CN110914637B - 用于检测细长结构中的纤维错位的双扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于检测诸如风力涡轮机叶片构件的细长结构中的纤维错位的方法。所述细长结构具有沿纵向方向的长度，并且包括多个堆叠的增强纤维层。所述多个纤维层包括具有基本上在纵向方向上、单向对齐的取向的纤维。所述方法包括扫描细长结构的表面以识别一个或多个表面不规则，选择一个或多个包括所述一个或多个表面不规则的关注区域，使用穿透辐射来检查所述关注区域，并基于所述检查步骤来确定纤维错位的位置和/或尺寸。

Description

用于检测细长结构中的纤维错位的双扫描方法
技术领域
本公开涉及复合结构的领域，并更具体地涉及细长结构中的纤维错位。本公开涉及用于检测细长结构中的纤维错位的方法、涉及制造细长结构的方法，并涉及可通过所述方法获得的细长复合结构。
背景技术
可以使用纤维增强材料来制造细长结构，诸如风力涡轮机叶片、飞机机翼和船体。纤维增强材料通常被堆叠形成多个堆叠的层，同时将纤维的取向与细长结构的纵向方向对齐，以便在纵向方向上提供刚度。堆叠的纤维层的对齐对于细长结构的可靠性和强度是至关重要的。任何纤维错位能够导致风力涡轮机叶片的故障或断裂。因此，识别或定位纤维错位或褶皱（例如平面内或平面外错位）对于纠正纤维错位，并因此确保风力涡轮机叶片的可靠性是必不可少的。已知如果细长结构中存在纤维错位缺陷，并且能够量化该缺陷及其位置，则允许从事适当的修理工作（诸如将纤维错位磨掉并更换磨过的部件），并因此消除过度的修理工作。此外，纤维错位检测提供了制造的风力涡轮机叶片的更高的可靠性，同时还提供了增强的安全性。
如今，通过用闪光灯在细长结构的表面上进行视觉检查来检测纤维错位，并且当观察到错位时使用非常简单的工具（诸如皱纹梳和直尺）来进行量化。这种视觉检查是不充分的，因为它只允许检测存在于细长结构的表面上的纤维错位。此外，相对于在视觉检查过程中可能遗漏的小的表面起伏，这种视觉检查可能耗时并且效率低下。不是仅在表面上的纤维错位，诸如更深的纤维错位或隐藏的纤维错位同样地不利于细长结构的可靠性。
超声波检测方法并没有被充分证明作为一种识别和量化皱纹的方法是有用的。超声波检测方法要求添加特定材料（其可能污染叶片的表面）用于错位的检测，以便在传感器与在测试下的物体之间提供接触表面。进一步地，传感器在不能对皱纹进行适当的检测或量化的波长下操作。
因此，存在需要用于检测不在细长结构的表面上的纤维错位的解决方案，其不要求附加的材料，并且/或者使得能够进一步量化。在这方面，待决的国际专利申请号PCT/EP2016/081741涉及一种方法，其包括通过以与纤维的取向相比的角度发射x射线束来扫描细长结构，检测散射射线，并确定所检测到的散射射线的强度。虽然发现这种方法足以识别更深的纤维错位或隐藏的纤维错位，但是将其应用于整个风力涡轮机叶片结构可能是耗时且昂贵的。
US 2012/0033207 A1涉及一种用于检查风力涡轮机叶片的系统，其包括用于拍摄风力涡轮机叶片的壳体内部的图像的扫描机、用于对风力涡轮机叶片的壳体之内成像的缺陷进行很多测量的测量设备、以及用于确定风力涡轮机叶片的理论强度的查阅表。
US 2010/0329415 A1公开了一种检查风力涡轮机叶片的质量的方法，其中，通过使用辐射的计算机断层扫描方法来检查叶片。发射器通过叶片发送出辐射，并且接收器接收在穿过叶片之后的所发送出的辐射。发射器、接收器和/或叶片的位置相对于彼此改变，以便执行叶片的检查。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种用于检测纤维错位的方法，其克服或改进了现有技术中的至少一个缺点，或其提供了有用的替代。
特别地，本发明的一个目的是提供这样的方法，其比已知方法更省时、更具成本效益和/或更有针对性。
因此，本发明涉及一种用于检测细长结构（诸如风力涡轮机叶片构件）中的纤维错位的方法，所述细长结构具有沿纵向方向的长度，并且包括多个堆叠的增强纤维层，其中，所述多个纤维层包括具有在纵向方向上基本上单向对齐的取向的纤维，其中，所述方法包括以下步骤：
a） 扫描细长结构的表面，以识别一个或多个表面不规则，
b） 选择一个或多个包括所述一个或多个表面不规则的关注区域，
c） 使用穿透辐射来检查所述关注区域，以及
d） 基于所述检查步骤来确定纤维错位的位置和/或尺寸。
发现了上述方法提供了一种有针对性且有效的方法来检测纤维错位，特别是风力涡轮机叶片或其构件中的纤维错位。不是在整个结构上执行全面的穿透扫描，初始表面扫描步骤使得能够实现识别一个或多个关注区域的快速且成本有效的方式，所述一个或多个关注区域具有增加的纤维错位的可能性，特别是具有它们的更深入在表面下的结构中的根源的纤维错位。
使用穿透辐射的随后检查步骤具有进一步的优点，其是在不必破坏细长结构的情况下能够检测表面以下的纤维错位。这导致就修复时间和成本而言的节省。本公开允许在细长结构的深度中检测和定位纤维错位，并因此使得可能的修复工作容易进行。一旦纤维错位被定位，就能够修复纤维错位，其导致细长结构中的这种缺陷明显减少。当细长结构是风力涡轮机叶片时，这降低了故障的可能性，并因此显著提高了风力涡轮机叶片的可靠性。
优选地，细长结构是风力涡轮机叶片或其构件。表面扫描步骤a）可以通过用于识别表面不规则的任何适当的技术来进行。优选地，步骤a）包括光学扫描表面，优选地用于创建表面的三维（3D）图像。因此，步骤a）可以涉及三维（3D）光学测量，可选地包括使用拓扑测量方法。优选地，所述光学扫描表面是使用激光来进行的。所述3D光学测量可以涉及使用可见光，诸如蓝光（450-500 nm的波长，诸如460-490 nm）或激光。有利地，步骤a）使用一个或多个照相机（诸如两个照相机）来进行。在优选实施例中，步骤a）使用非穿透辐射（诸如可见辐射，诸如可见光）来进行。优选地，步骤a）使用非穿透辐射来进行。
