CN108488179A - 智能复合材料铆钉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种智能复合材料铆钉，包括铆钉主体和头部，在所述铆钉主体的中心设有一长形孔，在所述头部上设有漏斗形通槽，所述漏斗形通槽与长形孔连通；在所述长形孔内插入传感器装置，在所述漏斗形通槽内放入发射器装置，所述传感器装置与发射器装置通过导线连接；在所述漏斗形通槽的上表面上设置天线装置，所述发射器装置与所述天线装置通过导线连接。本发明的智能复合材料铆钉，智能铆钉的整体尺寸和形状以及结构连接面增强作用与传统的金属铆钉接近，嵌入在智能铆钉内的传感器装置通过感应局部应力产生信号，这些信号通过发射器装置实现无线发送，携带应力和位置信息的信号被本地接收器接收，有助于监控飞机在服役过程中的结构安全健康状态。
Description
技术领域
本发明属于用于加固和感知的复合材料结构接头技术领域，具体涉及一种智能复合材料铆钉。
背景技术
诸如飞机的复合材料结构由不同部件通过共固化或粘合剂粘接装配在一起。金属铆钉和螺栓通常用于加固部件接头并确保结构完整性。以机翼结构为例，从根部到尖部通常使用数以千计的金属铆钉和螺栓。这些铆钉安装在接头中，在结构加载时承受部件之间的内应力。现有的铆钉包括实心的长条状铆钉主体和实心的铆钉头部，不具备感应和记录这些内应力的功能。若这些铆钉具有感应和记录接头内应力值的功能，则这些数据将有助于监控飞机在服役过程中的结构安全健康状态。目前，还没有具有这种功能的铆钉。
发明内容
本发明提供一种智能复合材料铆钉，替代现有的传统金属铆钉，智能铆钉的铆钉主体和头部由碳纤维增强热塑性复合材料制成，在铆钉主体和头部放入传感器装置、发射器装置、天线装置和可充电电池单元。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
智能复合材料铆钉，其特征在于，包括铆钉主体和头部，在所述铆钉主体的中心设有一长形孔，在所述头部上设有漏斗形通槽，所述漏斗形通槽与长形孔连通；在所述长形孔内插入传感器装置，在所述漏斗形通槽内放入发射器装置，所述传感器装置与发射器装置通过导线连接；在所述漏斗形通槽的上表面上设置天线装置，所述发射器装置与所述天线装置通过导线连接。
根据本发明的优选实施例，所述铆钉主体和头部由碳纤维增强热塑性复合材料制成。
根据本发明的优选实施例，所述传感器装置由压电材料制成，包括带状、棒状、纤维或膜状。
根据本发明的优选实施例，还包括可充电电池单元，为所述传感器装置、发射器装置和天线装置提供电力；所述可充电电池单元位于所述漏斗形通槽中所述发射器装置的上方，所述可充电电池单元与发射器装置通过导线连接；当电池电量低于阙值时，所述可充电电池单元自动切换至充电模式，以开始从所述传感器装置中的压电材料在结构承载状态下收集电力并对电池充电。
根据本发明的优选实施例，所述传感器装置、发射器装置、可充电电池单元通过粘合剂粘接在所述铆钉主体的长形孔和头部的漏斗形通槽上；所述天线装置粘贴在所述头部的顶部。
根据本发明的优选实施例，在所述头部的顶部表面设置一指示压电条表面方向的标记。
本发明的还一目的是提供一种制作上述智能复合材料铆钉的的铆钉主体的长形孔和头部的漏斗形通槽的成型模具。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
制作如上所述的智能复合材料铆钉的的铆钉主体的长形孔和头部的漏斗形通槽的成型模具，其特征在于，所述成型模具位于所述智能复合材料铆钉内，所述成型模具包括实心的漏斗块和实心的杆，所述杆向上穿过所述漏斗块，对所述漏斗块上方的杆进行加热，当加热温度达到热塑性复合材料的熔点时，将锥形模具拔出，在所述铆钉主体中形成长形孔，在所述头部形成漏斗形通槽。
根据本发明的优选实施例，所述模具的杆的直径约为所述铆钉主体的1/5，漏斗块下方和上方杆的长度不小于铆钉主体的3/4，漏斗块的高度与所述头部的高度相同。
