CN105164430B - 用于监控结构构件中的粘接机构的指示螺栓 - Google Patents
用于监控结构构件中的粘接机构的指示螺栓 Download PDFInfo
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Abstract
一种结构构件(20)包括第一部件(22)和第二部件(24)；粘接机构(26)，借此将第一部件(22)和第二部件(24)相互连接;和固定在第一部件(22)和第二部件(24)上的指示螺栓(28)。指示螺栓(28)被设计用于当第一部件(22)和第二部件(24)已经相互相对运动时进行指示。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构构件，一种航空器和一种用于探测结构构件的损伤的方法。
背景技术
为了在例如交通工具的两个构件或部件之间形成连接，可以使用粘接机构。在此情况下在主粘接的连接和次粘接的连接之间进行区分，在主粘接的连接中，粘接过程在这样的时间期间进行实施，在该时间中两个构件也被成形(例如在压力机中)，而在次粘接的连接中，部件事后地被相互粘接起来。
在支承用的结构构件的粘接机构中可能重要的是检查与操作相关的损伤。大多数粘接机构在结合和组装成总体结构之后不再能够从各个侧面接近并且因此不再能够很好地通过目视检查来检查。
在航空中，次粘接的连接目前是不允许的，因为一般不可能以简单的方式和方法检查是否次粘接的连接受到损害。
用于非破坏性的测试粘接机构的已知方法例如包括超声波和热成像。但是在大的壁厚或者粘接头的大的厚度变化情况下这些方法只能够受限地应用或者使用时很困难。
在粘接有缺陷时，其中仅仅在负荷下在不再按照规定粘接的部件之间产生间隙(所谓的“吻接”)，在采用上述方法时常常不能够发现缺陷。
由于此原因，在粘接机构中常常使用附加的夹持螺栓，它们被设计用于当粘接机构损坏时承受该连接的负荷。这种夹持螺栓此时可以延迟损伤的进一步扩展，但是也妨碍对该损伤的识别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单构造成的结构构件，它可以容易地针对损伤进行检查。
本发明的第一方面涉及一种结构构件，例如飞机、地面车辆或船舶的结构构件。但是该结构构件也可以是另外的设备例如风力发电设备的组成部分。结构构件可以被设计用于承受作用在车辆或者设备上的负荷。该结构部件例如可以是机动车的支承结构的组成部分。
结构构件包括第一部件和第二部件，它们例如可以是平面的和/或板形的部件，它们相互粘接起来。两个部件或构件可以由金属或者塑料制成或者包括金属和/或塑料。这样的塑料例如可以是碳纤维增强的塑料。
两个部件借助于粘接机构相互连接起来，该粘接机构例如设置在两个部件之间。粘接机构可以是次粘接机构。换言之，两个部件可以相互分开地成形或制造并且接下来被相互粘接起来。
该粘接机构或胶粘剂，其可以包括一个由于凝固的粘胶构成的层，可以是纤维复合材料构件的结构上的胶粘剂或是在纤维复合材料中的修补粘接剂。
按照本发明的一个实施方式，结构构件包括固定在第一部件和第二部件上指示螺栓。换言之，指示螺栓例如可以如铆钉一样与结构构件连接，但是不必固定在单个的部件上。但是也可以的是，指示螺栓至少分段地与第一和/或第二部件连接，例如粘接起来。
指示螺栓被设计用于指示，如果第一部件和第二部件已经相互相对运动。指示螺栓可以是销子，螺栓或(由金属，塑料和/或玻璃制成的)长形体，它可以固定在两个部件上并且借助于它可以证实或探测两个部件的相对运动。
如果在指示螺栓的区域中在两个部件之间的胶粘剂被损坏并且结构部件遭受到负荷，那么两个部件可以相互相对运动(例如暂时地相互分开)，因为粘接机构至少在这个区域中不再完全地相互连接在对方上。
由于粘附力破坏(在此情况下粘接层失效)或内聚力破坏(在此情况下粘接的材料失效)造成的粘接机构的失灵在结构构件受到负载的情况下导致两个部件的(提高的)相对运动。该相对运动导致指示螺栓变形，折断，破裂，爆裂和/或以其他方式改变，即在指示螺栓上可以确定已经发生相对运动.这个相对运动例如可以爆开两个部件的剪切运动和/或两个部件相互分开(提升)。
换言之，指示螺栓是一种由于指示粘合连接的损伤的螺栓。
