形状与预期的理想形状之间会产生一定程度的不一致,即工件回弹变形和翘曲变形，因此，需要对变形量进行测量。另外，由于飞机受气动力及其它冲击载荷影响，长桁会发生变形，而且这种载荷一般是低能量的、也是低速冲击；但是，这种低速低能量的冲击损伤由于其发生可能在使用期的任意时刻，而且在整个使用期内，很难用常规的目视检测方法检出，所以有潜在的危险，因此，需要对变形进行监测。

在复合材料变形测量方面，现有公开的技术文献“基于智能夹层的复合材料柔性蒙皮变形测量研究”(兵器材料科学与工程)，中介绍了一种复合材料变形测量方法，以应变片作为传感元件，实验设计制作了一种智能夹层，将应变传感器预制成集成化、模块化的夹层，提高了蒙皮变形能力，在蒙皮变形的线弹性范围内智能夹层能有效测得应变数据。但是，这种基于应变片式的测量方法输出信号微弱、抗干扰能力差、温度稳定性不好；该方法针对真空干燥箱中60℃～70℃固化情况，无法满足随着工字形长桁在热压罐中进行180℃的固化的温度要求。因此，需要一种能满足工字形长桁在热压罐中的固化条件，并能随时监测并测量复合材料长桁变形的方法和装置。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置；通过两根端部熔接在一起的布里渊频移温度系数和布里渊频移应变系数不同的单模光纤组成探测光缆回路，探测光缆和复合材料预浸料采用胶粘剂胶接在一起，并放置在热压罐中进行固化，使探测光缆与长桁构件连接成一个整体，测量探测光缆中两根光纤的布里渊频移分布，实现探测光缆温度和应变的实时测量，完成复合材料长桁变形的实时监测与测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种飞机复合材料长桁变形测量方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定预浸料尺寸，根据所要成形的工字形长桁构件外形尺寸确定所需复合材料预浸料尺寸；

步骤2.组装长桁构件，工字形长桁构件由四片模压成“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2、平板型预浸料B3、平板型预浸料B4复合材料层板件组成，平板型预浸料B4的外表面与飞机蒙皮连接，探测光缆采用胶粘剂胶接在平板型预浸料B3的外表面；

步骤3.将两根单模光纤组成的探测光缆采用胶粘剂胶接在工字形长桁构件预浸料的外表面，并将带有探测光缆的复合材料预浸料放置在热压罐中，升温至180℃、恒温180min进行预吸胶固化，使探测光缆与长桁构件连接成一个整体，得到嵌有探测光缆的复合材料长桁构件；

步骤4.复合材料长桁构件脱模前，测量探测光缆的初始状态，脱模后，长桁发生变形，引起探测光缆中单模光纤的变形，通过实时测量两根单模光纤的变形引起的布里渊频移量，得到各测量阶段的应变值和温度值。

一种用于所述复合材料长桁变形测量方法的装置，其特征在于包括布里渊光时域分析部分、探测光缆，布里渊光时域分析部分包括探测激光器、信号收集器、泵浦激光器，探测光缆由第一单模光纤、第二单模光纤两根端部熔接在一起的布里渊频移温度系数和布里渊频移应变系数不同的单模光纤组成，第一单模光纤与第二单模光纤分别由纤芯、包层、涂覆层、护套组成，纤芯采用高纯度石英玻璃纤维，护套材料为尼龙，单模光纤胶接在工字形复合材料长桁构件预浸料的外表面；布里渊光时域分析部分利用受激布里渊散射效应制成布里渊型连续分布式光纤传感器，设置有信号收集器、探测激光器输出端口和泵浦激光器输出端口，并分别与探测光缆两端连接，探测激光和泵浦激光相向入射到传感光纤后，通过实时测量长桁变形引起的光纤的布里渊频移量，得到各测量阶段的温度值和应变值。

