CN110274952B - 一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法 - Google Patents

一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，包括以下步骤：在三维编织复合材料的编织过程中，加入带有磁性的纤维束；检测磁性三维编织复合材料对照样在不同状态下的三维方向的磁性特征并标定；通过比较待测样在待测状态下的磁性特征与对照样的磁性特征来检测磁性三维编织复合材料是否发生损伤，若发生损伤，根据磁性三维方向上的磁性特征确定材料损伤的位置及程度；本发明方法可以便捷、快速、准确地检测出磁性三维编织复合材料是否发生损伤，以及发生损伤的位置及程度，在三维编织复合材料的健康监测的方向有广泛的应用前景。

Description

一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法
技术领域
本发明涉及复合材料的健康检测领域，尤其涉及一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法。
背景技术
三维编织复合材料纤维束空间相互交织形成立体网状结构，克服了传统层板易分层的弱点，保持了复合材料构建承载变形的整体性，且具有比强度高、比模量大、抗冲击、性能可设计和易于一次成型等优点，很好的满足了航空航天领域材料结构减重和高承载性能的要求，在航空、航天、军工等领域得到广泛应用。
三维编织复合材料在使用的过程中可能会产生塑性变形、纤维断裂、结构断裂等损伤，其中复合材料的一些内部纤维断裂损伤难以观测，不易确定其内部损伤的具体位置以及损伤程度。因此，对三维编织复合材料的健康检测就具有极其重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，在三维编织复合材料的编织过程中，加入带有磁性的纤维束；检测磁性三维编织复合材料对照样在不同状态下的三维方向的磁性特征并标定；通过比较待测样在待测状态下的磁性特征与对照样的磁性特征来检测磁性三维编织复合材料是否发生损伤，若发生损伤，根据三维方向上的磁性特征确定材料损伤的位置；本发明方法可以便捷、快速、准确地检测出磁性三维编织复合材料是否发生损伤，以及发生损伤的位置及程度，在三维编织复合材料的健康监测的方向有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在三维编织复合材料的编织过程中，加入磁性纤维束，得到磁性三维编织复合材料，使材料具有一定的磁性，材料表面周围将会形成一定的磁场；
S2：选取不同状态下的三维编织复合材料作为对照样，使用扫描装置检测磁性三维编织复合材料对照样在不同状态下的三维方向的磁性特征；具体按照以下步骤进行：
(1)在未变形的初始状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将未变形的磁性特征标定为state1，三个维度方向上的磁性特征分别记为state1X、state1Y及state1Z；
(2)在最大弹性变形的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将最大弹性变形的磁性特征标定为state2，三个维度方向上的磁性特征状态分别记为state2X、state2Y及state2Z；
(3)在最大塑性变形的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将最大塑性变形的磁性特征标定为state3，三个维度方向上的磁性特征分别记为state3X、state3Y及state3Z；
(4)在发生纤维断裂损伤的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将发生纤维断裂损伤的磁性特征标定为state4，三个维度方向上的磁性特征分别记为state4X、state4Y、state4Z；
S3：使用扫描装置检测磁性三维编织复合材料待测样在待测状态下的X、Y、Z三个维度方向上的磁性特征并标定为state test，三个维度方向上的磁性特征分别记为statetest X、state test Y及state test Z；
S4：将S3步骤中的磁性特征与S2步骤中的磁性特征进行比较，根据三维方向上的磁性特征确定磁性三维编织复合材料待测样损伤的位置；具体步骤是：将磁性特征statetest X、state test Y、state test Z与磁性特征state1X、state1Y及state1Z作对比，判定材料是否发生损伤，若磁性特征state test处于state 1与state 2之间，则磁性三维编织复合材料待测样未发生损伤；否则，判定为发生损伤，磁性特征不同的位置即为磁性三维编织复合材料待测样损伤的位置；
S5：将S3步骤中的磁性特征与S2步骤中的磁性特征进行比较，判定磁性三维编织复合材料待测样的损伤程度；具体按照以下步骤判定：
(1)若磁性特征state test处于state 2与state 3之间，则磁性三维编织复合材料待测样发生塑性变形损伤；
(2)若磁性特征状态state test超出state 3并与state 4状态相近，则磁性三维编织复合材料待测样发生纤维断裂损伤。
进一步地，所述S1中加入的磁性纤维束为二维的带有磁性的平面纤维束或三维的带有磁性的空间纤维束。
进一步地，所述S2与S3中，扫描装置检测时，扫描装置与被检测材料保持相同的距离。
进一步地，所述S2与S3中，扫描装置内部选用低强度磁场传感器检测材料表面磁场强度。
采用以上技术方案后，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法在不改变三维编织复合材料的材料性能的情况下，实现了无损检测，并且检测的可靠性和灵敏度高；
(2)本发明方法可以便捷、快速、准确地检测出磁性三维编织复合材料是否发生损伤，以及发生损伤的位置及程度，在磁性三维编织复合材料的健康监测的方向有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法流程图。
图2是本发明的一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法磁性特征检测示意图。
其中，S1-三维编织复合材料的编织过程中，加入一定量带有磁性的纤维束；S2-检测磁性三维编织复合材料对照样在不同状态下的三维方向的磁性特征状态并标定；S3-检测磁性三维编织复合材料待测样是否发生损伤时，从三维方向测量三维编织复合材料并记录其磁性特征状态；S4-与标定好的磁性特征状态比较，判定材料是否发生损伤，若发生损伤，根据三维方向上的磁性特征状态变化确定材料损伤的位置；S5-若发生损伤，根据三维方向上的磁性特征状态变化，判定磁性三维编制复合材料待测样的损伤程度；1-扫描装置；2-磁性三维编织复合材料。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在三维编织复合材料的编织过程中，加入磁性纤维束，使三维编织复合材料具有一定的磁性，材料表面周围将会形成一定的磁场，加入的磁性纤维束为二维的带有磁性的平面纤维束或三维的带有磁性的空间纤维束，带有磁性的纤维束与编织纤维具有相同的材料属性，保证磁性纤维与编织纤维损伤可以同步进行，保证三维编织复合材料健康检测的准确性；