指示螺栓可以实施成非支承的指示螺栓。也就是说，指示螺栓可以对两个部件的连接的强度仅仅作出极小的或小的贡献。这样的指示螺栓尤其可以特别轻地实施，由此在相同的负载能力下可以节省结构构件的重量。
借助于指示螺栓可以监控结构的粘合剂。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓被设计成当第一部件和第二部件已经相互相对运动时塑性变形。它例如可以持续地弯曲和/或形成一个裂缝。通过这种改变可以以后探测出(在简单的情况下通过目视检测)，是否已经发生相对运动。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓这样地固定在第一部件和第二部件上，即当第一部件和第二部件的相对运动大于一个预定的极限值时它作出指示。例如指示螺栓以某种间隙固定在两个部件上，由此当两个部件已经如此强烈运动，以至于该间隙被补偿了时指示螺栓才产生变形。
一个或多个指示螺栓可以安装在结构构件的关键位置上，在该位置上在粘接机构失灵时的相对运动特别高。指示螺栓的失灵负荷也可以与环绕的结构构件的刚度相匹配。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓容纳在结构构件中的一个开口中，该开口至少在第一部件和/或第二部件中具有大于指示螺栓的直径的直径。通过指示螺栓和开口之间的间距可以定义预先确定的极限值，两个部件可以以该极限值进行相互相对运动，而指示螺栓不指示相对运动。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓具有预定断裂部（断裂点），它在指示螺栓的预定负载下变形和/或在指示螺栓的预定负载下破裂。预定断裂部例如可以是指示螺栓的逐渐变细的区域。如果指示螺栓具有头部和脚部，那么预定断裂部可以布置在头部和脚部之间。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓具有头部，它固定在第一部件上和指示螺栓具有长形的脚部，它固定在第二部件上。头部例如可以相对于脚部被加厚，由此它不像脚部那样穿过第一和第二部件中的开口。脚部例如也可以具有加厚部，它不穿过该开口或可以与第二部件粘接和/或螺纹连接。
按照本发明的一个实施方式，头部在指示螺栓的预定负载下相对于脚部弯曲。这样，可以通过简单的目视检查确定是否粘接机构的损伤是可能的。
按照本发明的一个实施方式，头部(或头部的一个组成部分)在指示螺栓的预定负载下与脚部分开（脱离）。如果头部是以颜料做了标记的，那么由此可以以简单的方式确定头部的缺失。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓具有头部，它沉入到第一部件里面，使得第一部件与头部一起具有一个平的表面。如果头部被弯曲或者不再存在，那么例如可以通过触摸表面确定是否指示螺栓已经变形。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓包括封闭的空穴，它在螺栓变形时被打开。螺栓可以具有(在端部处封闭的)管子的形状。如果螺栓被打开，那么材料或物质(液态、气态或固态)可以从螺栓中出来，由此可以确定指示螺栓的变形。空穴例如含有可探测的物质，例如信号颜料和/或有气味物质。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓与结构构件铆接。指示螺栓可以如此固定在结构构件上，即它通过结构构件中的开口插入并且它的另一个端部这样地加厚，使得指示螺栓不再能够从该开口中掉落出来。
按照本发明的一个实施方式，指示螺栓的脚部至少拧接到第二部件中。但是脚部也可以附加地与第一部件拧接。以这种方式该开口不必完全透过第二部件，而是可以仅仅部分地通过第二部件延伸。以这种方式可以提高结构部件的承载能力。
本发明的另一个方面涉及一种具有一个结构构件的飞机，该结构构件如上面和以下描述的那样。一般地，指示螺栓例如可以应用于交通工具的构件的粘接机构中，该交通工具例如是航空器、飞机、地面交通工具、轿车、卡车、公共汽车、水上交通工具、船舶、帆船。可以指示螺栓例如也可以应用于风力发电设备的构件例如它的转子叶片的粘接机构中。
本发明的另一个方面涉及一种用于探测结构构件的损伤的方法，它包括以下步骤:将指示螺栓固定在结构构件的相互粘接起来的第一部件和第二部件上;和探测指示螺栓的变形，该变形由此形成，即第一部件和第二部件由于粘接机构的损伤相互分开地相互相对运动。