有益效果

本发明提出的一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置,通过两根端部熔接在一起的布里渊频移温度系数和布里渊频移应变系数不同的单模光纤组成的光纤测量环路，两端分别连接在布里渊光时域分析部分的探测激光输出端口和泵浦输出端口，通过实时测量长桁变形引起的两根光纤的布里渊频移量，得到各测量阶段的应变值和温度值，解决了布里渊光时域分析过程中温度与应变交叉敏感问题，结构简单。本发明中将单模光纤用胶粘剂胶接在工字形长桁构件预浸料的外表面，将带有单模光纤的复合材料预浸料放置在热压罐中，升温至180℃、恒温180min的固化条件进行固化，使单模光纤与长桁构件固化连接成一个整体，确保与被测对象紧密接触；单模光纤随着长桁构件的变形而有效传递，提高了测量精度。由于自发布里渊散射十分微弱，观察也非常困难，因此，本发明采用的是受激布里渊散射，布里渊光时域分析部分的探测激光和泵浦激光分别从被测光纤的两端相向入射，两束激光在光纤内部发生相互作用，使得布里渊信号容易定位检测，利用布里渊散射信号强，信噪比高，有效地保证了在远距离光纤探测时的测量精度，增加了光纤的有效测量距离。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置作进一步详细说明。

图1为本发明的单模光纤结构示意图。

图2为本发明的光纤测量部分示意图。

图3为本发明的单模光纤与工字形长桁构件连接固化整体示意图。

图4为本发明的工字形长桁构件固化成型工艺组合示意图。

图中:

1.纤芯 2.包层 3.涂覆层 4.护套 5.探测激光器 6.信号收集器 7.泵浦激光器8.受激布里渊散射光 9.布里渊光时域分析部分 10.探测光缆 10A.第一单模光纤10B.第二单模光纤 10C.光纤熔接处 11.复合材料长桁构件 12.胶粘剂 13.上压板14.左半对模15.下压板 16.右半对模 17.单向预浸料

B1、B2为“]”型预浸料 B3、B4为平板型预浸料

具体实施方式

本实施例是一种飞机复合材料长桁变形测量方法及装置，采用光纤传感技术，通过两根端部熔接在一起的布里渊频移温度系数和布里渊频移应变系数不同的单模光纤和长桁构件预浸料胶接在一起，并放置在热压罐中进行固化，使单模光纤与复合材料长桁构件固化连接形成光纤测量环路，两端分别连接在布里渊光时域分析部分的探测激光输出端口和泵浦输出端口，通过实时测量长桁变形引起的光纤的布里渊频移量，得到各测量阶段的温度值和应变值。

参阅图1～图4，本实施例是用于长度为1000mm，上下缘条及立边厚度均为4.8mm的飞机复合材料长桁的变形测量。复合材料长桁变形测量装置包括布里渊光时域分析部分9和探测光缆10,布里渊光时域分析部分由探测激光器5、信号收集器6、泵浦激光器7组成，探测光缆10由第一单模光纤10A、第二单模光纤10B的端部光纤熔接点10C熔接在一起的布里渊频移温度系数和布里渊频移应变系数不同的单模光纤组成，第一单模光纤10A与第二单模光纤10B分别由纤芯1、包层2、涂覆层3、护套4组成，纤芯1采用高纯度石英玻璃纤维材料，护套4采用尼龙材料。探测光缆10通过胶粘剂12胶接固化在复合材料层板组合体的外表面，且在热压罐中固化成形，平板型预浸料B4固化后与飞机蒙皮连接，探测光缆10在端头处与布里渊光时域分析部分9相连接。复合材料层板组合体由四片复合材料“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2、平板型预浸料B3、平板型预浸料B4组合而成，工艺上采用热压罐或烘箱进行预吸胶和模压成“]”型预浸料B1、]”型预浸料B2、及平板型预浸料B3、平板型预浸料B4，四片复合材料层板组合成长桁；左半对模14和右半对模16分别放置在“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2的凹槽内，“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2挤压在一起形成工字形长桁的立边，平板型预浸料B3和平板型预浸料B4分别固定在“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2组合体的外侧，下压板15将平板型预浸料B4挤压在“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2组合体的底部形成工字形长桁的下缘条，上压板13将平板型预浸料B3挤压在“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2组合体的顶部形成工字形长桁的上缘条；其中,上压板13中部有放置探测光缆10的U形槽，U形槽圆弧区半径与探测光缆10半径一致，胶粘剂12粘合在U型槽的非圆弧段，在“]”型预浸料B1、“]”型预浸料B2组合体R区外侧与平板型预浸料B3和平板型预浸料B4组成的空隙处填充单向预浸料17，复合材料层板组合体和探测光缆10通过胶粘剂12粘贴后，整体放到热压罐中进行固化成型，固化后去除左半对模14、右半对模16、上压板13、下压板15，得到带有探测光缆10的复合材料长桁构件11。