本发明的还一目的是提供一种航空复合材料结构中损伤或接头破坏行为的检测方法。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种航空复合材料结构中损伤或接头破坏行为的检测方法，其特征在于，所述方法包括将飞行器的结构装配中所使用的普通铆钉部分或全部替换为如上所述的智能复合材料铆钉，所述智能复合材料铆钉的传感器装置通过感应局部应力而产生信号，并将这些信号连同所述传感器装置的位置信息一起，通过所述智能复合材料铆钉的发射器装置发送至本地接收器以进行进一步的数据处理。
根据本发明的优选实施例，所述数据处理是将本地接收器收到的应力信号与飞机服役过程中在相应位置测得的接头应力数据进行对比，以分析信号与接头应力之间数据的差异性和相关性。
与现有技术相比，本发明的智能复合材料铆钉，智能铆钉的整体尺寸和形状以及结构连接面增强作用与传统的金属铆钉接近，嵌入在智能铆钉内的传感器装置通过感应局部应力而产生信号，这些信号通过发射器装置实现无线发送，携带应力和位置信息的信号可被本地接收器接收，有助于监控飞机在服役过程中的结构安全健康状态。
附图说明
图1为本发明涉及的智能复合材料铆钉中间有一个锥形模具的结构示意图。
图2为本发明涉及的智能复合材料铆钉的结构示意图。
图3为本发明涉及的智能复合材料铆钉用于连接部件接头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
参见图1-2，本发明的智能复合材料铆钉，包括铆钉主体1和头部2，所述铆钉主体1和头部2由碳纤维增强热塑性复合材料制成；在所述铆钉主体1的中心设有一长形孔1a，在所述头部2上设有漏斗形通槽2a，所述漏斗形通槽2a与长形孔1a连通。
所述漏斗形通槽2a和长形孔1a是由锥形模具制成；所述锥形模具包括实心的漏斗块4和实心的杆3，所述杆3向上穿过所述漏斗块4，对所述漏斗块4上方的杆3进行加热，当加热温度达到热塑性复合材料的熔点时，将锥形模具拔出，在所述铆钉主体1中形成长形孔1a，在所述头部2形成漏斗形通槽2a。作为本发明的优选实施例，所述锥形模具的杆3的直径约为所述铆钉主体1的1/5，漏斗块4下方和上方杆3的长度不小于铆钉主体1的3/4，漏斗块4的高度与所述头部2的高度相同。所述杆3向上穿过所述漏斗块4，所述漏斗块4上方的杆3可用作手柄，方便装夹。
如图2所示，在所述长形孔1a内插入传感器装置5，在所述漏斗形通槽2a内放入发射器装置6，所述传感器装置5与发射器装置6通过导线连接；在所述漏斗形通槽2a的上表面上设置天线装置8，所述发射器装置6与所述天线装置8通过导线连接。作为本发明的优选实施例，所述传感器装置5由带状或棒状压电材料制成。
本发明的智能复合材料铆钉，还包括可充电电池单元7，为所述传感器装置5、发射器装置6和天线装置8提供电力；所述可充电电池单元7位于所述漏斗形通槽2a中所述发射器装置6的上方，所述可充电电池单元7与发射器装置6通过导线连接；当电池电量低于阙值时，所述可充电电池单元7自动切换至充电模式，以开始从所述传感器装置5中的压电材料在结构承载状态下收集电力并对电池充电。
作为本发明的优选实施例，所述传感器装置5、发射器装置6、可充电电池单元7通过粘合剂粘接在所述铆钉主体1的长形孔1a和头部2的漏斗形通槽2a上；所述天线装置8粘贴在所述头部2的顶部。并在所述头部2的顶部表面设置一指示压电条表面方向的标记9。
飞机机翼结构分为多个展向翼盒，每个翼盒长0.5-0.8m，由翼梁腹板、肋板和加筋蒙皮等部件围成，体积小于1立方米。沿着这些部件的边界连接面，使用了很多金属铆钉，其中至少有一部分可以使用本发明的智能复合材料铆钉来代替。嵌入在智能复合材料铆钉内的传感器装置5通过感应局部应力而产生信号，这些信号通过嵌入式发射器装置6实现无线发送。携带应力和位置信息的信号可被本地接收器接收，该接收器可安装在翼盒内。几个机翼盒中的智能复合材料铆钉可共享一个本地接收器，本地接收器可从机翼根部布置到机翼尖端。然后将每个本地接收器收集的信号发送到主接收器以进行进一步的数据处理。同样的布置也适用于飞机的机身部分和其他的部件，如飞机的尾翼。智能复合材料铆钉和接收器组成了一个用于飞机结构安全健康监测的无线网络系统。从安全健康结构的记录和处理的数据可以作为一个基准数据库，用于与飞机服役过程中测得的数据进行对比。根据信号与接头应力之间数据的差异和相关性，可创建算法来检测复合材料结构中发生的任何损伤或接头破坏行为。
