CN108132304A - 航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法 - Google Patents

航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法，涉及航天器结构损伤检测技术领域。本发明基于声发射技术的优势，提出了一种航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法，信号来源于损伤本身，能用于实时监测整个物理动态变化过程，检测范围广，少量的声发射传感器便可满足大面积探测的需求，且其检测精度高，且使用的结构简单、布置方便，可以应用于航天器相关复合材料结构件的损伤监测和评价需求。

Description

航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法
技术领域
本发明涉及航天器结构损伤检测技术领域，具体涉及一种航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法。
背景技术
先进复合材料具有比强度和比模量高、可设计性好、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好、以及便于大面积成型等诸多优异特性，将其用于飞机结构上，可明显改善飞机气动弹性特性，提高飞行性能，这是其他材料无法替代的。
自从高性能复合材料在航空航天领域内广泛应用以来，关于复合材料紧固连接技术一直是研究的热点。大量研究表明，复合材料结构80％的失效发生在连接处，且连接头的重量占结构总重的25％左右，所以复合材料紧固连接技术一直是结构设计中的重点。
随着复合材料整体化结构的应用，飞机构件和连接紧固件数量大大减少，但不管是以前的连接还是现在通用的积木式设计方法，均需要设计好连接技术，以保证结构的可靠性和稳定性。为了紧固件干涉配合技术能在复合材料连接结构上成熟应用，对其开展深入地研究则显得非常重要。
对复合材料构件而言，目前无损检测的方法主要包括超声检测、X射线照相、计算机层析照相(CT)技术等。其中超声检测技术对已完成成型或制造过程的零件的内部质量检测极为有效。但受检测设备及固有的技术特点所限，超声无损检测过程很难对整个结构进行完整测试，容易遗漏关键位置，且无法对服役过程中复合材料内部缺陷的萌生、发展演变进行清晰的监测；X射线照相技术所记录的底片信息是对结构沿厚度方向密度的总体变化的表达，所以当缺陷(如分层)位于和射线相垂直的平面内时，该方法不是首选的检测方法，另一方面，由于设备及安全性的要求，X射线照相技术一般也不用于制造过程中和服役过程中的在线检测；虽然计算机层析照相(CT)技术的空间分辨力和密度分辨力高(通常<0.5％)、检测动态范围大、成像的尺寸精度高，可实现直观的三维图像，但其检测效率低、检测成本高，同样无法进行复合材料构件制造过程中的在线检测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何实现对航天器复合材料紧固件连接强度的评价。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将复合材料的上结构体2、复合材料的下结构体3通过螺钉10、上螺帽9、下螺帽6连接为一个整体，作为紧固件；
步骤2、将第一声发射传感器1、第二声发射传感器7布置在上结构体2上表面，且位于螺钉10的两侧，将第三声发射传感器4布置在下结构体3下表面，将第四声发射传感器8、第五声发射传感器5分别布置在螺钉10的上、下两个端面；
步骤3、当螺钉10处于拧紧状态时，在上结构体2上表面进行断铅试验，断铅的位置距离第一声发射传感器1的距离为L1，声发射波传到第三、第五、第二、第四声发射传感器4、5、7、8时经过的距离分别为L2、L3、L5、L4；
根据L1计算得到声发射波在结构中传播的波速：
其中，T1是由第一声发射传感器1获得的断铅试验产生的纵波TL、横波TS在到达时刻的综合体，计算公式为：
则L2、L3、L5、L4分别为：
L2＝v0×T2，L3＝v0×T3，L4＝v0×T4，L5＝v0×T5 (3)
式中，T2、T3、T4、T5分别是由第三、第五、第二、第四声发射传感器4、5、7、8获得的断铅试验产生的纵波、横波在到达时刻的综合体；
步骤4、当紧固件处于松动状态时，在上结构体2表面同一位置重新进行断铅试验，L2、L3、L5、L4变为L2'、L3'、L5'、L4'，L2'、L3'、L5'、L4'根据波速v0以及传播时间计算得到；
分别对比L2'、L2；L3、L3'；以及L4、L4'，分析前后的变化；若这些参数中有发生变化的，则认为紧固件的连接强度在螺钉10径向发生变化；
对比L5、L5'，分析前后的变化；若参数发生变化，则认为紧固件的连接强度在螺钉10环向发生变化。
(三)有益效果
本发明基于声发射技术的优势，提出了一种航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法，信号来源于损伤本身，能用于实时监测整个物理动态变化过程，检测范围广，少量的声发射传感器便可满足大面积探测的需求，且其检测精度高，且使用的结构简单、布置方便，可以应用于航天器相关复合材料结构件的损伤监测和评价需求。