优选地，步骤a）包括记录细长结构的表面的图像。特别优选地，步骤a）使用3D成像，优选地，其中，光束被导向细长结构的表面。在有利的实施例中，步骤a）包括图像处理方法，其包括获得表面的3D图像数据，并处理所述数据以创建所述表面的3D图像。优选地，所述3D图像是计算机生成的。
步骤a）典型地使用装置来进行。在一个实施例中，步骤a）使用用于物体的三维光学测量的测量装置（优选地包括拓扑传感器）来进行。所述装置可以包括用于将图案投影到表面上的投影单元以及用于记录从物体散射回的图案的图像记录单元。投影单元可以包括用于电磁辐射（诸如可见光或激光辐射）的源。步骤a）的表面扫描可以涉及例如使用光学三角测量传感器对细长结构的表面的三维光学捕获。可以使用电磁辐射（诸如可见光或激光辐射）将一个或多个图案投射到表面上。然后，散射回的图案可以被一个或多个图像记录单元捕获，随后是数据处理和/或估计步骤。
在步骤a）中扫描的细长结构的所述表面可以是压力侧壳体半部分的表面或吸力侧壳体半部分的表面或其各自的部件。在其他实施例中，所述表面可以是半成品压力侧壳体半部分或半成品吸力侧壳体半部分（例如在树脂注入纤维层之前或在树脂注入之后但在固化之前）的表面。步骤a）可以是自动步骤。
在优选实施例中，步骤a）涉及扫描细长结构的表面，用于识别超过预定阈值的一个或多个表面不规则，所述预定阈值优选地是表面高度偏差或取向偏差。这个预定阈值可以是扫描表面或其部分之内的给定点或区域的高度相对于该给定点或区域的周围点或周围区域的高度的预定偏差。例如，表面不规则可以被识别为比该表面的周围点或周围区域高至少1 mm、至少2 mm或至少3 mm的点或区域。在一些实施例中，表面不规则可以被识别为比该表面的周围点或周围区域高0.5至10 mm，诸如高1至10 mm、或高2-10 mm的点或区域。在其他实施例中，预定阈值可以采取与预定表面几何形状的偏差的形式。这种预定表面几何形状可以是计算机生成的模型和/或可以基于类似表面的先前表面扫描，诸如风力涡轮机叶片的先前表面扫描。
在一些实施例中，表面不规则可以被识别为通过具有至少0.3度、至少0.5度或至少1度的角度（诸如0.3度与30度之间的角度，诸如0.5度与30度之间的角度，诸如1度与30度之间的角度）的坡度或陡度从预期的表面几何形状偏离的表面几何形状。例如，如果预期的表面几何形状是基本上平的，则所述角度由所述表面不规则与预期的基本上平的平面形成。
选择一个或多个包括所述一个或多个表面不规则的关注区域的步骤b）可以涉及基于超过预定阈值（优选地，表面高度偏差的阈值）的一个或多个表面不规则来选择所述区域。关注区域可以包括所述表面不规则以及与其相邻或周围的表面。例如，关注区域可以是包括表面不规则和相邻的表面区域（诸如从所述表面不规则延伸进所有方向至少5cm、10cm、20cm或50cm的相邻的表面区域）的表面区域。步骤b）可以是自动步骤。
典型地，所述一个或多个关注区域仅包括步骤a）中扫描的细长结构的表面的一部分。在一些实施例中，关注区域包括步骤a）中扫描的细长结构的表面的90%或更少，诸如75%或更少、50%或更少、或25%或更少。
步骤c）的目的是识别细长结构之内已潜在地导致所检测到的表面不规则的任何下层纤维错位。步骤c）可以涉及所述关注区域的X射线扫描。例如，步骤c）可以包括通过以与纤维的取向相比的一个或多个角度发射x射线束来沿长度的至少一部分扫描细长结构的关注区域。步骤c）可以进一步包括检测散射射线，以及确定所检测到的散射射线的强度。在其他实施例中，步骤c）涉及关注区域的全部或部分的层析成像，例如使用X射线辐射。步骤c）可以是自动步骤。
基于所述检查步骤来确定纤维错位的位置和/或尺寸的步骤d）可以涉及确定纤维错位的深度位置和/或错位的类型。在其他实施例中，步骤d）可以涉及确定纤维层或层片(ply)位置和/或数量或倒角部件的质量。步骤d）可以是自动步骤。
在另一个方面中，本发明涉及一种通过使用具有沿纵向方向的长度的模具来制造纤维复合材料的细长复合结构的方法，所述纤维复合材料包括嵌入在聚合物基体中的增强纤维，其中，所述方法包括以下步骤
i） 将多个纤维层堆叠在模具中，其中，多个纤维层包括具有在纵向方向上基本上单向对齐的取向的纤维
ii） 向纤维层供应液体树脂，以及
iii）使树脂固化以便提供细长复合结构，
其特征在于，所述方法包括通过使用上述步骤中的任何步骤来检测（平面外）纤维错位的步骤。
在另一个方面中，本发明涉及一种可通过所述方法获得的细长复合结构。优选地，细长复合结构是风力涡轮机叶片或其构件。
清楚的是，本发明的上述方面可以以任何方式组合，并且通过检测细长结构中的纤维错位的共同方面来联系。
注意到的是，关于检测纤维错位的方法所阐述的优点还适用于制造细长复合结构的方法。
附图说明
在以下中将关于附图更详细地描述本发明的实施例。这些图示出了实现本发明的一种方式，并且不应被解释为限制落在所附权利要求书之内的其他的可能实施例。
图1是阐释根据本发明的一些方面的示例性风力涡轮机叶片的示意图，
图2是阐释根据本发明的一些方面的风力涡轮机叶片的示例性横截面的示意图，
图3-4是阐释在根据本发明的一些方面的示例性细长结构中的示例性纤维错位的不同视图的示意图，
图5是阐释用于检测在根据本发明的一些方面的细长结构中的纤维错位的示例性方法的流程图，
图6是阐释用于制造根据本发明的一些方面的细长复合结构的示例性方法的流程图，
图7是用3D光学扫描系统所扫描的细长复合结构的表面的灰度图像，以及
图8是阐释通过分层结构来估计被测表面不规则的传播的方法的流程图。
具体实施方式
