CN110509576A - 一种复合材料结构冲击损伤评测及自动修复系统 - Google Patents

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韩军
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Abstract

本发明涉及复合材料结构损伤监测领域，旨在提供一种复合材料结构冲击损伤监测及自动修复系统，它包括导电碳纤维复合材料监测层、电碳纤维复合材料修复层、连接节点、导线、电源、电信号采集模块、损伤识别模块、智能修复模块、电流发生模块；导电碳纤复合材料监测层中的连接节点通过导线与电信号采集模块以及电源相连；损伤识别模块依据电信号采集模块的信息进行解析；智能修复模块依据解析结果判别是否进行损伤修复；电流模块根据修复指令为修复层提供大电流使损伤部位软化进而修复裂纹；本发明在预测损伤程度以及损伤定位的同时依据损伤程度对结构进行精确修复，保证了复合材料结构的安全性，也提高了复合材料结构的服役年限，降低维护成本。

Description

一种复合材料结构冲击损伤评测及自动修复系统
技术领域
本发明涉及复合材料结构损伤监测领域，尤其涉及一种复合材料结构冲击损伤监测及自动修复系统。
背景技术
合材料作为实现汽车轻量化的重要途径之一，目前在汽车的内部装饰件以及结构等结构有着较为广泛的应用。复合材料结构在使用过程中由于外部的冲击会使其内部产生微小裂纹损伤，通常很难通过肉眼判断损伤的有无以及具体的位置。当复合材料结构中产生微小裂纹后，其整体性能会加快衰减甚至出现疲劳破坏，因此及时发现并修复微小裂纹有着重要意义。传统的无损监测方法如：超声波监测、声发射监测、射线监测、磁粉监测以及显色监测等。这些方法在虽然实际中具有较好的监测精度，但无法实现实时的在线监测以及损伤的快速定位，其监测效率较低且成本偏高。
碳纤维作为复合材料中的增强相，其密度小且具有高的比强度和比模量同时具有良好的导电性能。热塑性树脂基体由于其具有很好的回收性，因此在汽车的碳纤维复合材料中具有广泛的应用。碳纤维与热塑性基体制备成的复合材料层合板在未来具有较好的应用前景，同时作为增强相的碳纤维又具有一定的导电能力。基于碳纤维热塑性基体的复合材料层合板，提出一套有效、快速且低成本的冲击损伤监测及自动修复系统有着广泛的应用价值。
发明内容
1、发明目的：
本发明目的就是克服了传统无损监测技术存在的缺陷，提出一种具有实时监测复合材料结构冲击损伤位置和程度及进行自动修复系统。
2、技术方案：
一种复合材料结构冲击损伤监测及自动修复系统，它包括导电碳纤维复合材料监测层、导电碳纤维复合材料修复层、连接节点、导线、电源、电信号采集模块、损伤识别模块、智能修复模块、电流发生模块。
所述导电碳纤维复合材料监测层为纤维以0度与90度的铺放层，利用这两层可构成网格状实现冲击位置的确定。
所述导电碳纤维复合材料修复层为层合板的中间层。
所述连接节点为将数根碳纤维使用导电片进行连接，利用该种方法即可实现导通的碳纤维在平面上形成坐标系实现损伤定位。
所述导线为连接导电片与信号采集设备。
所述电源为直流电源。
所述电信号采集模块为采集来自各所述节点的电信号。
所述损伤识别模块依据所述电信号采集模块传来的信息进行解析处理。
所述智能修复模块依据所述损伤识别模块的结果决策给出修复指令。
所述电流发生模块接收来自所述智能修复模块的指令产生相应的大电流至所述的导电碳纤维复合材料修复层进行修复，主要利用了电阻通电发热使热塑性基体有一定程度的熔解实现微小裂纹愈合。
一种复合材料结构冲击损伤监测及自动修复系统，包括以下步骤：
步骤一，在复合材料层合板制备过程中在其碳纤维以0度与90度铺放的纤维层中以一定的间隔铺放导电层片作为导电复合材料监测层；
步骤二，在复合材料层合板制备过程中在其碳纤维以0度与90度铺放的纤维层中以一定的间隔铺放导电层片作为导电复合材料修复层；
步骤三，通过步骤一和步骤二后通过导线完成各部分结构的连接，搭建完整的损伤监测及自动修复系统。
步骤四，通电后根据复合材料结构的基本尺寸完成监测及修复系统的初始化处理。
3、本发明“一种复合材料结构冲击损伤监测及自动修复系统”，其优点如下:
(1)本发明提出基于碳纤维复合材料本身，利用碳纤维的导电特性完成了损伤监测与修复的功能，节省了成本同时也简化了结构形式；
(2)本发明利用复合材料层合板铺层特点，选取0度与90度的铺层铺设导电片即可实现冲击位置的确定，该种定位方式简单且精确；
(3)本发明利用碳纤维的力电特性，可以依据电信号的变化程度评测冲击的大小，用于损伤程度的判定。
(4)利用碳纤维复合材料在产生冲击损伤后其内部电阻变大，根据精确定位可以实现损伤的精确修复。
(5)本发明很好的解决了传统无损监测无法实现实时监测以及损伤快速定位的缺点，同时利用复合材料结构特性实现了损伤了自动修复，在很大程度上减少了疲劳损伤的出现同时降低了监测成本。
附图说明
图1为复合材料结构冲击损伤评测及自动修复系统工作原理示意图。
图中符号说明如下：
1-电源、2-导电碳纤维复合材料监测层、3-电信号采集模块、4-损伤识别模块、5-智能修复模块、6-电流发生模块、7-导电碳纤维复合材料修复层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，以下结合附图1和具体实施例对本发明进行详细说明。附图中给出了本发明通用的实施方案。本实施案例根据本发明技术方案进行实施，给出了系统工作原理，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明所使用的所有技术和科学术语与术语本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中为了描述具体的实施方案使用了术语，不局限于本发明。
本发明提供了一种导电复合材料结构冲击损伤评测及自动修复系统，用于解决复合材料结构冲击损伤的定位与程度评测，以便及时发现冲击损伤的位置及程度。针对损伤程度较低的冲击情况，该系统可实现精确位置自动修复的功能提高了结构安全性也降低了维护成本。
如图1所示，本发明实施案例中提供了一种导电复合材料结构冲击损伤评测及自动修复系统，包括电源1、导电碳纤维复合材料监测层2、电信号采集模块3、损伤识别模块4、智能修复模块5、电流发生模块6和导电碳纤维复合材料修复层7。
具体的，电源1为本实例中的各个部分供电以保证整个系统的正常工作；导电碳纤维复合材料监测层2位于复合材料结构的中间层，用于实时监测外部冲击时，当损伤出现时，导电碳纤维复合材料监测层2可以产生的电信号变化；电信号采集模块3实时的接收并处理来自导电碳纤维复合材料监测层2的电信号，处理后的信号传递至损伤识别模块4；损伤识别模块4根据所接收到的信息并与预设的损伤识别数据库进行对比给出相对应的损伤程度及类型；智能修复模块5接收来自损伤识别模块4的损伤程度信号并与预设的修复数据库进行对比分析，给出相应的修复指令至电流发生模块6；电流发生模块6依据智能修复模块5的修复指定向导电碳纤维复合材料修复层7输入固定时长的电流用于修复损伤；修复过程中，导电碳纤维复合材料监测层2也不断监测电信号的变化，该信号经损伤识别模块4进行评测后将损伤信号传至智能修复模块5，智能修复模块5根据损伤信号与修复数据库进行对比用于评测修复的效果。
导电碳纤维复合材料监测层2网格式的信号采集可以很好的实现定位同时根据实际要求的监测精度合理布置采集点的间距。
电信号采集模块3接收各采集点的信号，对信号进行处理得到冲击损伤的位置信号以及电信号波动特征。
损伤识别模块4依据接收到的电信号波动特征与其已有的损伤数据库进行对比，评测损伤的程度及类型同时也接收损伤位置信息。
智能修复模块5依据接收到的损伤程度及类型与其已有的修复数据库进行对比，给出相应的修复时长、电流以及位置信息。
电流发生模块6根据智能修复模块5的指令信息产生相应的大电流至导电碳纤维复合材料修复层7相应的位置，利用电流在特定位置的产热加热热塑性集体，从而完成小裂纹的修复。
在修复过程中，存在一个反馈调节的过程，依据修复位置电信号的变化对修复效果进行实时评测，达到设定的修复程度区间后则提前停止修复以达到精准修复的效果。

