CN114322683B - 一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法，涉及焊接结构检测技术领域。该装置包括疲劳性能检测系统、三维扫描重构及残余应力无损检测系统，所述疲劳检测系统包括传感器和数据采集系统；所述三维扫描重构及残余应力无损检测系统包括可移动式的三维扫描仪及x衍射仪。该方法在于在不破坏火箭整体结构的前提下，基于检测装置，实现对回收后火箭的焊接结构焊接变形、残余应力及缺陷的检测；同时建立数字孪生模型可预测可回收火箭再次使用的焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数。本发明解决了可回收火箭焊接结构件的检测方法缺失的问题，且检测速度快，准确性好，提高可回收火箭可靠性和使用寿命。

Description

一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法

技术领域

本发明涉及焊接结构检测技术领域，特别是涉及一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法。

背景技术

近年来，随着航天制造技术的不断发展，运载火箭技术已从解决“如何进入空间”转为“如何低成本进入空间”。火箭发射成本居高不下，影响了人类开发太空的规模和效益，成本问题已然成为整个航天产业面临的主要挑战。火箭成本的降低主要有两大途径：(1)使用成熟技术和产品；(2)实现可重复使用运载火箭技术(关键部位及关键系统的可重复使用)。其中，火箭的重复使用是大幅度降低成本的重要措施，重复使用将成为未来航天运输系统的主要发展方向之一。

太空环境极端复杂，火箭从太空中返回时速度极快，大气阻力和气动加热更为明显，而且火箭在实际服役过程中要长期承受复杂的载荷条件，甚至可能遭受意外的冲击载荷，容易出现不易察觉的损伤，因此需要在火箭回收之后对其进行严格的检测。运载火箭焊接结构的检测是可回收火箭技术走向推广应用的关键技术难题，因此可回收火箭在全寿命周期内需对相关回收箭体和关键部位进行检测以及对其是否可以进行再次使用进行有效的评估。

一次性的火箭焊接结构检测方法分为接触式检测手段及非接触式检测手段，接触式检测手段容易对火箭造成二次损伤；常用于火箭焊接结构件的非接触式无损检测手段包括超声检测、射线检测、工业CT检测和荧光渗透检测技术等。但目前针对可回收火箭焊接结构件的检测方法还未涉及。

发明内容

针对现有检测手段的不足，本发明提供了一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法。该方法主要是指基于疲劳性能检测系统、三维扫描重构及残余应力无损检测系统以及可回收火箭数字孪生模型，实现对回收后火箭的焊接结构的检测。目的在于在不破坏火箭焊接结构的前提下，实现火箭焊接结构的检测，为火箭的重复使用提供一种检测手段。

为达上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法，主要包括三维扫描重构系统、疲劳性能检测系统、残余应力无损检测系统以及可回收火箭数字孪生模型。其中，利用三维扫描系统来实现火箭箭体的三维重构，并将重构模型与可回收火箭原始模型进行对比，实现对火箭变形的检测；利用残余应力无损检测系统来实现对火箭残余应力的检测；利用疲劳性能检测系统来实现对火箭焊接结构疲劳性能的定量检测，利用火箭焊接结构数字孪生模型，达到预测火箭焊接结构的变形、缺陷及可重复使用次数的目的。

一种用于可回收火箭的焊接结构性能检测装置，主要包括控制系统、疲劳性能检测系统和三维扫描重构及残余应力无损检测系统。

所述控制系统连接疲劳性能检测系统和三维扫描重构及残余应力无损检测系统，用于控制各个检测系统的运行；同时控制系统的计算机用于建立可回收火箭的数字孪生模型。

所述疲劳性能检测系统用于检测可回收火箭焊接结构的疲劳性能，包括传感器和数据采集系统，传感器采集的数据经数据采集系统处理后，传送到控制系统的计算机上。

所述三维扫描重构及残余应力无损检测系统用于检测回收后火箭焊接结构的焊接变形、残余应力及缺陷。该系统上安装有5个固定在滑块上方三维扫描仪和5个固定在滑块侧面x衍射仪，其中，4组三维扫描仪与x衍射仪安装在可滑动的卡扣式滑块上，便于在弧形滑轨上移动及拆卸，另外1组三维扫描仪与x衍射仪固定在滑座上；利用滑轨板和滚珠将弧形滑轨与滑座安装在基座上，x衍射仪检测数据反馈到控制系统的计算机上，与此同时，三维扫描仪所扫描的焊接结构的数据实时在控制系统的计算机显示屏上显示。

