CN109906378A - 由纤维复合材料制成的模制件 - Google Patents

Abstract

模制件包括由纤维复合材料制成的沿面延伸的层和在模制件上固定安置的扫描装置，所述扫描装置配置用于，确定模制件的在扫描装置所处安置位置上的物理性质。

Description

由纤维复合材料制成的模制件

本发明涉及一种由纤维复合材料制成的模制件。本发明尤其涉及对所述模制件的物理性质的检查。

轨道交通工具的、例如机车、有轨公交车或铁路车辆包括车架和饰面。所述饰面可以尤其应用于前部区域中，以便实现气动动力学上有利的形状，确保防碰撞保护或保护交通工具的元件免受环境因素、例如湿气、冰雪或污染的影响。饰面可以包括模制件，所述模制件利用纤维复合材料构成。更多的模制件可以应用于交通工具的外层上、前端上、车头、车前盖或顶部件上。纤维复合材料由嵌入基质中的纤维构成。包括纤维复合材料的模制件可以兼具较轻的重量和较高的强度。此外，模制件还可以是价格低廉、耐用且耐化学试剂的，并且提供优异的形状多样性。

文献WO 2010/029 188 A1教导了一种交通工具头部结构、尤其轨道车辆的交通工具头部结构，其中，交通工具头部结构完全通过由纤维复合材料制成的结构元件构成。

文献DE 10 2006 018 461 A1建议，由纤维增强塑料制成的模制件配备有至少一个RFID转发器，以便识别模制件的真伪。

为了检查由纤维复合材料制成的模制件的损伤、例如由于石击或事故造成的损伤，通常需要外置设备，所述外置设备由受过训练的人员操作。此外，会需要关于模制件的准确了解，以便例如能够将层压的强化元件与损伤相区分。所述探查可能是费时的，而且可能会要求拆卸交通工具的模制件或其他部件。

文献DE 10 2007 014 696 B3涉及一种用于检测材料、尤其轻型结构的材料的结构性信息的技术。为此，压电传感器面状在待检查的材料上分布地安置，并且沿面方向上的波在传感器之间被交换。

然而该技术需要根据各个构件个别调整地制备测量值。本发明所要解决的技术问题在于，提供一种改进的技术，用于检查具有纤维复合材料的模制件的损伤。本发明借助独立权利要求的技术方案解决所述技术问题。从属权利要求反映优选的实施方式。

模制件包括由纤维复合材料制成的沿面延伸的层和在模制件上固定安置的扫描装置，所述扫描装置配置用于，确定模制件的在扫描装置的安置位置处的物理性质。

通过点状地在安置位置上确定所述物理性质，不需要沿面方向在确定的物理性质与模制件的形状之间建立关联。不一定要实施沿面方向相互间隔的多个扫描装置的校准和相互匹配。由此可以显著降低为确定损伤的处理耗费。

根据确定的物理性质能够以简单且可理解的方式确定模制件的状态。由此模制件可以在检查的进行期间保留在其安装地点。所述检查可以迅速且以较低费用实施。在一种实施方式中，甚至可以在设备的运行过程中实施检查，在所述设备上构造有该模制件。所述设备可以例如包括轨道交通工具，其中，模制件可以包括例如交通工具上的饰面、外层、前端、车头、顶部件、车前盖或其他元件。为了检查模制件不需要移动的扫描装置或对处理模制件培训过的人员。设备的运行者可以自行实施对模制件的检查，而无需要求外来支持。

尤其有利的是，沿面方向在层上分散安置多个扫描装置。通常，模制件沿垂直于层的方向具有基本上恒定的厚度。于是借助扫描装置确定的物理性质可以相互比较，尤其在相邻的扫描装置之间比较。然而针对所建议的技术，模制件还可以具有变化的厚度。为了确定损伤，还可以在一个位置上关于时间来分析物理参数的变化。由于不同扫描装置的扫描之间不具关联，可以通过简单的形式实施对损伤的确定。