该探测例如借助于可以借助于光学探测实现，它可以直接地维护技术人员在没有其它的辅助设备下实施。指示螺栓的突出的、歪斜的和/或破裂的头部可以通过简单的目视检查被识别出来。
也可以实现声学探测，例如通过失效的指示螺栓发出的噪声。例如可以在螺栓内部中的空穴中存在过压，该过压在螺栓损伤情况下逸出并且此时发出特征性的噪声。该噪声例如可以被传感器记录下来并且以后被评价。
按照本发明的一个实施方式，该方法还包括借助于(探测的)物质来探测变形的步骤，当指示螺栓变形时该物质从指示螺栓出来。
在此情况下，例如可以对出来的物质进行化学探测，该物质例如由传感器探测到并且可以进行评价。有气味的物质的出来例如也可以被维护技术人员或在结构构件附近的人不需要辅助设备下觉察到。
此外可能的是在变形或损坏之后从螺栓中出来某种颜料。颜料或涂料，例如信号颜料（颜色），可以在螺栓附近，例如第一部件的表面上，变干燥并且在那里留下一个针对螺栓变形的持久的指示。
按照本发明的一个实施方式，该方法还包括借助于改变指示螺栓的电特性的改变来探测变形的步骤。以这种方式可以探测通过肉眼不可能实现的指示螺栓的变形和/或损伤。
指示螺栓例如可以借助于涡流来检查。涡流测量仪的应用很广泛并且一般可容易地操作，与涡流测量仪一起还可以使用成像的方法。
也可以在指示螺栓上实施电阻测量。如果指示螺栓例如以某种方式破裂，该破裂从外部不能够看见，但是螺栓的电阻会显著增大。
显而易见，这些探测可能性可以单独地或组合地使用。
以下参见附图详细描述本发明的实施例。
附图说明
图1指示按照本发明的一个实施方式的交通工具的支承结构的三维示意图。
图2指示按照本发明的一个实施方式的结构构件的示意截面图。
图3指示按照本发明的一个实施方式的具有未损坏的指示螺栓的结构构件的示意截面图。
图4指示按照本发明的一个实施方式的具有已损坏的指示螺栓的结构构件的示意截面图。
图5指示按照本发明的一个实施方式的具有已损坏的指示螺栓的结构构件的示意截面图。
图6指示按照本发明的一个实施方式的具有已损坏的指示螺栓的结构构件的示意截面图。
图7指示按照本发明的一个实施方式的具有未损坏的指示螺栓的结构构件的示意截面图。
图8指示按照本发明的一个实施方式的具有已损坏的指示螺栓的结构构件的示意截面图。
图9指示按照本发明的一个实施方式的用于探测有缺陷的粘接机构的方法的流程图。
图10指示按照本发明的一个实施方式的具有指示螺栓的结构构件的示意截面图。
原则上相同的或者类似的部件采用相同的附图标记。
具体实施方式
图1指示交通工具12的支承结构10的一个局部，它具有通过框架14和纵梁16加强的外皮18。纵梁16包括粘接的加强筋，它们在交通工具10的纵向上延伸。
图2指示图1的具有结构构件20的一个局部，它指示外皮18的一部分和纵梁16的一部分。纵梁16在此通过形成一部分外皮18的外壳22和与外壳22粘接起来的内壳24形成。整体上支承结构具有带有粘接的加强筋的壳体结构。
外壳22在此情况下是结构构件20的第一部件22，它通过粘接头形式的粘接机构（粘合连接体）26与作为第二部件24的内壳24连接。
第一部件22和第二部件24附加地通过指示螺栓（指示销）28连接，它布置在区域30中，由此它在粘接机构26失灵时承受到高的负载。
如图1中示出的，一个或多个粘接机构26可以分别通过多个指示螺栓28被固定在两个部件22，24之间。
图3指示图2的一个局部。在指示螺栓28的周围可以平面地和/或板形地构造两个部件22，24。粘接机构26可以包括在两个部件22，24之间的一层粘接材料。
指示螺栓28容纳在结构构件20中的开口32中并且固定在结构构件20上。为此指示螺栓28具有脚部34，它借助于加厚部36固定在第二加厚部上，由此指示螺栓28在第二部件24处被保持在开口32中。指示螺栓28此外具有头部38，它相对于脚部34是加厚的，由此指示螺栓28也在第一部件22处被保持在开口32中。
如果粘接机构26被损坏和两个部件22，24被加载上作用力和负荷，该作用力和负荷被施加到结构部件20上，那么可以产生超过一个预先确定的极限值的相对运动。两个部件22，24例如可以相互从对方上升起（离开）和/或沿着粘接机构26移动。