如在背景中所述，需要一种用于检测纤维错位的方法，诸如以有效且无损的方式识别隐藏的（表面下）纤维错位。本发明涉及一种用于检测细长结构（诸如风力涡轮机叶片构件、飞机机翼或船体）中的纤维错位的方法。本发明特别适用于大型的细长结构，在这种大型的细长结构中，由于破坏性检查所产生的成本，无损检查被高度重视。因此，本发明优选地涉及具有至少30米、40米、45米或50米总长度和/或1-80 mm的厚度的风力涡轮机叶片以及中间细长结构。因此，本发明优选地涉及风力涡轮机叶片，其包括具有不同密度的材料，使得x射线辐射可以揭示错位。
在本文中，纤维错位是指在两个或多个纤维层之间的错位，其可以表示距纤维平面的偏离，诸如平面外错位，或者以横向方式在纤维平面之内的偏离，诸如平面内错位。在理论上，平面内错位正好与平面外错位一样严重，但是可能性小得多。平面内错位主要通过构成纤维层的材料层的构造来减小和补救。但是，平面内错位不像平面外错位那样影响多个层片。纤维错位的示例是折叠、起伏、褶皱或皱褶。
在优选实施例中，上述用于检测细长结构中的纤维错位的方法进一步包括以下步骤：
a') 使用具有单一入射角度的入射X射线束沿长度的至少一部分扫描细长结构，以识别一个或多个结构不规则，
b') 选择一个或多个包括所述一个或多个结构不规则的关注区域，
其中，步骤a')和b')是在步骤c）和d）之前进行。
发现了步骤a')和b'）的这种附加筛查能够通过识别结构不规则来实现对潜在的有问题的关注区域的快速且有效的识别，这些结构不规则可能存在于表面以下少量毫米，诸如表面以下1-20 mm、1-10 mm或1-5 mm。步骤a'）和b'）可以在步骤a）和b）之前、之后或同时进行。在步骤b）中选择的关注区域可以与在步骤b'）中选择的关注区域相同或不同。结构不规则可以包括纤维错位。
以不同的措辞，在优选实施例中，上述用于检测细长结构中的纤维错位的方法进一步包括以下步骤：a'）通过以与纤维的取向相比的单一角度发射x射线束来扫描关注区域，检测散射射线，并且确定所检测到的散射射线的强度，以基于所确定的强度来识别一个或多个结构不规则，以及b'）选择包括所述一个或多个结构不规则的一个或多个关注区域，其中，步骤a'）和b'）是在步骤c）和d）之前进行。
表面不规则可以涉及相对于相邻或周围表面升高或降低的任何表面结构，诸如一个或多个起伏、波浪状弯屈、驼峰、弯曲、凹痕、凹陷和/或高程。表面不规则可以延伸到细长结构的弯曲或平的表面中或以下。此外，表面不规则可以延伸到弯曲或平的表面以上。
在优选实施例中，步骤a）涉及确定在表面高程方面的空间变化，并将所述空间变化与在表面高程方面的空间变化的预定阈值进行比较，以识别超过所述阈值的一个或多个表面不规则。可以将表面高程或表面高度设想为在z方向上的给定点的位置。这个尺寸将典型地横跨表面进行变化，即，当在x和y方向上扫描表面时，因此导致在表面高程方面的空间变化。如果这个空间变化超过预定阈值，例如，如果当移动到x方向中时表面高程变化大于/快于在该方向上允许的预定阈值，则可以识别表面不规则。对于所有的位置和扫描方向，预定阈值可以是相同的，或者它可以根据扫描位置和/或扫描方向进行变化。在一些实施例中，所述（多个）预定阈值可以来自计算机生成的模型和/或可以基于类似表面的先前表面扫描，诸如风力涡轮机叶片的先前表面扫描。
细长结构具有沿纵向方向的长度，并且包括多个堆叠的增强纤维层。多个堆叠的增强纤维层包括具有单向对齐并且基本上在纵向方向上取向的纤维。纵向方向可以被限定为沿细长结构的长度的方向，诸如从细长结构的根端朝向结构的尖端，例如朝向风力涡轮机叶片的尖端。多个纤维层（主要）在基本上平行于纵向方向的一个方向上对齐。因此，纤维层在纵向方向上是基本上单向的。增强纤维层可以基本上由碳纤维和/或玻璃纤维组成。根据有利的实施例，增强纤维层包括至少25%、或至少30%、或至少35%、或至少40%、或至少50%、或至少60%、或至少70%、或至少80%、或至少90%的碳纤维。增强纤维层可以甚至完全由碳纤维构成。
在一个实施例中，步骤a）涉及3D扫描系统的使用，优选地3D激光扫描系统，诸如手持3D激光扫描仪。
在优选实施例中，步骤c）的穿透辐射是X射线辐射。穿透辐射还可以是中子束、伽马射线、声波（诸如超声波）或无线电波。在一个实施例中，步骤c）涉及光学相干层析（OCT）扫描或x射线扫描。
在一个实施例中，步骤c）涉及数字层析合成。在另一个实施例中，步骤c）涉及创建层析合成x射线图像。因此，步骤c）可以有利地用使用层析成像技术的X射线检查系统来进行。在一个实施例中，步骤a）涉及基本上沿其整个长度扫描细长结构的表面。
根据优选实施例，细长结构是风力涡轮机叶片，其中，所述方法进一步包括步骤e）对纤维错位的位置和/或尺寸对叶片性能的影响进行数值模拟。
在一个实施例中，步骤c）涉及通过以与纤维的取向相比的一个或多个角度发射x射线束来扫描关注区域，检测散射射线，并确定所检测到的散射射线的强度，其中，步骤d）涉及基于所确定的强度来确定纤维错位的位置和/或尺寸。这可以通过例如沿长度的至少一部分移动纤维错位检测设备（例如在纵向或在横向方向上的平动移动中），同时以与纤维的取向相比的一个或多个角度发射x射线束来实现。优选地，在步骤c）中，通过以与纤维的取向相比各种不同的角度发射x射线束来扫描关注区域。
在一个实施例中，步骤c）包括通过以与纤维的取向相比的角度发射x射线束来扫描关注区域，诸如以与纤维的取向相比的预定角度朝向细长结构发射x射线束。检测器装置被有利地设置以检测背散射或反射的x射线。所述角度例如相对于指示纤维的取向的平面形成，诸如基本上平行于纵向方向的纵向平面。纤维的取向可以平行于细长结构的表面；因此，x射线束可以以相对于该表面所形成的角度朝向该表面传输或导向。当表面是弯曲的时，x射线束可以以相对于与该表面相切的平面所形成的角度朝向该表面导向。取决于x射线朝向细长结构发射的角度和方向，可以检测平面外和/或平面内纤维错位。例如，为了检测平面内纤维错位，以与基本上垂直于纤维取向的平面相比的角度进行扫描。