复合材料层板组合体由铺层得到，单层固化厚度为0.12mm，每个层板需要铺贴20层，材料为CCF-1/5405。胶粘剂12为J-116高温结构胶粘剂，成分为高温固化环氧树脂。布里渊光时域分析部分9主要由探测激光器5、信号收集器6及泵浦激光器7组成。探测光缆10的第一单模光纤10A、第二单模光纤10B为耐高温特种单模光纤，耐热温度达300℃,两根光纤的端部熔接在一起。左半对模14、右半对模16、上压板13、下压板15材质为A3钢，粗糙度低于Ra1.6，形面公差±0.05mm，其表面涂覆脱模剂，单向预浸料17材料为CCF-1/5405，与复合材料层板所用材料相同，单向预浸料17按铺叠后理论计算尺寸得到宽度值，把宽度分切成1.5～2.5mm宽进行填充，确保单向预浸料的填充量及位置准确；热压罐最大压力为1.1MPa，最高使用温度为200℃，升温速率为0～3℃/min；本实施例中升温至120℃、恒温30min，加压0.50MPa，升温至140℃、恒温90min，升温至180℃、恒温180min。

布里渊光时域分析部分9利用受激布里渊散射效应制成布里渊型连续分布式光纤传感器，探测光缆10两端分别与探测激光器5输出端口和泵浦激光器7输出端口连接，探测激光和泵浦激光相向入射到传感光纤后，利用受激布里渊散射效应实现沿光纤分布的布里渊频移量，得到沿探测光缆分布的温度值和应变值。

Claims (2)

1.一种飞机复合材料长桁变形测量方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定预浸料尺寸，根据所要成形的工字形长桁构件外形尺寸确定所需复合材料预浸料尺寸；

步骤2.组装长桁构件，工字形长桁构件由四片模压成第一“]”型预浸料(B1)、第二“]”型预浸料(B2)、第一平板型预浸料(B3)、第二平板型预浸料(B4)复合材料层板件组成，第二平板型预浸料(B4)的外表面与飞机蒙皮连接，探测光缆采用胶粘剂胶接在第一平板型预浸料(B3)的外表面；

步骤3.将两根单模光纤组成的探测光缆采用胶粘剂胶接在工字形长桁构件预浸料的外表面，并将带有探测光缆的复合材料预浸料放置在热压罐中，升温至180℃、恒温180min进行预吸胶固化，使探测光缆与长桁构件连接成一个整体，得到嵌有探测光缆的复合材料长桁构件；

步骤4.复合材料长桁构件脱模前，测量探测光缆的初始状态，脱模后，长桁发生变形，引起探测光缆中单模光纤的变形，通过实时测量两根单模光纤的变形引起的布里渊频移量，得到各测量阶段的应变值和温度值。

2.一种用于如权利要求1所述的复合材料长桁变形测量方法的装置，其特征在于包括布里渊光时域分析部分、探测光缆，布里渊光时域分析部分包括探测激光器、信号收集器、泵浦激光器，探测光缆由第一单模光纤、第二单模光纤两根端部熔接在一起的布里渊频移温度系数和布里渊频移应变系数不同的单模光纤组成，第一单模光纤与第二单模光纤分别由纤芯、包层、涂覆层、护套组成，纤芯采用高纯度石英玻璃纤维，护套材料为尼龙，单模光纤胶接在工字形复合材料长桁构件预浸料的外表面；布里渊光时域分析部分利用受激布里渊散射效应制成布里渊型连续分布式光纤传感器，设置有信号收集器、探测激光器输出端口和泵浦激光器输出端口，并分别与探测光缆两端连接，探测激光和泵浦激光相向入射到传感光纤后，通过实时测量长桁变形引起的光纤的布里渊频移量，得到各测量阶段的温度值和应变值。