预先确定的极限值例如可以在指示螺栓28的弹性特性或在指示螺栓28和第一部件22和/或第二部件24之间的间隙上进行调整。例如开口32具有直径，该直径大于指示螺栓28的脚部34的直径。
在两个部件22，24的足够大的相对运动下，指示螺栓则这样地被加载，例如它的头部38被剪切或至少弯折。
在头部38和脚部34之间，指示螺栓28具有预定断裂部40，它是指示螺栓28的第一个变窄的部段。预定断裂部40的大小被如此调整，即在指示螺栓28上的确定的负荷下，预定断裂部40至少持久地变形或裂开。
图4指示，指示螺栓28的头部38通过指示螺栓28的变形可以相对于脚部34移动或弯曲。
如图3所示，头部38例如可以容纳在凹部42中，由此当指示螺栓28不变形时，头部38的表面与第一部件22的表面齐平。在变形之后，头部38可以突出于该凹部，由此也可以从外部容易地看见指示螺栓28的变形。
在图5中指示，头部38在指示螺栓28变形情况下也可以完全与脚部34分开，由此凹部42被暴露。
如图6中指示，即使在指示螺栓28的头部38没有指示可看见的变形时，也可以借助于测量仪或传感器46探测例如通过设定断裂区域40的裂缝44，测量仪例如确定指示螺栓28中的涡流或它的电阻。
在图7中示出，指示螺栓28可以具有空穴50，在指示螺栓28未变形时，在它的内部封入物质52。
如果指示螺栓28变形，例如通过头部38被部分地剪切，则形成从空穴50向外的联通和物质52，例如信号颜料，可以从指示螺栓28中出来。
在图7中附加地指示，开口32可以完全透过两个部件22，24或者也可以仅仅部分地渗透第二部件24。在两种情况下，指示螺栓28可以旋拧或者粘接到第二部件24中。
图8指示用于探测结构构件20的损坏的方法，其中确定，是否两个部件22，24这样地强烈地加载指示螺栓28，即它已经变形。
在步骤100中两个部件22，24被粘接起来，由此形成粘接机构26。
在步骤102中产生通过两个部件22，24的开口32。开口例如可以在制造部件22，24时就已经设置或者事后地钻孔到两个部件22，24中。开口32的产生可以在步骤100中的粘接时同时地、之前或者之后地实施。
在步骤104中指示螺栓28插入开口32中。指示螺栓28不必与两个部件22，24刚性连接，而是可以仅仅如此地固定在开口32中，即当两个部件22，24相互相对运动时它被加载。该固定的一部分例如可以通过锥形的头部38发生。
指示螺栓28的脚部34例如可以旋拧到和/或粘接到部件22，24里面。指示螺栓28也可以借助于铆接连接保持在开口32中。
在此之后结构构件20可以按照其设置的规定进行使用。如果粘接机构26(例如由于超负荷或材料疲劳)被损坏，两个部件22，24两个部件22，24可以(超出预先确定的极限值)相互相对运动。指示螺栓28被如此设计或实施，即当该极限值被超过时它开始变形。
通过指示螺栓28的变形例如可以使指示螺栓28的头部38弯曲或被剪切和/或在指示螺栓28内部中的空穴50被打开。
在步骤106中检测指示螺栓28的完整性。这可以通过目视检查、借助于测量仪和/或传感器46来进行。
通过目视检查可以确定，指示螺栓28的头部38是否弯曲或还存在或者是否信号颜料52流出。弯曲的或消失的头部38或信号颜料52的存在意味着粘接机构26已经被损坏。
通过测量仪或传感器46可以实施指示螺栓28上的涡流测量或确定指示螺栓28的电阻。如果涡流或电阻下降到低于一个预先确定的值，则意味着粘接机构26受损。
通过测量仪或传感器46可以探测从指示螺栓28出来的物质52(例如在物质流出期间)。这可以在按照规定地使用复合构件20期间同时地进行。通过测量仪或传感器46也可以记录噪声，它是指示螺栓28在变形或断裂期间发出的。传感器值可以被记录并且以后进行评价。测量仪或传感器46或确定的传感器值的评价指示出粘接机构26的受损。
图10指示指示螺栓28的另一个实施方式，它被设计用于，在消除了连接26情况下在预定的方向上移动。指示螺栓28例如可以具有倒钩48或(相对于该方向非对称的)沟纹。如果两个部件22，24例如多次地相互分开（升起），那么指示螺栓28在以箭头描述的方向上移动。接下来可以通过目视检查来检查指示螺栓28是否从开口32突出来，这表明粘接机构26有缺陷。
补充地指出，“包括”一词不排除另外的元件或步骤和“一个”一词不排除多个。此外应该指出，针对上述实施例之一描述的特征或步骤也可以与其它的上述实施例的其它的特征或步骤组合地使用。权利要求书中的附图标记不应该视为限制。