扫描装置可以优选安置在模制件的位置上，所述位置对于模制件的状态更具证明力或者对于该位置来说损伤的概率更高。扫描装置之间的相对间距可以例如在约为20至120mm的范围内。在此，扫描装置可以规则地布置，例如以矩阵或蜂巢类型的栅格的形式布置，或者可以不规则地按照散布原理布置。在此优选的是，模制件的任一点与最接近的扫描装置的最大间距不超过预定的数值。在第一方案中，扫描装置可以是有线的，其中，供能或数据线路可以与模制件和尤其与层固定连接。在另一种方案中，扫描装置是无线的，并且供能或数据连接可以借助电磁波建立。为此，尤其可以使用已知的无线技术、例如RFID或蓝牙。在所有的实施方式中优选的是，构造标准化的接口，确定的物理性质通过所述接口被提供。所述接口既可以是实体上定义的也可以是逻辑上定义的。

更优选的是，沿垂直于层的方向确定物理性质。尤其当层具有基本上恒定的厚度时，在邻近的安置位置处的确定的物理性质相互间具有关联。在此不需要准确地获知安置位置，因为确定的物理性质不受扫描装置相互间间距的影响。然而当模制件在面上具有变化的厚度时，可以实施沿厚度方向的测量。

物理性质优选与模制件的损伤相关。例如物理性质可以包括导热性能、用于波、尤其声波或电磁波的传导性或回声表现、导电性、电容或电感。如果构件受损，那么在损伤的区域中的物理性质发生改变，从而能够根据物理信号检查构件的损伤。在此，损伤可以包括老化、受潮损伤、辐射损伤、裂纹或微裂纹、孔隙或断裂。模制件的功能性可以尤其在关键的构件上更好地确定。

所述层可以面状地与其他层相连，并且损伤可以包括两个层相互间的剥离。这种损伤也被称为分层或脱层，并且可以例如出现在由纤维复合材料制成的不同层之间。在另一种实施方式中，其他层包括载体结构，所述载体结构尤其可以构造为泡沫芯。模制件可以由此构造为单侧或双侧的三明治结构或者说夹心结构。借助传统的方法仅能极其困难地证明层与载体结构的局部分层。借助在所述模制件上的至少一个扫描装置能够使剥离在相对较早阶段就被可靠地识别。

可以检查模制件的不同的物理性质。在一种实施方式中，扫描装置包括用于在模制件中传播的波的发送器和接收器，所述接收器配置用于扫描波的反射。所述波尤其可以是机械式的，其中也涉及固体声。发送器和接收器能够合并，并且例如构造为压电元件的形式。在其他的实施方式中，还可以使用电磁波，例如在雷达或X射线范围内。在另外的实施方式中，还可以针对热量确定延展性。总体上优选的是，检查模制件沿厚度方向、也即垂直于面方向的物理性质。扫描装置可以尤其一件式地实施。对物理性质的分析是被允许的，而无需使两个或更多个相互独立地安置在模制件上的元件相互协调。

在另一种实施方式中，扫描装置包括电流回路，所述电流回路沿垂直于层的方向流经模制件的区段。在第一方案中，导电的元件为此设置在该位置处，在第二方案中，电流直接流经模制件。当纤维复合材料是传导性的时，例如通过导电纤维、如碳纤维构成时，该方案尤其可以是有利的。由纤维复合材料制成的层则可以构成第一电极，并且在每个扫描装置上设置第二电极，电流可以从第一电极沿垂直于层的方向经过模制件流至第二电极。通常模制件的电导或电阻被确定，然而在另一种实施方式中，也可以记录其他的可电扫描的性质，例如模制件的电容或电感性质。