附图说明
图1是本发明的方法中涉及的声发射波波形图；
图2是本发明的方法中涉及的螺钉拧紧状态示意图；
图3是本发明的方法中涉及的松动状态(螺钉径向)示意图；
图4是本发明的方法中涉及的松动状态(螺钉环向)示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出了一种航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法，包括以下步骤：
步骤1、将复合材料的上结构体2、复合材料的下结构体3通过螺钉10、上螺帽9、下螺帽6连接为一个整体，作为紧固件，如图1所示；
步骤2、将第一声发射传感器1、第二声发射传感器7布置在上结构体2上表面，且位于螺钉10的两侧，将第三声发射传感器4布置在下结构体3下表面，将第四声发射传感器8、第五声发射传感器5分别布置在螺钉10的上、下两个端面；
步骤3、当螺钉10处于拧紧状态时，在上结构体2上表面进行断铅试验，断铅的位置距离第一声发射传感器1的距离为L1，声发射波传到第三、第五、第二、第四声发射传感器4、5、7、8时经过的距离分别为L2、L3、L5、L4；
根据L1计算得到声发射波在结构中传播的波速：
其中，T1是由第一声发射传感器1获得的断铅试验产生的纵波TL、横波TS在到达时刻的综合体，如图2所示，计算公式为：
则L2、L3、L5、L4分别为：
L2＝v0×T2，L3＝v0×T3，L4＝v0×T4，L5＝v0×T5 (3)
式中，T2、T3、T4、T5分别是由第三、第五、第二、第四声发射传感器4、5、7、8获得的断铅试验产生的纵波、横波在到达时刻的综合体；
步骤4、当紧固件处于松动状态时，在上结构体2表面同一位置重新进行断铅试验，由于紧固件发生松动，L2、L3、L5、L4变为L2'、L3'、L5'、L4'，L2'、L3'、L5'、L4'根据波速v0以及传播时间，可以计算得到。
分别对比L2'、L2；L3、L3'；以及L4、L4'，分析前后的变化；若这些参数中有发生变化的，则认为紧固件的连接强度在螺钉10径向发生变化，如图3所示，假设上螺帽9的位置不变、下螺帽6向下滑移，即连接结构发生松动，连接强度降低；
对比L5、L5'，分析前后的变化；若参数发生变化，则认为紧固件的连接强度在螺钉10环向发生变化，如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航天器复合材料紧固件连接强度的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将复合材料的上结构体(2)、复合材料的下结构体(3)通过螺钉(10)、上螺帽(9)、下螺帽(6)连接为一个整体，作为紧固件；
步骤2、将第一声发射传感器(1)、第二声发射传感器(7)布置在上结构体(2)上表面，且位于螺钉(10)的两侧，将第三声发射传感器(4)布置在下结构体(3)下表面，将第四声发射传感器(8)、第五声发射传感器(5)分别布置在螺钉(10)的上、下两个端面；
步骤3、当螺钉(10)处于拧紧状态时，在上结构体(2)上表面进行断铅试验，断铅的位置距离第一声发射传感器(1)的距离为L1，声发射波传到第三、第五、第二、第四声发射传感器(4、5、7、8)时经过的距离分别为L2、L3、L5、L4；
根据L1计算得到声发射波在结构中传播的波速：
其中，T1是由第一声发射传感器(1)获得的断铅试验产生的纵波TL、横波TS在到达时刻的综合体，计算公式为：
则L2、L3、L5、L4分别为：
L2＝v0×T2，L3＝v0×T3，L4＝v0×T4，L5＝v0×T5 (3)
式中，T2、T3、T4、T5分别是由第三、第五、第二、第四声发射传感器(4、5、7、8)获得的断铅试验产生的纵波、横波在到达时刻的综合体；
步骤4、当紧固件处于松动状态时，在上结构体(2)表面同一位置重新进行断铅试验，L2、L3、L5、L4变为L2'、L3'、L5'、L4'，L2'、L3'、L5'、L4'根据波速v0以及传播时间计算得到；
分别对比L2'、L2；L3、L3'；以及L4、L4'，分析前后的变化；若这些参数中有发生变化的，则认为紧固件的连接强度在螺钉(10)径向发生变化；
对比L5、L5'，分析前后的变化；若参数发生变化，则认为紧固件的连接强度在螺钉(10)环向发生变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合材料的上结构体(2)为航天器复合材料。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述复合材料的下结构体(3)为航天器复合材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上结构体(2)为长方体。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下结构体(3)为长方体。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上结构体(2)为圆柱体。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下结构体(3)为圆柱体。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上结构体(2)为正方体。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述下结构体(3)为正方体。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111272431A (zh) * 2020-03-06 2020-06-12 中国航发沈阳发动机研究所 一种发动机整机试车用声发射自动断铅装置