Claims (9)

1.一种导电复合材料结构冲击修复系统，它包括导电碳纤维复合材料监测层、导电碳纤维复合材料修复层、电源、电信号采集模块、损伤识别模块、智能修复模块、电流发生模块；
所述导电碳纤维复合材料监测层用于监测外部冲击引起的电信号；
所述导电碳纤维复合材料修复层用于修复结构指定位置处的裂纹；
所述电信号采集模块用于采集并处理导电碳纤维复合材料监测层的电信号；
所述损伤识别模块用于评测损伤程度及模式；
所述智能修复模块用于根据损伤程度给出相应程度的修复指令，电流发生模块用于在指定位置产生相应的修复电流。
2.根据权利要求1所述的导电碳纤维复合材料监测层，其特征在于碳纤维在受到外力冲击时其电阻发生变化进而导致电信号的变化，具有良好的力阻特性。
3.根据权利要求2所述的导电碳纤维复合材料监测层，其特征在于选取碳纤铺层为0度与90度碳纤作为监测节点，进而构成网格状监测布局实现精确定位。
4.根据权利要求1所述的导电碳纤维复合材料修复层，其特征在于碳纤维在受到外力冲击时其电阻明显增大。
5.根据权利要求4所述的导电碳纤维复合材料修复层，其特征在于向损伤位置处通电流利用其高电阻产热进而使热塑性基体有一定熔解修复细小裂纹。
6.根据权利要求5所述的导电碳纤维复合材料修复层，其特征在于选取碳纤铺层为0度与90度碳纤作为监测节点，进而构成网格状监测布局实现精确修复。
7.根据权利要求1所述的损伤识别模块，其特征在于依据导电碳纤维复合材料监测层的各节点信号与损伤数据库进行对比得到损伤程度及类型。
8.根据权利要求1所述的智能修复模块，其特征在于依据损伤信息与修复数据库进行对比给出相应的修复时长、电流及位置信息。
9.根据权利要求8所述的智能修复模块，其特征在于修复过程中根据修复位置的损伤信号的变化实时调整相应的修复指令信息，节约资源的同时保证修复效果。
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