在优选实施例中，所述角度是相对于纤维层的平面在大约0.5度与大约45度之间的角度，诸如相对于纤维层的平面在大约0.5度与大约20度之间，诸如在大约0.5度与大约15度之间。应注意的是，纤维层的平面可以沿结构弯曲，例如如果结构是用于弯曲或预弯曲的风力涡轮机叶片的壳体部件。
换句话说，作为步骤c）的一部分，发射x射线束涉及用x射线束来辐射细长结构的关注区域或将所述区域暴露于x射线辐射。x射线束可以由x射线发射源（例如x射线管或x射线发生器）产生，x射线发射源配置为以范围从0.01至10纳米的波长、或范围从30petaHertz至30 exaHertz的频率、或以100 eV至300 keV范围内的能量级发射x射线束。根据一个或多个有利的实施例，x射线束以5 keV-300 keV范围内的能量级进行发射。x射线发射源可以以100-300 kV和25-100 µA进行操作。
步骤c）还可以包括检测散射射线，诸如通过细长结构散射并由细长结构反射的射线。例如，x射线发射源将x射线束射向细长结构。x射线束被散射：一些x射线束穿过细长结构；一些被反射，而一些被吸收。然后扫描（和辐射）的结果图案可以最终由检测介质（诸如x射线检测器模块或背散射检测模块）进行检测。换句话说，检测散射射线可以包括检测散射射线和/或穿过的射线。扫描的结果图案取决于细长结构的材料特性，诸如密度。例如，当细长结构包括树脂和由碳纤维和玻璃纤维制成的多个堆叠的增强纤维层时，通过树脂（例如聚酯基体或乙烯基酯基体）和碳纤维的x射线散射（例如反射、穿过、吸收），与通过玻璃纤维的x射线散射由于在电子密度方面上的差异而不同，并且因此检测散射射线提供了在碳纤维与玻璃纤维之间的区分，因为玻璃具有与碳不同的密度。由此，根据本公开可检测玻璃纤维的错位，并因此揭示堆叠的增强纤维层之内的任何纤维的纤维错位。
步骤c）还可以包括确定所检测到的散射射线的强度。不同表述是，所述方法包括测量检测到的散射射线的强度，诸如反射射线的大小或水平。
步骤d）可以包括基于所确定的强度来确定纤维错位的尺寸。换句话说，所述方法可以包括确定要修复的纤维错位是否存在于细长结构中，例如不可忽略的纤维错位存在于细长结构中。在一些实施例中，基于所确定的强度来确定纤维错位的尺寸的步骤包括确定平面外纤维错位的尺寸。在本文中，纤维错位的尺寸是指量化错位的度量特征，诸如错位的高度、错位相对于对齐的纤维的偏离角度和/或错位在细长结构的厚度中的位置。
在一个实施例中，基于所确定的强度来确定纤维错位的尺寸的步骤包括确定所确定的强度是否在强度阈值以上，并且当确定了所确定的强度在强度阈值以上时，则检测用于修复的纤维错位。当未确定所确定的强度在强度阈值以上时，纤维错位被认为是可忽略的或不存在的。例如，当就光子数而言所确定的强度或强度差在示出不可忽略的偏离的阈值以上时，检测纤维错位并定位以进行修复。根据本公开的一些方面，所述方法进一步包括将纤维错位定位在细长结构之内，以便使得能够修复。定位纤维错位包括例如确定纤维错位位于距表面的深度（例如mm或层数/层片数），和/或定位纤维错位在细长结构的长度中的位置，诸如距细长结构的两个边缘的距离。x射线辐射取决于x射线检测器模块涉及的数量、曝光时间（即，在辐射给定表面上所花费的时间）和辐射的能量水平。因此，可以设想，首先在较短的时间周期内（例如对于整个细长结构为1 h）用低阳极电压（例如150 kV阳极电压）辐射或扫描细长结构，以揭示某个尺寸（例如3度）的错位，然后在较长时间周期内（例如对于整个细长结构超过1 h）用更高的能量谱（例如225 kV阳极电压）辐射或扫描，以进一步表征相同错位的深度和尺寸。较高的能量水平可以不超过不符合安全规定的某一水平以上。
在一些实施例中，可以与步骤a）的表面扫描并行地执行在较短时间周期内（例如对于整个细长结构为0.1-1小时）以低的能量水平（例如10-150 keV）对细长结构进行所述X射线扫描。
根据一些实施例，基于所确定的强度来确定纤维错位的尺寸的步骤包括确定所确定的强度是否基本上与对应于一类纤维错位的预定强度水平匹配，并且当确定了所确定的强度与预定强度水平基本上匹配时，则将纤维错位分类为对应的类型。一类纤维错位例如由其尺寸来表征，所述尺寸可使用表征能量水平（或能量范围）和曝光时间（或曝光时间范围）来检测。当未确定所确定的强度基本上与对应于一类纤维错位的预定强度水平匹配时，纤维错位不被分类并且可能是可忽略的。预定强度水平包括表征了就角度、深度、几何形状或层片数而言的纤维错位的标志。
根据另一个实施例，步骤c）进一步涉及通过以附加角度发射附加x射线束来扫描关注区域。例如，附加x射线束可以在第一x射线束的相反的方向上被导向（例如以180-α的附加角度，α为第一角度）。这具有的优点是所述检测方法可以同时检测正角度和负角度平面外错位或起伏。当然，还可能在两个步骤中进行扫描，通过首先用以第一角度取向的x射线束进行扫描，并且然后用以第二角度（例如第一角度的相反的角度）取向的x射线束进行第二次扫描。附加地或替代地，所述方法进一步包括通过以多个角度发射第二信号信号/射线来沿着其长度的至少一部分扫描细长结构，以便获得纤维错位的3D表示。
在一个实施例中，步骤c）涉及沿关注区域移动纤维错位检测设备，所述纤维错位检测设备包括x射线束发射模块和x射线检测器模块。
在一个实施例中，所述角度是相对于纤维层的平面在大约0.5度与大约15度之间的角度。
