CN111998794A - 一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，包括：制备飞机复合材料结构维修胶接的基准表面与待评价胶接表面，基于基准表面与待评价胶接表面，选取微小区域，获取微小区域的3D几何形貌，构建基准表面和待评价表面形貌度量与评价的特征曲线，评价待胶接表面几何形貌，本发明的特征分布曲线更好地反映了表面的细节几何特征。通过与基准胶接表面几何形貌的三类特征曲线的差异比较，实现不同人工打磨的胶接表面几何形貌的定量度量与评价，显著提升复合材料结构适航维修过程控制。

Description

一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法
技术领域
本发明涉及一种定量评价通用航空飞机树脂基复合材料结构维修胶接表面几何形貌的方法，属于航空复合材料结构适航维修技术领域。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料在通用航空飞机结构上的应用越来越广泛，甚至出现了多型全复合材料通用航空飞机，因此复合材料结构维修成为持续保持通用航空飞机适航性的关键环节。
目前，复合材料结构的连接和维修主要采用胶接。胶接质量(胶接接头的强度及其耐久性)与胶接表面几何形貌、表面物理化学性质和表面清洁度等有十分密切的关系。在树脂基复合材料结构的适航维修领域，经过适航验证的维修手册推荐采用“砂纸打磨+溶剂清洗”的表面制备方法，并给出了打磨砂纸目数、打磨程序以及表面几何形貌的定性描述。打磨操作依赖维修人员技能，为保证表面制备的质量与稳定性，需建立以几何形貌为核心的维修胶接表面制备工艺规范以保证胶接质量。而定性的表面形貌描述受人的主观影响大，不利于建立有效的打磨工艺规范以实现适航维修过程控制。特别地，采用维修手册推荐的表面制备方法只是改变了胶接表面几何形貌并保证了胶接表面清洁度，因此表面几何形貌的度量与评价对于胶接质量的保证至关重要。当前主要的表面几何形貌度量与评价参数是表面粗糙度。然而直接将表面粗糙度用于度量与评价维修胶接表面几何形貌存在如下问题：1)各种度量表面形貌的粗糙度因子是表面形貌几何的平均值，不能完全反映胶接表面的细节几何形貌特征；2)未建立标准的复合材料适航维修表面几何形貌的基准值，以致不能实现真正有效的定量的适航维修过程控制。
发明内容
本发明的目的在于克服采用粗糙度度量和评价复合材料待胶接表面形貌不能完全反映形貌细节几何特征，表面形貌评价标准缺乏的不足，而提供一种通用航空飞机复合材料结构维修胶接表面几何形貌度量与评价方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，包括以下步骤：
S1.制备飞机复合材料结构维修胶接的基准表面与待评价胶接表面；
S2.基于所述胶接基准表面与所述待评价胶接表面，选取微小区域；
S3.获取所述微小区域的3D几何形貌；
S4.构建所述基准表面和所述待评价表面形貌度量与评价的特征曲线；
S5.评价待胶接表面几何形貌。
优选地，制备基准维修胶接表面的方法包括：
将120目数砂纸固定在旋转往复摩擦磨损试验机的加持工具上，对样件施加接触压力2牛顿，设置往复运动模式，在打磨过程中，先横向打磨至样件表面产生均匀的轻度划痕，再垂直方向打磨至横向划痕全部磨去，表面均匀一致为止，最后用丙酮清洗并干燥表面。
优选地，制备适航维修实践中的胶接表面的方法包括：
根据维修手册选择砂纸，将所述砂纸固定在手持式打磨工具上，通过操纵该工具对试样施加接触压力，在打磨过程中，先横向打磨至试样表面产生均匀的轻度划痕，再垂直方向打磨至横向划痕全部磨去，表面均匀一致为止，最后用丙酮清洗干燥表面。
优选地，微小区域包括基准胶接表面微小区域和待评价胶接表面微小区域；
优选地，基准胶接表面微小区域在所述基准胶接表面；
优选地，基准胶接表面微小区域尺寸范围1045×1053μm2；
优选地，待评价胶接表面微小区域在所述待评价胶接表面；
优选地，待评价胶接表面微小区域尺寸范围1045×1053μm2。
优选地，所述待评价胶接表面包括2个所述待评价胶接表面。
优选地，所述微小区域的3D几何形貌获取方法包括：
优选地，采用KEYENCE彩色3D激光共聚焦显微镜设备获得表面的所述3D几何形貌，以所述3D几何形貌的最小空间包围盒的任意顶点为坐标原点，定义坐标系，分别沿着X方向和Y方向截取2D的截面线。
优选地，所述S4包括以下方法：
所述特征曲线包括绝对高度分布曲线、夹角分布曲线和相对高度分布曲线；
根据所述S3得到所述基准表面和所述待评价表面的所述绝对高度分布曲线、所述夹角分布曲线和所述相对高度分布曲线。
优选地，所述S5评价待胶接表面几何形貌是通过待评价的胶接表面的特征曲线与基准特征曲线的差异值来度量与评价表面几何形貌。
优选地，所述差异值包括绝对高度曲线差异值SH、夹角曲线差异值
Figure BDA0002670533410000031
相对高度曲线差异值Sh和总体差异值St。
优选地，所述绝对高度曲线差异值SH、夹角曲线差异值
Figure BDA0002670533410000032
相对高度曲线差异值Sh和总体差异值St如公式(1)～(4)所述：
Figure BDA0002670533410000033
Figure BDA0002670533410000034
Figure BDA0002670533410000035
