CN104819859B - 大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法，属于航空结构健康监测技术领域。该方法首先通过三维数模设计、激光加工和精密切割，制作粘结剂胶膜，从而控制粘结剂胶量；然后设计复合材料柔性防护层，将压电智能夹层与服役环境隔离；最后通过真空‑热环境控制固化方法实现粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层与结构的表贴集成，进一步控制粘结剂胶量并提高与结构的耦合性能。该方法通过对粘结剂胶量的严格控制，保证压电智能夹层的布置不会影响航空结构的装配密封，能够提高压电智能夹层与结构耦合的一致性、稳定性和长期可靠性，并且能够在航空结构装配密封之前，现场将压电智能夹层布置在结构内表面。

Description

大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法

技术领域

本发明涉及一种大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法，属于航空结构健康监测技术领域。

背景技术

结构健康监测与管理技术是利用集成在结构表面或内部的传感器，在线实时地获取与结构健康状态相关的信号，然后采用特定的信号处理方法和力学建模方法，提取与损伤相关的信号特征，再结合特定的损伤诊断方法，实现对结构健康状态的监测，在此基础上，对结构损伤进行预测和剩余寿命评估，最终指导任务决策和后勤保障维护。

在现有的结构健康监测方法中，基于压电传感器和弹性波的结构健康监测方法（压电结构健康监测方法）具有灵敏度高、监测区域大、既能主动监测结构损伤又能被动监测结构冲击等、又能监测复合材料结构也能监测金属材料结构，是目前结构健康监测与管理技术领域中研究和应用较多的一种方法。经过近20年的发展，该方法已经从早期的原理研究逐步转向工程应用研究和工程应用。

压电传感器是压电结构健康监测系统的最前端，压电传感器的封装及其与结构的集成方法是压电结构健康监测系统稳定可靠工作的前提。在早期针对压电结构健康监测方法的原理研究中，压电敏感元件大多以手工方式逐个布置在结构上，存在稳定性差、电气特性和使用寿命难以控制、引线多使得附加重量大以及布置效率低的问题。

针对上述问题，近年来在面向工程的应用研究和工程应用中，压电智能夹层技术被提出并得到了快速发展，该技术是将压电敏感元件按照一定工艺封装在柔性印刷电路板中，并用印刷线路代替普通导线连线，通过一个信号接口输出，使用时可将带有压电敏感元件阵列的压电智能夹层整体直接布置在结构上，克服了以往直接使用压电敏感元件带来的问题，促进了压电结构健康监测技术的发展和应用。

然而，真实的航空结构一般具有复杂的结构形式，为了能够实现对大面积复杂工程结构的健康监测，压电智能夹层的构形也被设计得越来越复杂，面积也越来越大。但是，压电智能夹层在目前的实际使用中，仍然是以手工方式直接通过粘结剂将其直接布置在结构表面，存在以下两个主要问题：

（1）压电智能夹层缺乏有效的保护，直接暴露在恶劣的服役环境中，主要包括温度、湿度、振动和其他复杂化学腐蚀环境比如燃油和电化学环境等，这些复杂的环境会导致压电智能夹层的破损、脱落和其他失效形式，长期使用可靠性低；大面积复杂构形的压电智能夹层中各敏感元件与结构耦合之间的粘结剂的胶层厚度很难控制，使得胶层不均匀、耦合强度低，导致各压电敏感元件的布置一致性差，工作性能的可靠性和稳定性下降；

（2）为了不影响航空结构的气动外形，压电智能夹层被要求布置在待监测结构的内表面，而整个航空结构是封闭结构，所以需要在结构装配的过程中，在结构密封之前布置压电智能夹层。但结构内部的结构形式非常复杂，压电智能夹层往往会穿过机翼主梁、翼肋、翼墙、加强框等结构，所以需要严格控制压电智能夹层布置在结构内表面上的厚度，才能不影响结构的正常装配密封。而采用现有的手工布置方法布置效率低、布置厚度难以控制，很难满足结构装配密封现场的布置要求。

发明内容

为了克服现有压电智能夹层布置方法的不足，本发明提出了一种大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法，显著的提高压电智能夹层的布置一致性、工作稳定性和长期可靠性，并能够在结构装配过程中现场实施，满足结构装配密封的要求。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法，包括以下步骤：