在一个实施例中，以所述角度发射x射线束包括通过准直器发射x射线束和/或以低功率（诸如60 kW或更低）发射x射线束。例如，通过准直器发射x射线束涉及沿由准直器所限定的区域、线和/或平面发射x射线束，以便使光束变窄，即，使光束的方向越来越朝向同一方向对齐。由此，纤维层沿明确限定的线和平面被辐射，由此可以确定可能的纤维错位的位置。例如，可以经由具有针孔的检测器装置来检测散射信号，由此从明确限定的位置散射的x射线将被发射到特定的检测器。
以较低的功率发射x射线束包括以等于或小于60 kW的功率（诸如小于40 kW，诸如小于10 kW，诸如5kW）发射x射线束。这允许将x射线辐射限制到局部区域，并因此使得在本文中公开的解决方案适用于适当的屏蔽或保护，以减少被在附近的机体组织吸收。
在一个实施例中，步骤a）是在将树脂注入到形成细长结构的纤维材料上的注入阶段之前和/或之后，在固化阶段之前和/或之后进行。此外，步骤c）可以在注入阶段之前和/或之后，在固化阶段之前和/或之后进行。注入阶段对应于将树脂注入到形成细长结构的纤维层上的阶段。固化阶段对应于在注入之后的阶段，其中所注入的纤维层变硬。
在一个实施例中，多个堆叠的增强纤维层包括碳纤维层、或碳纤维层和玻璃纤维层。当多个堆叠的增强纤维层包括碳纤维层和玻璃纤维层时，确定纤维错位的尺寸包括确定玻璃纤维错位的尺寸。由于不容易通过x射线辐射将碳纤维层与注入之后的树脂区分，并且碳纤维层与玻璃纤维层对齐，因此玻璃纤维是能够帮助估计任何种类的纤维错位的尺寸的介质中的一个。
在一个实施例中，多个堆叠的增强纤维层包括具有示踪剂的碳纤维层。例如，在由碳和树脂制成的细长结构的部件中，x射线扫描不允许识别错位。但是，多个堆叠的增强纤维层中所包含的示踪剂使得能够检测和估计错位。示踪剂可以由具有与碳或树脂的密度基本上不同的密度的任何材料制成。例如，示踪剂可以包括玻璃。示踪剂可以具有与碳纤维的直径匹配的直径。
在本公开的一个或多个实施例中，多个堆叠的增强纤维层包括一至80层，诸如多达60层，诸如多达30层。多个堆叠的增强纤维层可以具有1至80 mm，诸如1至60 mm，诸如1至30 mm的总厚度。
根据一个实施例，细长结构是风力涡轮机叶片构件，其中，风力涡轮机叶片构件是载荷承载结构，诸如风力涡轮机叶片的主叠层或梁帽。
在本公开的一个或多个实施例中，所述方法包括存储相对于（扫描的纤维层或x射线系统的）位置的细长结构的扫描，以便提供细长结构的整体图片和纤维错位的可能位置。
在另一方面中，本发明涉及一种通过使用具有沿纵向方向的长度的模具来制造纤维复合材料的细长复合结构的方法，所述纤维复合材料包括嵌入在聚合物基体中的增强纤维，其中，所述方法包括以下步骤
i） 将多个纤维层堆叠在模具中，其中，多个纤维层包括具有在纵向方向上基本上单向对齐的取向的纤维
ii） 向纤维层供应液体树脂，以及
iii）使树脂固化以便提供细长复合结构，其特征在于，所述方法包括通过使用上述步骤中的任何步骤来检测（平面外）纤维错位的步骤。
步骤c）可以使用纤维错位检测设备来进行。纤维错位检测设备包括x射线束发射模块，其配置为通过以与纵向方向相比的角度发射x射线束来沿长度的至少一部分扫描细长结构。x射线束发射模块例如是x射线发生器模块，其能够例如通过使用准直器或狭缝，以给定的角度通过细长结构来传输x射线束或信号。例如，x射线束发射模块配置为接收或导出用于传输x射线束的角度，并且根据所接收或导出的角度来调整x射线束的发射，诸如相应地调整x射线发射模块的准直器或x射线发射模块的狭缝。准直器支持瞄准焦点，使得x射线检测器模块能够检测或接收散射射线。
纤维错位检测设备包括x射线检测器模块，其配置为检测散射射线。
纤维错位检测设备包括处理模块，其配置为：确定所检测到的散射射线的强度；并且基于所确定的强度来估计纤维错位的尺寸。处理模块包括例如强度确定模块和估计器模块，所述强度确定模块配置为确定所检测到的散射射线的强度，所述估计器模块配置为基于所确定的强度来估计纤维错位的尺寸。
在纤维错位检测设备的一个或多个实施例中，x射线束发射模块包括准直器，并且x射线束发射模块配置为通过准直器以与纵向方向相比的角度发射x射线束，沿长度的至少一部分扫描细长结构。
纤维错位检测设备配置为在纵向方向上沿细长的长度的至少一部分移动，同时通过准直器以与纵向方向相比的角度发射x射线束。
在另一个方面中，本发明涉及一种对表面不规则通过风力涡轮机叶片构件的多个堆叠的纤维层的传播进行估计的方法，所述方法包括，
a） 优选地通过使用用于物体的三维光学测量的测量装置，扫描风力涡轮机叶片构件的最外纤维层的表面，以识别一个或多个表面不规则，
b） 建立包含一个或多个表面不规则的最外纤维层的轮廓，
c） 计算从上面作用在最外纤维层上的内力和外力，
d） 计算为了力平衡所需的从下面作用在最外纤维层上的外力，
e） 基于在步骤d）中所计算的外力来计算位于最外纤维层下面的下一个纤维层的轮廓，
f） 通过连续地对每个各自的纤维层重复步骤c）至e）来连续地计算用于风力涡轮机叶片构件的每个各自的纤维层的轮廓。
因此，对于下一个纤维层（即，从堆叠的顶部看到的第二纤维层），计算从上面作用的内力和外力，随后计算为了力平衡所需的从下面作用在第二纤维层上的外力，并且基于所计算的从下面作用在第二纤维层上的外力，计算位于第二纤维层下面的下一个纤维层（即，第三纤维层）的轮廓。
因此，基于所计算的纤维层的位置和结构构件的预期荷载条件，能够计算出分层构件之内的预期荷载分布。基于此，可以计算构件的对于各种宏观质量参数（诸如刚度和疲劳抗力）的期望值。
典型地，上述方法包括限定一组边界条件，诸如在树脂注入过程中的真空水平、下层成型表面的形状和/或材料特性（诸如材料弯屈和压缩刚度）。在一些实施例中，所述方法包括限定表面不规则源于在纤维堆叠的最下层中的褶皱或缺陷的边界条件。
优选地，各自的纤维层的轮廓是三维轮廓。步骤b）的轮廓能够在步骤a）中所执行的表面扫描的基础上建立。优选地，纤维层包括具有在纵向方向上基本上单向对齐的取向的纤维。