S2：选取不同状态下的三维编织复合材料作为对照样，使用扫描装置检测磁性三维编织复合材料对照样在不同状态下的三维方向的磁性特征；其中，磁性特征包括磁场强度及磁通密度，扫描装置内部选用低强度磁场传感器如超导测磁、感应线圈测磁、核子自旋进动测磁、光泵测磁等检测材料表面磁场强度，优选的，扫描装置为霍耳效应磁强计、旋转线圈磁强计、高斯计等，具体按照以下步骤进行：
(1)在未变形的初始状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将未变形的磁性特征标定为state1，三个维度方向上的磁性特征分别记为state1X、state1Y及state1Z；
(2)在最大弹性变形的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将最大弹性变形的磁性特征标定为state2，三个维度方向上的磁性特征状态分别记为state2X、state2Y及state2Z；
(3)在最大塑性变形的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将最大塑性变形的磁性特征标定为state3，三个维度方向上的磁性特征分别记为state3X、state3Y及state3Z；
(4)在发生纤维断裂损伤的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将发生纤维断裂损伤的磁性特征标定为state4，三个维度方向上的磁性特征分别记为state4X、state4Y、state4Z；
S3：使用扫描装置检测磁性三维编织复合材料待测样在待测状态下的X、Y、Z三个维度方向上的磁性特征并标定为state test，三个维度方向上的磁性特征分别记为statetestX、state testY及state testZ，所述S2与S3中，扫描装置检测时，扫描装置与被检测材料保持相同的距离；
S4：将S3步骤中的磁性特征与S2步骤中的磁性特征进行比较，根据三维方向上的磁性特征确定磁性三维编织复合材料待测样损伤的位置；具体步骤是：将磁性特征statetest X、state test Y、state test Z与磁性特征state1X、state1Y及state1Z作对比，判定材料是否发生损伤，若磁性特征state test处于state 1与state 2之间，则磁性三维编织复合材料待测样未发生损伤；否则，判定为发生损伤，磁性特征不同的位置即为磁性三维编织复合材料待测样损伤的位置；
S5：将S3步骤中的磁性特征与S2步骤中的磁性特征进行比较，判定磁性三维编织复合材料待测样的损伤程度；具体按照以下步骤判定：
(1)若磁性特征state test处于state 2与state 3之间，则磁性三维编织复合材料待测样发生塑性变形损伤；
(2)若磁性特征状态state test超出state 3并与state 4状态相似，则磁性三维编织复合材料待测样发生纤维断裂损伤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在三维编织复合材料的编织过程中，加入磁性纤维束，得到磁性三维编织复合材料，使材料具有一定的磁性，材料表面周围将会形成一定的磁场；
S2：选取不同状态下的三维编织复合材料作为对照样，使用扫描装置检测磁性三维编织复合材料对照样在不同状态下的三维方向的磁性特征；
S3：使用扫描装置检测磁性三维编织复合材料待测样在待测状态下的X、Y、Z三个维度方向上的磁性特征并标定为statetest，三个维度方向上的磁性特征分别记为statetestX、statetestY及statetestZ；
S4：将S3步骤中的磁性特征与S2步骤中的磁性特征进行比较，判定材料是否发生损伤；若发生损伤，根据三维方向上的磁性特征确定磁性三维编织复合材料待测样损伤的位置；
S5：将S3步骤中的磁性特征与S2步骤中的磁性特征进行比较，判定磁性三维编织复合材料待测样的损伤程度，所述S2与S3中，扫描装置检测时，扫描装置与被检测材料保持相同的距离，所述S2与S3中，扫描装置内部选用低强度磁场传感器检测材料表面磁场强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，其特征在于，所述S2步骤中的具体检测方法如下：
(1)在未变形的初始状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将未变形的磁性特征标定为state1，三个维度方向上的磁性特征分别记为state1X、state1Y及state1Z；
(2)在最大弹性变形的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将最大弹性变形的磁性特征标定为state2，三个维度方向上的磁性特征状态分别记为state2X、state2Y及state2Z；
(3)在最大塑性变形的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将最大塑性变形的磁性特征标定为state3，三个维度方向上的磁性特征分别记为state3X、state3Y及state3Z；
(4)在发生纤维断裂损伤的状态下，对磁性三维编织复合材料对照样进行X、Y、Z三个维度方向的磁性检测，将发生纤维断裂损伤的磁性特征标定为state4，三个维度方向上的磁性特征分别记为state4X、state4Y、state4Z。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，其特征在于，所述S4步骤中的损伤位置确定的具体步骤是：将磁性特征statetestX、statetestY、statetestZ与磁性特征state1X、state1Y及state1Z作对比，若磁性特征statetest处于state1与state2之间，则磁性三维编织复合材料待测样未发生损伤；否则，判定为发生损伤，磁性特征不同的位置即为磁性三维编织复合材料待测样损伤的位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，其特征在于，所述S5步骤中的判定过程如下：
(1)若磁性特征statetest处于state2与state3之间，则磁性三维编织复合材料待测样发生塑性变形损伤；
(2)若磁性特征状态statetest超出state3并与state4状态相近，则磁性三维编织复合材料待测样发生纤维断裂损伤。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁特性的三维编织复合材料健康检测方法，其特征在于，所述S1中加入的磁性纤维束为二维的带有磁性的平面纤维束或三维的带有磁性的空间纤维束。
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