步骤1、制作具有大面积复杂构形的粘结剂胶膜：首先，根据结构装配密封的间隙要求，按照大面积复杂构形压电智能夹层的外形轮廓，通过边缘扩展方法，设计具有大面积复杂构形的粘结剂胶膜的三维数模，要求所设计的粘结剂胶膜尺寸既能够完全对称覆盖整个大面积复杂构形压电智能夹层又不影响结构的装配密封；然后，基于该三维数模使用激光加工机制备粘结剂胶膜的精密切割模具；最后，使用精密切割模具控制胶量，在厚度均匀的粘结剂薄膜基片上切出具有大面积复杂构形的粘结剂胶膜；

步骤2、制作具有大面积复杂构形的复合材料柔性防护层：首先，根据粘结剂胶膜的外形轮廓，设计同样具有大面积复杂构形的柔性防护层的三维数模，要求所设计的柔性防护层尺寸既能够完全对称覆盖整个大面积复杂构形压电智能夹层以及粘结剂胶膜又不影响结构的装配密封；然后，基于该三维数模使用激光加工机制备柔性防护层的切割模具；最后，使用切割模具在复合材料柔性防护层基材上切出厚度较薄的复合材料柔性防护层；复合材料柔性防护层基材根据待监测结构表面的材料属性以及服役环境的防护要求选取：如果结构表面为金属结构，则选用具有高耐受性的碳纤维复合材料基材或玻璃纤维复合材料基材；如果结构表面为复合材料结构，则选用与该复合材料结构力学属性相同的复合材料基材；

步骤3、粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层的集成表贴固化：首先将粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层铺设在待监测结构内表面；然后，在结构装配现场采用真空-热环境控制固化方法实现粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层的集成表贴固化；所述真空-热环境控制固化方法，根据粘结剂固化的条件控制热环境，使用抽真空方法将三者紧密的压制在结构表面，并且使用抽真空方法控制粘接剂胶量，将多余的粘结剂吸出。

所述步骤1和步骤2在航空结构实施装配密封之前提前完成；所述步骤3在航空结构实施装配密封之前，在结构装配密封现场实施。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过对大面积复杂构形压电智能夹层布置时的粘结剂胶量的严格控制，保证压电智能夹层布置完成后不会影响结构的装配密封，并提高了压电智能夹层与结构耦合的一致性以及工作的稳定性和长期可靠性。

（2）本发明通过设计的大面积复杂构形复合材料柔性防护层，在压电智能夹层与服役环境之间形成隔离层，可以显著提高压电智能夹层长期使用的可靠性。

（3）本发明能够在航空结构实施装配密封之前，在装配现场将压电智能夹层布置在结构内表面，并且不影响结构的装配密封。

附图说明

图1 待布置大面积复杂构形压电智能夹层的结构区域示意图。

图2 大面积复杂构形压电智能夹层示意图。

图3 大面积复杂构形粘结剂胶膜示意图。

图4 大面积复杂构形复合材料柔性防护层示意图。

图5 粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层的集成表贴固化示意图。

图6 大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化完成后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

一个典型的飞机机翼结构，由上蒙皮、下蒙皮、主梁、翼肋和翼墙组成。在该机翼的装配过程中，主梁、翼肋和翼墙已经装配至下蒙皮，形成机翼主体结构，最后一项装配工作就是将上蒙皮装配密封至机翼主体结构。上蒙皮及其与主梁、翼肋和翼墙装配密封的区域如图1所示。蒙皮与主梁、翼肋和翼墙的装配密封间隙要求为0.55mm±0.1mm。现要求对上蒙皮实施结构健康监测，蒙皮结构为碳纤维层合复合材料结构。

针对蒙皮的健康监测需求，设计制作的大面积复杂构形压电智能夹层如图2所示。压电智能夹层需要穿过主梁和翼肋。压电智能夹层中，不包含压电敏感元件的区域的厚度为0.2mm。

采用本发明提出的大面积复杂构形压电智能夹层与结构的表贴固化方法，将压电智能夹层布置在该蒙皮的内表面，步骤如下：

步骤1、首先，根据结构装配密封的间隙要求以及避开蒙皮上的螺钉孔，按照大面积复杂构形压电智能夹层的外形轮廓，边缘扩展10mm，设计大面积复杂构形的粘结剂胶膜的三维数模，如图3所示，要求所设计的粘结剂胶膜尺寸既能够完全对称覆盖整个大面积复杂构形压电智能夹层又不影响结构的装配密封；然后，基于该三维数模使用激光切割机制备粘结剂胶膜的切割模具；最后，使用切割模具在粘结剂薄膜基片上切出具有大面积复杂构形的粘结剂胶膜，从而达到控制粘结剂胶量的目的，胶膜厚度为0.2-0.3mm。