所述方法可以进一步与选择一个或多个包括所述一个或多个表面不规则的关注区域、使用穿透辐射来检查所述关注区域并基于所述检查步骤来确定纤维错位的位置和/或尺寸的附加步骤结合。
在另一个方面中，本发明涉及一种用于检测细长结构（诸如风力涡轮机叶片构件）中的纤维错位的方法，所述细长结构具有沿纵向方向的长度并且包括多个堆叠的增强纤维层，其中，所述多个纤维层包括具有在纵向方向上基本上单向对齐的取向的纤维，其中，所述方法包括以下步骤：
a） 使用用于物体的三维光学测量的测量装置扫描细长结构的表面，以识别一个或多个表面不规则，以及
b） 基于步骤a）的表面扫描与一个或多个预限定的边界条件（其与纤维层的一个或多个特征相关）的结合，计算表面不规则通过风力涡轮机叶片构件的多个堆叠的增强纤维层的传播。
图1示出了风力涡轮机叶片10的示意视图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，并且包括：最靠近风力涡轮机的毂部的根部区域30、最远离毂部的成型或翼型区域34、以及在根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前边缘18和面向前边缘18的相反方向的后边缘，当叶片被安装在毂部上时，前边缘18面向叶片10的旋转方向后边缘。风力涡轮机叶片10具有沿叶片纵向方向的长度，由阐释了距离r的箭头表示。
翼型区域34（还称为成型区域）具有关于产生升力的理想的或近乎理想的叶片形状，而根部区域30由于结构考虑而具有基本上圆形或椭圆形的横截面，其例如使之更容易且更安全地将叶片10安装到毂部上。根部区域30的直径（或弦）可以沿整个根部区域30是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状向翼型区域34的翼型轮廓逐渐变化的过渡轮廓。过渡区域32的弦长度典型地随着距毂部的距离r的增加而增加。翼型区域34具有翼型轮廓，所述翼型轮廓具有在叶片10的前边缘18与后边缘之间延伸的弦。翼型区域34的弦的宽度随着距毂部的距离r的增加而减小。
叶片10的肩部40被限定为叶片10具有其最大弦长度的位置。肩部40被典型地设置在过渡区域32与翼型区域34之间的边界处。
应注意到，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可能扭转和/或弯曲（即，预弯），从而提供具有相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这是最常见的情况，以便补偿取决于距毂部的半径的叶片的局部速度。
叶片典型地由压力侧壳体部件36和吸力侧壳体部件38制成，压力侧壳体部件36和吸力侧壳体部件38沿叶片的前边缘18和后边缘处的结合线彼此粘合。
图2示出了沿图1中所示的线I-I的叶片的横截面的示意视图。如前所提及，叶片10包括压力侧壳体部件36和吸力侧壳体部件38。压力侧壳体部件36包括梁帽41（还称为主叠层），其构成压力侧壳体部件36的载荷承受部件。梁帽或主叠层是细长结构，诸如可以形成风力涡轮机叶片的载荷承载结构的细长复合结构。梁帽41包括多个堆叠的增强纤维层42，其主要包括沿叶片的纵向方向对齐的单向纤维，以便为叶片提供刚度。吸力侧壳体部件38还包括梁帽45（或对应于细长结构的主叠层），其包括多个堆叠的增强纤维层46。压力侧壳体部件38还可以包括夹芯材料43，其典型地由轻木或泡沫聚合物制成，并且夹在许多纤维增强皮肤层之间。夹芯材料43用来对壳体提供刚度，以便确保壳体在叶片的旋转过程中基本上保持其空气动力学轮廓。类似地，吸力侧壳体部件38还可以包括夹芯材料47。
压力侧壳体部件36的梁帽41和吸力侧壳体部件38的梁帽45通过第一抗剪腹板50和第二抗剪腹板55进行连接。抗剪腹板50、55在所示实施例中被成形为基本上I形腹板。第一抗剪腹板50包括抗剪腹板本体和两个腹板脚部凸缘。抗剪腹板本体包括由许多皮肤层52覆盖的夹芯材料51（如轻木或泡沫聚合物），皮肤层52由许多纤维层制成。第二抗剪腹板55具有类似的设计，具有抗剪腹板本体和两个腹板脚部凸缘，抗剪腹板本体包括由许多皮肤层57覆盖的夹芯材料56，皮肤层57由许多纤维层制成。两个抗剪腹板50、55的夹芯材料51、56可以在凸缘附近倒角，以便将载荷从腹板50、55转移到主叠层41、45，而没有在抗剪腹板本体与腹板脚部凸缘之间的接头中的故障和断裂的风险。但是，这种设计将通常导致在腿部与凸缘之间的接头区域中的富树脂区域。进一步地，由于在树脂的固化过程中的高放热峰值，这种富树脂区域可以包括燃烧树脂，其进而可以导致机械弱点。
为了对此进行补偿，许多包括玻璃纤维的填充绳60通常布置在这些接头区域处。进一步地，这种绳60也将有助于将载荷从抗剪腹板本体的皮肤层转移到凸缘。但是，替代的结构设计是有可能的。
叶片壳体36、38可以包括在前边缘和后边缘处的进一步的纤维增强件。典型地，壳体部件36、38通过可以将附加的填充绳用在其中的粘合凸缘（未示出）来彼此粘结。附加地，非常长的叶片可以包括具有附加的梁帽的区段部件，这些附加的梁帽通过一个或多个附加的抗剪腹板进行连接。
图3-4是阐释在根据本发明的一些方面的示例性细长结构300中的示例性纤维错位302的不同视图的示意图。图3示出了细长结构300的透视图，其允许可视化细长结构300的层结构，包括纤维错位的发生。示例性细长结构300包括表面301和多个堆叠的增强纤维层304。多个堆叠的增强纤维层304是单向的，并且基本上在由箭头306所表示的纵向方向上取向。图3阐释了示例性平面外纤维错位302，其中纤维错位使纤维层与纤维平面（限定为由大多数相同纤维层形成的平面）偏离，并使相邻的纤维层变形，导致了细长结构的缺陷。