一种系统包括上述模制件和处理装置，所述模制件带有多个扫描装置，所述处理装置配置用于，根据在扫描装置的安置位置上确定的物理性质来确定模制件的损伤。如果扫描装置无线地设计，优选的是，处理装置进行至扫描装置的能量传递和/或与扫描装置的无线通信。处理装置可以相对于模制件独立地设置或固定安置在模制件上，以便与模制件集成地实施。处理装置的用于提供扫描或确定结果的接口优选以电的方式实施。

在一种特别优选的实施方式中，处理装置配置用于，当在面中的点处确定的物理性质位于预定的范围之外时，确定模制件的损伤。例如可以为在扫描装置处的电阻规定约5至500Ω的范围。如果在扫描装置处的电阻低于该范围的下限或超出上限，那么可以推导出损伤。在此，每个扫描装置的确定的物理性质可以单独与所述范围相比较。

在另一种实施方式中，处理装置配置用于，当在面上确定的物理性质的梯度的值超出预定的阈值时，确定损伤。换言之，当物理性质沿面方向的改变超出预定额度时，可以确定损伤。为此可以观察由控制点所定义的曲线的曲率或斜度，所述控制点通过在单个安置位置处确定的物理性质定义。在另一种实施方式中，还可以检查梯度的数值是否位于预定范围以外。

一种用于确定模制件的损伤的方法，其中，模制件包括由纤维复合材料制成的层，所述层沿面延伸，所述方法包括借助扫描装置确定模制件的物理性质的步骤，其中，扫描装置在预定的安置位置上固定安置在模制件，并且包括根据确定的物理性质确定损伤的步骤。所述方法尤其可以借助上述针对系统所述的处理装置实施。关于方法、系统和模制件已被描述的技术特征能够以相对应的方式引用至相应其他类别的技术方案中。

可以第一次和第二次确定物理性质，其中，根据在多次确定之间确定的物理性质的变化来确定损伤。一个或多个扫描装置能够在模制件上安置在任意位置上，并且第一次扫描可以是校准，之后的测量值可以与所述校准相比较。如果在某一位置处扫描的物理参数的变化超出预定额度，那么可以断定有损伤。尤其是缓慢发展式的损伤、例如水在模制件中的扩散造成的损伤能够被可靠地探测。在另一种实施方式中，当确定的参数之一以较之通过另外预定的额度规定的更快地变化时，也可以确定损伤。此外，当在某一位置处预定的参数的相对变化(或变化速度)与在另一位置处确定的参数的相对变化(或变化速度)相比的差异超出预定的额度时，也可以确定损伤。

总体上优选的是，不同扫描装置的测量相互不影响对方。为此，多个扫描装置能够以预定的最小间距设置在模制件上，或者邻近的多个扫描装置的测量能够在时间上错移地实施。

优选地，多个扫描装置沿面方向在层上分散安置，其中，处理装置配置用于，将所述物理性质内插在扫描装置的安置位置之间，并且根据沿面方向的内插获得的性质的走向来确定模制件的损伤。

内插可以沿面的曲线或沿面的区段进行。通过在扫描装置的安装位置处确定的物理性质预设控制点，在所述控制点之间进行内插。内插可以以任意方式进行，例如借助贝兹曲线、样条曲线或多项式。由此能够更好地识别仅在层的较小范围内的损伤，例如穿刺或微裂纹。

所述方法尤其能够以具有程序代码工具的计算机程序产品的形式存在，其中，计算机程序产品能够至少部分在上述处理装置中运行。处理装置优选包括可编程的微型计算机、微处理器或FPGA。