步骤2、首先，根据粘结剂胶膜的外形轮廓，设计柔性防护层的三维数模，如图4所示，要求所设计的柔性防护层尺寸既能够完全对称覆盖整个大面积复杂构形压电智能夹层以及粘结剂胶膜又不影响结构的装配密封；然后，基于该三维数模使用激光加工机制备柔性防护层的切割模具；最后，使用切割模具在复合材料基材上切出厚度较薄的复合材料柔性防护层。复合材料基材选用与蒙皮结构材料属性相同的碳纤维层合复合材料基材。复合材料柔性防护层的厚度为0.12mm。如果结构表面为金属结构，则选用具有高耐受性的碳纤维复合材料基材或玻璃纤维复合材料基材。

步骤3、首先，将粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层铺设在待监测结构内表面；然后，采用结构装配现场可实施的真空-热环境控制固化方法实现粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层的集成表贴固化，如图5所示。该方法通过抽真空将三者紧密的压制在结构表面，从而在粘结剂固化的过程中进一步控制粘结剂胶量，保证压电智能夹层布置完成后整个区域的厚度不会影响结构的装配密封。通过该方法将多余的粘结剂吸出，保证胶层厚度的均匀性及耦合强度，使得粘结剂胶膜充分固化，从而提高压电智能夹层的工作稳定性和长期可靠性。压电智能夹层布置完成后整个布置区域中，不包含压电敏感元件的区域的厚度为0.47-0.5mm，小于装配密封间隙，不会影响结构的装配密封。

大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化完成后的示意图如图6所示。大面积复杂构形压电智能夹层穿过结构中的翼肋和主梁。

上述步骤1和步骤2在上蒙皮实施装配密封之前提前完成，然后在上蒙皮实施装配密封之前，在上蒙皮装配密封现场实施步骤3，在步骤1-3完成后，上蒙皮与机翼主体结构实施装配密封。

Claims (2)

1.一种大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制作具有大面积复杂构形的粘结剂胶膜：首先，根据结构装配密封的间隙要求，按照大面积复杂构形压电智能夹层的外形轮廓，通过边缘扩展方法，设计具有大面积复杂构形的粘结剂胶膜的三维数模；然后，基于该三维数模使用激光加工机制备粘结剂胶膜的精密切割模具；最后，使用精密切割模具控制胶量，在厚度均匀的粘结剂薄膜基片上切出具有大面积复杂构形的粘结剂胶膜；

步骤2、制作具有大面积复杂构形的复合材料柔性防护层：首先，根据粘结剂胶膜的外形轮廓，设计同样具有大面积复杂构形的柔性防护层的三维数模；然后，基于该三维数模使用激光加工机制备柔性防护层的切割模具；最后，使用切割模具在复合材料柔性防护层基材上切出厚度较薄的复合材料柔性防护层；复合材料柔性防护层基材根据待监测结构表面的材料属性以及服役环境的防护要求选取：如果结构表面为金属结构，则选用具有高耐受性的碳纤维复合材料基材或玻璃纤维复合材料基材；如果结构表面为复合材料结构，则选用与该复合材料结构力学属性相同的复合材料基材；

步骤3、粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层的集成表贴固化：首先将粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层铺设在待监测结构内表面；然后，在结构装配现场采用真空-热环境控制固化方法实现粘结剂胶膜、压电智能夹层和复合材料柔性防护层的集成表贴固化；所述真空-热环境控制固化方法，根据粘结剂固化的条件控制热环境，使用抽真空方法将三者紧密的压制在结构表面，并且使用抽真空方法控制粘接剂的胶量，将多余的粘结剂吸出。

2.根据权利要求1所述的大面积复杂构形压电智能夹层与结构耦合的表贴固化方法，其特征在于：所述步骤1和步骤2在航空结构实施装配密封之前提前完成；所述步骤3在航空结构实施装配密封之前，在结构装配密封现场实施。