图4示出了示例性细长结构300中的示例性纤维错位302的横截面视图。细长结构300具有在图4中表示为h的厚度，其范围例如从1 mm至80 mm或在中间的任何子范围。多个堆叠的增强纤维层304在关注点处部分地或全部形成细长结构的厚度。多个堆叠的增强纤维层304是单向的，并且基本上在由箭头306表示的纵向方向上取向。纤维错位302导致偏离角度α和在相邻的纤维层上发生的变形。有利的是，就距扫描表面的距离，或距扫描表面的许多层或层而言，大约定位纤维错位302的由d表示的深度以便相应地准备修复。在本文中公开的x射线扫描允许检测纤维错位302，以及量化能够就深度d、角度α和/或位置（例如相对于参考点的沿长度方向的位置或坐标）而言估计的纤维错位302的尺寸。可选地，在本文中公开的使用x射线扫描的方法提供了纤维错位302的特征，其能够就纤维错位30的几何形状和/或由纤维错位302吸收和/或反射回的能量而言来估计。例如，将细长结构以不同的角度暴露于x射线中，允许识别在x射线束发射的角度（即，发射角度）与偏离的角度α之间的匹配，即，当发射角度与偏离角度α平行时，信号强度显著变化。
图5是阐释用于检测在根据本发明的一些方面的细长结构中的纤维错位的示例性方法500的流程图。方法500的目的在于检测细长结构（诸如风力涡轮机叶片构件、飞机机翼或船体）中的纤维错位。方法500处理包括平面外纤维错位和平面内纤维错位的纤维错位。细长结构具有沿纵向方向的长度，并且包括多个堆叠的增强纤维层。多个堆叠的增强纤维层包括具有单向对齐并且基本上在纵向方向上取向的纤维。
方法500包括扫描S1细长结构的表面，以识别超过预定阈值的一个或多个表面不规则。优选地，这个步骤涉及光学扫描表面以创建表面的三维（3D）图像。方法500进一步包括选择S2一个或多个包括所述一个或多个表面不规则的关注区域。在随后的步骤S3中，使用穿透辐射（诸如X射线辐射）来检查所述关注区域。步骤S3可以涉及光学相干层析（OCT）扫描或x射线扫描。步骤S3还可以涉及关注区域的数字层析合成。
方法500进一步包括基于所述检查步骤S3，确定S4纤维错位的位置和/或尺寸。细长结构可以是风力涡轮机叶片或其构件。在随后的步骤S5中，方法500可以进一步包括纤维错位的位置和/或尺寸对叶片性能的影响的数值模拟。
确定步骤S4可以包括确定是否在细长结构中存在不可忽略的纤维错位。它可以包括计算表征了错位的量化度量，诸如错位的高度、错位相对于对齐的纤维的偏离角度和/或错位在细长结构的厚度中的位置。在一些实施例中，它可以作为确定步骤S4的一部分，以确定所确定的强度（例如反射X射线辐射的强度）是否在强度阈值以上。在本技术适用的所阐释的示例中，强度阈值与光子计数有关，并且特别与所测量的光子计数中的差Δ（诸如在一个区域上测量的光子计数与细长结构或优选地或理想地对齐的细长结构的其余部分相比的偏差）有关。当所确定的强度在阈值以上时，纤维错位被检测到以进行修复。
确定步骤S4可以包括通过比较来自正好在错位之前的对齐的纤维的散射光线的强度与来自处于不同角度的错位纤维的散射光线的强度，确定纤维错位在堆叠的纤维层的厚度中的位置。将纤维错位定位可以包括确定纤维错位距表面的深度（例如mm或层数/层数）和/或沿细长结构的长度的位置。参见图4，所述定位可以包括计算深度d。
根据本公开的一些方面，基于所确定的强度来确定S4纤维错位的尺寸的步骤包括确定所确定的强度是否基本上与对应于一类纤维错位的预定强度水平匹配，并且当确定了所确定的强度与预定强度水平基本上匹配时，则将纤维错位分类为对应的类型。当未确定所确定的强度基本上与对应于一类纤维错位的预定强度水平匹配时，纤维错位不进行分类并且可能是可忽略或未知的。预定强度水平可以包括表征了纤维错位就角度、深度、层片的几何数量、部分层析成像等而言的特征。在所公开的发明适用的所阐释的示例中，80 keV的预定强度水平表示具有3度的纤维错位。
图6示出了阐释用于制造根据本发明的一些方面的细长复合结构的示例性方法600的流程图。该方法涉及制造纤维复合材料的细长复合结构。纤维复合材料包括增强纤维，其通过使用具有沿纵向方向的长度的模具被嵌入在聚合物基体中。方法600包括以下步骤：
-将多个纤维层堆叠Sx1在模具中，其中，多个纤维层包括具有基本上在纵向方向上（单向）对齐的取向的纤维；
-向纤维层供应Sx2液体树脂，以及
-使树脂固化Sx3，以便提供细长的复合结构。
方法600有利地进一步包括通过使用方法500中的任何步骤来检测Sx4纤维错位。
在本公开的一个或多个实施例中，方法500的扫描S1的步骤和/或检查S3的步骤发生在供应Sx2树脂的步骤之前和/或之后，或在固化Sx3的步骤之前和/或之后。
图7示出了高分辨率3D表面图像，其是使用高分辨率相机（对应于步骤S1）来获得的。在图7中示例说明了在预定水平以上的表面高程的单个数据点（采用mm）。在图像的下三分之一中的较暗区域表示特别高的表面区域，其可能表示（下层）纤维错位。
图8示意性地阐释了根据本发明的对表面不规则通过风力涡轮机叶片构件的多个堆叠的纤维层的传播进行估计的方法。在第一步骤801中，构件的最外纤维层的表面被扫描，用于识别一个或多个表面不规则，并用于建立包含一个或多个表面不规则的最外纤维层的轮廓。第二步骤802包括计算从上面作用在最外纤维层上的内力和外力。在第三步骤803中，计算为了力平衡所需的从下面作用在最外纤维层上的外力，随后基于在步骤803中所计算的外力来计算804位于最外纤维层下面的下一个纤维层的轮廓。这个方法通过对每个各自的纤维层连续地重复这些步骤，连续地重复为风力涡轮机叶片构件的每个各自的纤维层计算轮廓。
已经参考优选实施例描述了本发明。但是，本发明的范围不限于所阐释的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下能够进行改变和修改。