本发明借助附图更详细地被描述，在附图中：

图1示出具有纤维复合材料的模制件；

图2示出具有损伤的模制件；

图3示出模制件的物理性质的内插；和

图4示出用于确定模制件的损伤的方法的流程图。

图1示出系统100，其包括模制件105和处理装置110。模制件105包括至少一个纤维复合材料的层115和可选的载体结构120。总体而言所述层115包括嵌入基质中的纤维。所述层115尤其可以包括玻璃纤维增强的塑料(德语：GFK)或碳纤维增强的塑料(德语：CFK)，然而也可以使用其他纤维，例如芳纶纤维或织物纤维。还可以使用具有不同纤维的混合构造。模制件105也可以包括多个层115，所述多个层例如在其纤维方向方面有所区别，其中，所述层特别优选面状地相互连接。载体结构120可以面状地与层115相连，或者位于两个层115之间；该构造也被称为夹心结构。载体结构120优选构造为泡沫芯，例如以硬质泡沫为基础的泡沫芯，所述硬质泡沫包含例如聚乙烯，聚苯乙烯或聚氨酯。处理装置110可以与模制件115集成地构造，例如其方式在于，处理装置110在层115上固定安置或者包含在空腔中，所述空腔在至少一个侧面上被层115限定。在一种实施方式中，处理装置110布置在载体结构120的凹空中。

层115沿面125延伸，所述面的维度在图1中示例性地以x和y表示。在此，面125不一定是平面的，而可以是任意成型且尤其弯曲的。空心体也是可行的，例如空心筒或空心球。

在层115中固定安置了至少一个扫描装置130。所述扫描装置130可以尤其在模制件105的制造之后安置在层115上，例如借助层压进行安置。如果模制件105包括内侧和外侧，那么优选的是，扫描装置130设置在内侧上。扫描装置130配置用于，在局部、也即在扫描装置130的相应安置位置处确定模制件105的物理性质。所述物理性质可以例如包括电学参数、导热性能、热容或在扫描装置130的激励方面的传导或反射性质。所述激励尤其可以包括机械振动，所述机械振动尤其可以位于超声波范围内。扫描装置130为此可以包括第一声变换器和第二声变换器，所述第一声变换器配置用于作为发送器将固体声在模制件105上导入，所述第二声变换器作为接收器扫描反射的声波。两个声变换器都可以分别实施为压电转换器。在一种实施方式中，唯一一个压电转换器先后依次作为发送器并作为接收器使用。在另一种实施方式中，发送器和/或接收器也可以用于其他测试信号，例如电信号或电磁波。波可以以任意频率存在，使得所述波可以存在于从热辐射经可见光和无线电波乃至雷达或X射线的范围内。

尤其优选的是，每个扫描装置130都局部地、即在其相应的安置位置处确定相应的物理参数。在此应尽可能避免不同扫描装置130之间的相互影响。为此可以尤其确定沿垂直于面125的方向、也即沿厚度方向上的物理参数。对于如图1示例性所示模制件105的实施方式中弯曲的面125而言，垂直于面125的绝对方向与各个安置位置相关。如果模制件105在不同扫描装置130的区域中具有不同的厚度，那么鉴于借助扫描装置130探测的参数的无关联性，不会对测量产生不利影响。

处理装置110配置用于，根据扫描装置130的确定的物理性质确定模制件105的损伤。为此，处理装置110至少在数据技术上和至少暂时与每个扫描装置130相连。数据技术连接可以无线或有线地实现。通常，还必须为扫描装置130提供能量。所述能量可以通过处理装置110提供，其中，作为备选，有线或无线的传递都是可行的。通过处理装置110提供的关于模制件105的损伤的结果可以借助接口135向外提供。

针对在单个扫描装置130处的物理参数的示例性数值在图1中示意性地绘制为控制点140。控制点140沿面125分布在分别配属的扫描装置130的安置位置处。控制点140分别沿垂直于面125的方向以图示方式示出。控制点140由此定义了另外的面145，所述另外的面在其延伸方面基本上遵循面125，并且所述另外的面在其每个点上与面125的间距都取决于在各个区域中确定物理性质的大小。为了确定所述另外的面145，可以在扫描装置130的安置位置之间采取内插，如以下还将根据图3详细描述的。对于讨论所述另外的面145与面124或层115的间距而言，面125的形状、尤其曲率是无关紧要的。模制件105因此可以任意成形。