CN111323479A (zh) * 2018-12-17 2020-06-23 株式会社岛津制作所 检查装置及检查方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2200212B (en) * 1986-12-27 1991-01-16 Honda Motor Co Ltd A method and an apparatus for controlling stress in a member and a fastener having stress indicating means
CN2591600Y (zh) * 2002-12-17 2003-12-10 浙江大学 超声螺栓紧固力测试仪
WO2009051879A2 (en) * 2007-08-03 2009-04-23 The Boeing Company Ultrasonic method to verify the interference fit of fasteners
CN102323338B (zh) * 2011-08-19 2013-02-20 北京航空航天大学 一种基于声发射的紧固件损伤位置的检测方法
CN103412056A (zh) * 2013-07-22 2013-11-27 北京航空航天大学 一种基于双传感器的类板状结构中声发射波模态分离方法
CN107167273A (zh) * 2017-06-22 2017-09-15 武汉理工大学 基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法
CN107238662A (zh) * 2017-08-11 2017-10-10 广东石油化工学院 一种用于储罐声发射检测的实验装置及检测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2200212B (en) * 1986-12-27 1991-01-16 Honda Motor Co Ltd A method and an apparatus for controlling stress in a member and a fastener having stress indicating means
CN2591600Y (zh) * 2002-12-17 2003-12-10 浙江大学 超声螺栓紧固力测试仪
WO2009051879A2 (en) * 2007-08-03 2009-04-23 The Boeing Company Ultrasonic method to verify the interference fit of fasteners
CN102323338B (zh) * 2011-08-19 2013-02-20 北京航空航天大学 一种基于声发射的紧固件损伤位置的检测方法
CN103412056A (zh) * 2013-07-22 2013-11-27 北京航空航天大学 一种基于双传感器的类板状结构中声发射波模态分离方法
CN107167273A (zh) * 2017-06-22 2017-09-15 武汉理工大学 基于超声回波的高强螺栓连接节点板压紧度检测方法
CN107238662A (zh) * 2017-08-11 2017-10-10 广东石油化工学院 一种用于储罐声发射检测的实验装置及检测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DENGHONG XIAO等: "A novel acoustic emission beamforming method with two uniform linear arrays on plate-like structures", 《ULTRASONICS》 *
魏景超: "复合材料结构新型紧固件连接强度与失效机理", 《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊）》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111323479A (zh) * 2018-12-17 2020-06-23 株式会社岛津制作所 检查装置及检查方法
CN111323479B (zh) * 2018-12-17 2023-12-15 株式会社岛津制作所 检查装置及检查方法
CN111272431A (zh) * 2020-03-06 2020-06-12 中国航发沈阳发动机研究所 一种发动机整机试车用声发射自动断铅装置

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