Claims (14)
1.一种结构构件(20)，包括:
第一部件(22)和第二部件(24);
粘接机构(26)，借此使第一部件(22)和第二部件(24)相互连接;
固定地在第一部件(22)和第二部件(24)上的指示螺栓(28);
其中，指示螺栓(28)被设计用于当第一部件(22)和第二部件(24)已经相互相对运动时进行指示，
其中，指示螺栓(28)具有预定断裂部(40)，该预定断裂部在指示螺栓(28)的预定负载下由第一部件和第二部件的相对运动引发变形和/或在指示螺栓(28)的预定负载下由第一部件和第二部件的相对运动引发破裂，由此检测第一部件和第二部件的相对运动是否已经发生。
2.根据权利要求1所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)这样地固定在第一部件(22)和第二部件(24)上，即它当第一部件(22)和第二部件(24)的相对运动大于一个预定的极限值时进行指示。
3.根据权利要求1或2所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)被设计用于当第一部件(22)和第二部件(24)已经相互相对运动时进行塑性变形。
4.根据权利要求1所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)被容纳在结构构件(20)中的一个开口(32)中，该开口至少在第一部件(22)和/或第二部件(24)中具有大于指示螺栓(28)的直径的直径。
5.根据权利要求1所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)具有头部(28)，该头部固定在第一部件(22)上和指示螺栓(28)具有长形的脚部(34)，该脚部固定在第二部件(24)上;
其中，头部(38)在指示螺栓(28)的预定负载下相对于脚部(34)弯曲，或
其中，头部(38)在指示螺栓(28)的预定负载下与指示螺栓(28)的脚部(34)脱开。
6.根据权利要求1所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)具有头部(38)，该头部沉入第一部件(22)里面，从而第一部件(22)与头部(38)一起具有平的表面。
7.根据权利要求1所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)包括封闭的空穴(50)，该空穴在指示螺栓(28)变形时被打开。
8.根据权利要求7所述的结构构件(20)，
其中，空穴(50)含有可探测的物质(52)。
9.根据权利要求7所述的结构构件(20)，
其中，空穴(50)含有信号颜料。
10.根据权利要求1所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)与结构构件铆接。
11.根据权利要求1所述的结构构件(20)，
其中，指示螺栓(28)的脚部(34)至少拧接到第二部件(24)里面。
12.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的结构构件(20)的航空器(12)。
13.一种用于探测结构构件(20)的损伤的方法，包括步骤:
将指示螺栓(28)固定在结构构件的第一部件(22)和第二部件(24)上，它们经由粘接机构(26)相互粘接起来，其中，指示螺栓(28)具有预定断裂部(40)，该预定断裂部在指示螺栓(28)的预定负载下由第一部件和第二部件的相对运动引发变形和/或在指示螺栓(28)的预定负载下由第一部件和第二部件的相对运动引发破裂;
探测指示螺栓(28)的变形，该变形由此形成，即第一部件(22)和第二部件(24)由于粘接机构(26)的损伤相互相对运动。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括步骤:
借助于一种物质(52)探测变形，当指示螺栓(28)被变形时，该物质从指示螺栓(28)中出来；和/或
借助于指示螺栓(28)的电特性的改变探测变形。
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