Figure BDA0002670533410000036
其中，Lx表示曲线的单位区间长度，l1为待评价表面特征曲线，l2为基准特征曲线，w为权重。
本发明公开了以下技术效果：
本发明上述技术方案与现有技术相比：
相对高度分布曲线是表面几何形貌的峰谷数量与相对高度的综合体现，夹角分布曲线是峰谷数量及其起伏与陡峭程度的综合体现，绝对高度分布曲线反映了表面几何形貌的凹凸特征点数量及绝对高度分布情况。相对各种表面粗糙度的几何平均度量，本发明的特征分布曲线更好地反映了表面的细节几何特征。通过与基准胶接表面几何形貌的三类特征曲线的差异比较，实现不同人工打磨的胶接表面几何形貌的定量度量与评价，显著提升复合材料结构适航维修过程控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1微小区域的3D几何及其2D截面线获取示意图
图2微小区域的截面线及其几何特征示意图
图3表面的绝对高度分布曲线
图4表面的夹角分布曲线
图5表面的相对高度分布曲线
具体实施方式
提供以下具体实施方式以帮助读者获得对这里所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，这里所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，这里所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于这里所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。
这里所描述的特征可以以不同的形式实施，并且不应被解释为局限于这里所描述的示例。更确切地说，已经提供了这里所描述的示例仅用于示出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的实现这里描述的方法、设备和/或系统的诸多可行方式中的一些方式。
尽管可在这里使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各个构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不受这些术语所限制。更确切地说，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分相区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下，这里所描述的示例中所称的第一构件、组件、区域、层或部分也可被称为第二构件、组件、区域、层或部分。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-5所示，本发明公开了一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，包括：
S1.制备通用航空飞机复合材料结构维修胶接的基准表面与待评价胶接表面；
基准维修胶接表面制备方法：将维修手册推荐的120目数砂纸固定在MXW-1型旋转往复摩擦磨损试验机的加持工具上，对样件施加接触压力2牛顿，设置往复运动模式，在打磨过程中，先横向打磨至样件表面产生均匀的轻度划痕，再垂直方向打磨至横向划痕全部磨去，表面均匀一致为止。最后用丙酮清洗并干燥表面。
适航维修实践中的胶接表面制备：选择维修手册推荐的目数的砂纸固定在手持式打磨工具上，通过操纵该工具对试样施加接触压力。在打磨过程中，先横向打磨至试样表面产生均匀的轻度划痕，再垂直方向打磨至横向划痕全部磨去，表面均匀一致为止。最后用丙酮清洗干燥表面
S2.基于所述胶接基准表面与所述待评价胶接表面，选取微小区域；
在基准胶接表面和待评价胶接表面(制备2个待评价胶接表面)上分别随机选择5处尺寸范围1045×1053μm2的微小区域；
在通用航空飞机复合材料结构维修待胶接表面随机选取待测微小区域，该微小区域应该尽可能包含原始形貌信息，并结合测量设备的测量范围进行选取。
S3.获取所述微小区域的3D几何形貌；
对选择的待胶接微小区域，采用KEYENCE彩色3D激光共聚焦显微镜设备获得表面的3D几何形貌，如图1所示。
以3D形貌的最小空间包围盒的任意顶点为坐标原点，定义坐标系，如图2所示，分别沿着X方向和Y方向截取2D的截面线；
S4.构建所述基准表面和所述待评价表面形貌度量与评价的特征曲线；
S4.1：评价表面几何形貌的特征曲线构建
1)对每条2D的截面线，如图2所示，根据设定的夹角阈值和相对高度阈值，依次对对截面线上的三个点P1、P2、P3、计算夹角和相对高度，如果夹角和高度均大于等于阈值，则输出夹角、相对高度和点P2的z坐标的绝对值(绝对高度)，否则不输出。若后续点P4存在，则P2＝P3、P3＝P4，按照上述步骤循环，直至2D截面线所有点处理完毕。
2)构建夹角、相对高度和绝对高度分布曲线。对夹角、相对高度和绝对高度，采用平均值对齐方法进行归一化，设置各条曲线的区间数N，分别以夹角、相对高度、绝对高度平均值与N的比值作为特征曲线的X轴的长度单位，区间内的夹角、相对高度、绝对高度的数量为Y坐标。
S4.2：选择5～7个微小区域，采用同样的方法，得到各个区域的夹角、相对高度和绝对高度曲线，再对各个区域的同类曲线取算数平均，最终的夹角分布曲线、相对高度曲线和绝对高度曲线为待胶接表面形貌度量与评价的依据。