当另外的面145与面125或层115的间距超出或低于预定间距时，可以确定模制件105的损伤。

图2示出具有损伤205的模制件105。所述损伤205可以包括裂纹、孔隙、挤压伤或分层。所示损伤205包括多个极小的裂纹，所述裂纹以类似蛛网的形式构成。分层通常包括层115与例如载体结构120或其他层115的面状邻接的区域的剥离。损伤205可以被检测，是因为在扫描装置130位于损伤205的区域中的安置位置处确定的物理参数明显小于其余区域中的物理参数。绝大多数扫描装置130为确定的物理参数反馈类似的数值，相较而言，处于损伤205的区域中的扫描装置130的数值与其偏差显著。如果例如沿垂直于面125的方向确定模制件105的电阻，那么在无损伤区域中确定的数值可以约为10，相较而言，在损伤205的区域中该数值约为100000。在简单的实施方式中，损伤205可以据此识别，即，被确定的物理参数位于预定的范围之外。在另一种实施方式中，当参数超出或低于预定的阈值时，可以检测到损伤205。

图3示出图1或2的模制件105的物理性质p的示例性内插。以纯粹示例性的方式、具体而言纯粹示例性沿x方向示出在水平方向上层115沿面125的延伸，并且沿垂直方向示出物理参数的数值，所述物理参数反映物理性质。在上部示图中，示出在安置位置x1至x4上的四个示例性的控制点140。在安置位置x1至x4之间内插的第一曲线延伸经过控制点140。也即是说，在安置位置x1至x4之间的物理参数p的数值根据既有的控制点140被计算确定。第一曲线305在该实施例中构成圆弧。尽管没有控制点140位于预定的范围310之外(所述预定的范围指示模制件105的无损伤区段)，然而第一曲线305在安置位置x2和x3之间仍超出范围310。如果作为用于确定损伤205的标准使用“(内插的)第一曲线305位于范围310之外”，那么甚至能够更好地检测小的或微弱表现的损伤205。

在图3的下部区域中示出第二曲线315，所述第二曲线反应第一曲线305的曲率。所述曲率可以被理解为第一曲线305的梯度的值。在另一种实施方式中，当第二曲线315位于另外的预定的范围320之外时，可以检测损伤205。由此尤其可以使用另外的面145的突然过渡或不连续点作为对损伤205的指示。

图4示出用于确定模制件105的损伤205的方法400的流程图。所述方法400尤其配置用于在处理装置110上运行。借助所述方法400可以确定模制件105是否具有损伤205。

在步骤405中，优选在模制件105的层115的多个安置位置处确定模制件105的物理参数p。优选地，为每个安置位置固定配置了扫描装置130，所述扫描装置在层115上固定安置在各个安置位置处。扫描装置130能够被同时或先后依次控制以确定物理参数p。在步骤410中，物理参数p的每个确定的数值都与下阈值和/或上阈值相比较。如果参数p超过阈值，那么在所配属的安置位置处存在损伤205。

可选地，在步骤415中在单个扫描装置130的控制点140之间内插，如上根据图3详细阐述。内插可以沿曲线305或面145进行。在此可以覆盖整个模制件105或仅模制件的区段。在后续的步骤420中，可以实施曲线305或面145的数值与下阈值和/或上阈值的比较。如果曲线305或面145的区段超出阈值之一，那么则可以断定损伤205。

此外可选地，在步骤425中，确定曲线305或面145的梯度的数值。该数值可以在步骤430中与下阈值和/或上阈值比较。如果梯度的数值超出阈值之一，那么则可以断定损伤205。

所述方法400可以受事件控制地或时间控制地实施。在一种实施方式中，所述方法400周期性地运行，以便实现对模制件105的持续监控以实现无损伤。

附图标记清单

100 系统

105 模制件

110 处理装置

115 层(纤维复合材料)