如图3所示，本发明的智能复合材料铆钉被用于连接组装结构的不同部件。首先将智能复合材料铆钉插入两个结构部件10、11钻的孔中。其次，在智能复合材料铆钉的铆钉主体1的下方放置一个金属块模具12，并在铆钉头部2和尾端施加压缩力13。最后，将模具12加热到所述热塑复合材料的熔化温度(约300℃)，使智能复合材料铆钉尾部发生塑性变形。变形形状根据模具12中间的凹槽形状而定，比如图3所示的铆钉尾端14蘑菇头形状。待固化后即完成智能复合材料铆钉紧固安装过程。
与现有技术相比，本发明的智能复合材料铆钉，智能铆钉的整体尺寸和形状以及结构连接面增强作用与传统的金属铆钉接近，嵌入在智能铆钉内的传感器装置通过感应局部应力而产生信号，这些信号通过发射器装置实现无线发送，携带应力和位置信息的信号可被本地接收器接收，有助于监控飞机在服役过程中的结构安全健康状态。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。
Claims (10)
1.智能复合材料铆钉，其特征在于，包括铆钉主体和头部，在所述铆钉主体的中心设有一长形孔，在所述头部上设有漏斗形通槽，所述漏斗形通槽与长形孔连通；在所述长形孔内插入传感器装置，在所述漏斗形通槽内放入发射器装置，所述传感器装置与发射器装置通过导线连接；在所述漏斗形通槽的上表面上设置天线装置，所述发射器装置与所述天线装置通过导线连接。
2.根据权利要求1所述的智能复合材料铆钉，其特征在于，所述铆钉主体和头部由碳纤维增强热塑性复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的智能复合材料铆钉，其特征在于，所述传感器装置由压电材料制成，包括带状、棒状、纤维或膜状。
4.根据权利要求1所述的智能复合材料铆钉，其特征在于，还包括可充电电池单元，为所述传感器装置、发射器装置和天线装置提供电力；所述可充电电池单元位于所述漏斗形通槽中所述发射器装置的上方，所述可充电电池单元与发射器装置通过导线连接。
5.根据权利要求4所述的智能复合材料铆钉，其特征在于，所述传感器装置、发射器装置、可充电电池单元通过粘合剂粘接在所述铆钉主体的长形孔和头部的漏斗形通槽上；所述天线装置粘贴在所述头部的顶部。
6.根据权利要求1所述的智能复合材料铆钉，其特征在于，在所述头部的顶部表面设置一指示压电条表面方向的标记。
7.制作权利要求1-6任意一项所述的智能复合材料铆钉的铆钉主体的长形孔和头部的漏斗形通槽的成型模具，其特征在于，所述成型模具位于所述智能复合材料铆钉内，所述成型模具包括实心的漏斗块和实心的杆，所述杆向上穿过所述漏斗块。
8.根据权利要求7所述的成型模具，其特征在于，所述成型模具的杆的直径为所述铆钉主体的1/5，漏斗块下方和上方杆的长度不小于铆钉主体的3/4，漏斗块的高度与所述头部的高度相同。
9.一种航空复合材料结构中损伤或接头破坏行为的检测方法，其特征在于，所述方法包括将飞行器的结构装配中所使用的普通铆钉部分或全部替换为权利要求1-6中任一项所述的智能复合材料铆钉，所述智能复合材料铆钉的传感器装置通过感应局部应力而产生信号，并将这些信号连同所述传感器装置的位置信息一起，通过所述智能复合材料铆钉的发射器装置发送至本地接收器以进行进一步的数据处理。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述数据处理是将本地接收器收到的应力信号与飞机服役过程中在相应位置测得的接头应力数据进行对比，以分析信号与接头应力之间数据的差异性和相关性。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180904 |