Claims (22)

1.一种用于检测细长结构中的纤维错位的方法，所述细长结构具有沿纵向方向的长度，并且包括多个堆叠的增强纤维层，其中，所述多个堆叠的增强纤维层包括具有在所述纵向方向上基本上单向对齐的取向的纤维，其中，所述方法包括以下步骤：
a） 使用用于物体的三维光学测量的测量装置，扫描所述细长结构的表面，以识别一个或多个表面不规则，
b） 选择一个或多个包括所述一个或多个表面不规则的关注区域，
c） 使用穿透辐射来检查所述关注区域，以及
d） 基于步骤c）来确定所述纤维错位的位置和/或尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
a'） 使用具有单一入射角度的入射X射线束沿所述长度的至少一部分扫描所述细长结构，以识别一个或多个结构不规则，
b'） 选择一个或多个包括所述一个或多个结构不规则的关注区域，
其中，步骤a'）和b'）是在步骤c）和d）之前进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤a）包括光学扫描所述表面，以创建所述表面的三维（3D）图像。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤a）包括光学扫描所述表面，以创建所述表面的三维（3D）图像。
5.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤a）涉及确定在表面高程方面的空间变化，并将所述空间变化与在表面高程方面的空间变化的预定阈值进行比较，以识别超过所述阈值的一个或多个表面不规则。
6.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤c）的所述穿透辐射是X射线辐射。
7.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中步骤c）涉及数字层析合成。
8.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述细长结构是风力涡轮机叶片，并且其中，所述方法进一步包括步骤e）对所述纤维错位的所述位置和/或尺寸对于叶片性能的影响进行数值模拟。
9.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤c）涉及通过以与所述纤维的取向相比的一个或多个角度发射x射线束来扫描所述关注区域，检测散射射线，并确定所检测到的散射射线的强度，其中，步骤d）涉及基于所确定的强度来确定所述纤维错位的位置和/或尺寸。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述角度是相对于所述纤维层的平面在大约0.5度与大约45度之间的角度。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤c）进一步涉及通过以附加角度发射附加x射线束来扫描所述关注区域。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤c）进一步涉及通过以附加角度发射附加x射线束来扫描所述关注区域。
13.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤c）涉及沿所述关注区域移动包括x射线束发射模块和x射线检测器模块的纤维错位检测设备。
14.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，步骤a）是在将树脂注入在形成所述细长结构的纤维材料上的注入阶段之前和/或之后，在固化阶段之前和/或之后进行。
15.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述细长结构是风力涡轮机叶片构件，并且其中，所述风力涡轮机叶片构件是载荷承载结构。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述风力涡轮机叶片构件是所述风力涡轮机叶片的主叠层或梁帽。
17.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述细长结构是风力涡轮机叶片构件。
18.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个关注区域仅包括在步骤a）中所扫描的细长结构的表面的一部分。
19.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述关注区域包括在步骤a）中所扫描的细长结构的表面的75%或更少。
20.一种通过使用具有沿纵向方向的长度的模具来制造纤维复合材料的细长复合结构的方法，所述纤维复合材料包括嵌入在聚合物基体中的增强纤维，其中，所述方法包括以下步骤
i） 将多个纤维层堆叠在所述模具中，其中，所述多个纤维层包括具有在所述纵向方向上基本上单向对齐的取向的纤维
ii） 向所述纤维层供应液体树脂，以及
iii）使所述树脂固化，以提供所述细长复合结构，
其特征在于，所述方法包括通过使用权利要求1-19中的任何步骤来检测纤维错位的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过使用权利要求1-19中的任何步骤来检测平面外纤维错位。
22.一种可通过权利要求20或21所述的方法获得的细长复合结构。
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