120 载体结构

125 面

130 扫描装置

135 接口

140 控制点

145 另外的面

205 损伤

305 第一曲线

310 范围

315 第二曲线

320 范围

400 方法

405 扫描

410 与范围的单独比较

415 曲线或面的内插

420 与范围的比较

425 确定梯度

430 梯度的数值与范围或与阈值的比较

Claims (16)

1.一种模制件(105)，其中，所述模制件(105)包括如下：

-由纤维复合材料制成的层(115)，其中，所述层(115)沿面(125)延伸；和

-固定安置在所述模制件(105)上的扫描装置(130)，所述扫描装置配置用于确定所述模制件(105)在扫描装置(130)的安置位置(x)处的物理性质(p)。

2.根据权利要求1所述的模制件(105)，其中，多个扫描装置(130)沿面方向分散安置在所述层(115)上。

3.根据权利要求1或2所述的模制件(105)，其中，沿垂直于所述层(115)的方向确定物理性质(p)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的模制件(105)，其中，所述物理性质与模制件的损伤相关。

5.根据权利要求4所述的模制件(105)，其中，层(115)面状地与另外的层(120)相连，并且所述损伤(205)包括所述层(115)的区段与另外的层(120)的剥离。

6.根据权利要求4所述的模制件(105)，其中，载体结构(120)面状地与两个层(115)相连，所述层位于所述载体结构(120)的不同侧面上。

7.根据上述权利要求中任一项所述的模制件(105)，其中，所述扫描装置(130)包括用于在所述模制件(105)中传播的波的发送器和用于所述波的反射的接收器。

8.根据上述权利要求中任一项所述的模制件(105)，其中，所述扫描装置(130)包括电流回路，所述电流回路沿垂直于所述层(115)的方向流经所述模制件(105)的区段。

9.一种系统，其包括根据权利要求2至8中任一项所述的模制件(105)和处理装置(110)，所述处理装置配置用于，根据在所述扫描装置(130)的安置位置(x)处确定的物理性质(p)确定所述模制件(105)的损伤(205)。

10.根据权利要求9所述的系统(100)，其中，所述处理装置(110)配置用于，当在所述面(125)中的点处确定的物理性质(p)位于预定的范围(310)之外时，确定损伤(205)。

11.根据权利要求9或10所述的系统(100)，其中，所述处理装置(110)配置用于，当在所述面(125)上确定的物理性质(p)的梯度(315)的数值超出预定的阈值时，确定损伤(205)。

12.一种用于确定模制件(105)的损伤(205)的方法(400)，其中，所述模制件(105)包括由纤维复合材料制成的层(115)，所述层沿面(125)延伸，并且所述方法(400)包括如下步骤：

-借助扫描装置(130)确定(405)所述模制件(105)的物理性质，其中，所述扫描装置(130)在预定的安置位置处(x)尤其固定地安置在模制件(105)上；和

-根据确定的物理性质确定(410)损伤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法(400)包括如下步骤：

-确定(405)所述模制件(105)在预定的安置位置(x)处的物理性质，所述安置位置沿面方向分布在模制件(105)上；

-确定(425)在所述面(145)上确定的物理性质(p)的梯度(315)；

-将梯度的数值与预定的阈值进行比较(430)；和

-如果所述梯度的数值超出阈值，则确定(410)损伤。

14.根据权利要求12或13所述的方法(400)，其中，第一次和第二次确定(405)物理性质，并且根据在多次确定之间确定的物理性质的变化来确定(410)损伤。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法(400)，其中，多个扫描装置(130)沿面方向分散安置在所述层(115)上；其中，内插获得所述扫描装置(130)的安置位置(x)之间的物理性质(p)，并且根据内插的性质(p)沿面方向的走向(145、305)确定所述模制件(105)的损伤(205)。

16.一种计算机程序产品，其带有用于实施根据权利要求12至15中任一项所述的方法(400)的程序代码工具，其中，所述计算机程序产品在所述处理装置(110)中实施或存储在计算机可读的数据载体中。