S5.评价待胶接表面几何形貌；
如图3-5所示，建立特征曲线基准，通过待评价的胶接表面的特征曲线与基准特征曲线的差异值来度量与评价表面几何形貌，如公式(1)～(4)。其中SH、
Figure BDA0002670533410000061
Sh、St分别表示绝对高度曲线、夹角曲线、相对高度曲线的差异值和总体差异值，Lx表示曲线的单位区间长度，l2为基准特征曲线，w为权重。
Figure BDA0002670533410000062
Figure BDA0002670533410000063
Figure BDA0002670533410000064
Figure BDA0002670533410000065
根据步骤5的公式(1)～(4)，计算待胶接表面几何形貌与基准的差异值。其中，待评价胶接表面与基准表面的总体差异计算中的权值w1＝w2＝w3＝1/3。绝对高度、相对高度、夹角与基准表面的差异值越小，表明制备的胶接表面几何形貌越有利于保证胶接质量。表1是评价结果及其对应的胶接强度。显然，度量表面几何形貌的特征曲线包含了更多的细节信息，与基准的差异值与胶接强度变化一致，可有效应用于维修过程控制。
表1
Figure BDA0002670533410000066
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.制备飞机复合材料结构维修胶接的基准表面与待评价胶接表面；
S2.基于所述胶接基准表面与所述待评价胶接表面，选取微小区域；
S3.获取所述微小区域的3D几何形貌；
S4.构建所述基准表面和所述待评价表面形貌度量与评价的特征曲线；
S5.评价待胶接表面几何形貌。
2.根据权利要求1所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述制备基准维修胶接表面的方法包括：
将120目数砂纸固定在旋转往复摩擦磨损试验机的加持工具上，对样件施加接触压力2牛顿，设置往复运动模式，在打磨过程中，先横向打磨至样件表面产生均匀的轻度划痕，再垂直方向打磨至横向划痕全部磨去，表面均匀一致为止，最后用丙酮清洗并干燥表面。
3.根据权利要求1所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述制备适航维修实践中的胶接表面的方法包括：
根据维修手册选择砂纸，将所述砂纸固定在手持式打磨工具上，通过操纵该工具对试样施加接触压力，在打磨过程中，先横向打磨至试样表面产生均匀的轻度划痕，再垂直方向打磨至横向划痕全部磨去，表面均匀一致为止，最后用丙酮清洗干燥表面。
4.根据权利要求1所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述微小区域包括基准胶接表面微小区域和待评价胶接表面微小区域；
所述基准胶接表面微小区域在所述基准胶接表面；
所述基准胶接表面微小区域尺寸范围1045×1053μm2；
所述待评价胶接表面微小区域在所述待评价胶接表面；
所述待评价胶接表面微小区域尺寸范围1045×1053μm2。
5.根据权利要求4所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述待评价胶接表面包括2个所述待评价胶接表面。
6.根据权利要求1所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述微小区域的3D几何形貌获取方法包括：
采用KEYENCE彩色3D激光共聚焦显微镜设备获得表面的所述3D几何形貌，以所述3D几何形貌的最小空间包围盒的任意顶点为坐标原点，定义坐标系，分别沿着X方向和Y方向截取2D的截面线。
7.根据权利要求1所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述S4包括以下方法：
所述特征曲线包括绝对高度分布曲线、夹角分布曲线和相对高度分布曲线；
根据所述S3得到所述基准表面和所述待评价表面的所述绝对高度分布曲线、所述夹角分布曲线和所述相对高度分布曲线。
8.根据权利要求1所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述S5评价待胶接表面几何形貌是通过待评价的胶接表面的特征曲线与基准特征曲线的差异值来度量与评价表面几何形貌。
9.根据权利要求8所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述差异值包括绝对高度曲线差异值SH、夹角曲线差异值相对高度曲线差异值Sh和总体差异值St。
10.根据权利要求9所述一种通航飞机复合材料维修胶接表面形貌度量评价方法，其特征在于：
所述绝对高度曲线差异值SH、夹角曲线差异值
Figure FDA0002670533400000023
相对高度曲线差异值Sh和总体差异值St如公式(1)～(4)所述：
Figure FDA0002670533400000021
Figure FDA0002670533400000031
Figure FDA0002670533400000032
Figure FDA0002670533400000033
其中，Lx表示曲线的单位区间长度，l1为待评价表面特征曲线，l2为基准特征曲线，w为权重。
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