进一步地，在控制系统的计算机中对可回收火箭初次发射到回收全过程建立数字孪生模型，通过对比模型及监测数据修正模型，可预测可回收火箭再次使用的焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数。

进一步地，所述疲劳性能检测系统中的传感器分布在火箭焊接结构的关键部位，通过传感器采集相关数据经数据采集系统处理并将信息传送到控制系统上，计算机识别结构部件的疲劳程度及损伤的位置。

进一步地，所述三维扫描重构及残余应力检测系统的5个x衍射仪的角度可调且可在弧形滑轨上任意滑动，同时弧形滑轨可上下滑动，每个x衍射仪的最大检测角度为60°；5个三维扫描仪为可旋转式，可对火箭焊接结构复杂部位进行多角度扫描，将重构模型与火箭初始状态模型进行对比，实现对火箭回收后焊接结构变形的检测。

更进一步地，可根据所检测火箭的尺寸选取合适数量的三维扫描重构及残余应力检测系统，其中，针对直径3.35米的火箭，可在火箭周围放置3个三维扫描重构及残余应力检测系统；针对直径5米的火箭，通过在火箭周围放置4个三维扫描重构及残余应力检测系统，可实现火箭任意位置的检测。

一种用于可回收火箭的焊接结构检测方法采取以下步骤：

步骤一，采用目视检测方法对可回收火箭箭体外观进行初步检测，重点检测火箭承受集中力和冲击力的位置，观察火箭焊接结构的表面缺陷，如划痕、裂纹等；

步骤二，将传感器分布在火箭焊接结构的关键部位，利用传感器采集相关数据，数据采集系统处理这些数据并反馈到控制系统，控制系统自动处理并以电信号的形式呈现在计算机上，分析焊接结构件的疲劳程度；

步骤三，建立可回收火箭全生命周期的数字孪生模型，将传感器检测数据与数字孪生模型数据交互，实现火箭回收过程中真实状态的完全同步；

步骤四，利用三维扫描重构及残余应力检测系统对火箭焊接结构进行残余应力检测，控制系统控制弧形导轨的上下移动位置、速度及滑块的位置，对上述目视检测到的表面缺陷及火箭结构复杂部位进行多角度扫描；三维扫描仪及x衍射仪检测得到的数据反馈到计算机中，同步在计算机中生成火箭的模型，计算机对模型分析并得到火箭回收后焊接结构的变形数据及残余应力；

步骤四，通过对可回收火箭焊接结构检测数据的分析，判断可回收火箭的性能是否满足再次使用的条件、焊接结构恢复量和可接受的标准修理类型；

步骤五，通过对比数字孪生模型及检测数据修正模型，实现对可回收火箭焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数的预测。

本发明具有的优点和积极效果有：

本发明的一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法，将可回收火箭的多种检测方式进行综合，实现可回收火箭相关回收箭体及关键部位的检测。同时建立数字孪生模型可提早发现“结构性能下降、潜在缺陷或者结构失效”等风险，预测可回收火箭再次使用的焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数，也为全箭焊接结构系统的方案设计、疲劳寿命设计提供有力的指导，从而提高可回收火箭的的可靠性和延长使用寿命。

附图说明

图1是一种用于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法的焊接结构检测设备整体示意图。

图2是一种用于可回收火箭的焊接结构检测方法流程图。

图3是3台残余应力无损检测系统相对位置俯视图。

图中：

1-控制系统；

2-疲劳性能检测系统：21-传感器；22-数据采集系统；

3-维扫描重构及残余应力无损检测系统：31-滑轨板；32-滚珠；33-基座；34-三维扫描仪；35-滑块；36-滑座；37-x衍射仪；38-弧形滑轨；

4-可回收火箭

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施案例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅展示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明。

实施例

如图1所示。本次实例是基于可回收火箭的焊接结构检测装置与方法，对可回收火箭焊接结构进行检测。

本发明公开了一种用于可回收火箭焊接结构性能检测装置，主要包括控制系统1、疲劳性能检测系统2和三维扫描重构及残余应力无损检测系统3；

所述控制系统1连接疲劳性能检测系统2和三维扫描重构及残余应力无损检测系统3，用于控制各个检测系统的运行及重构分析可回收火箭三维模型；同时控制系统的计算机用于建立可回收火箭初次发射到回收全过程数字孪生模型，通过对比模型及监测数据修正模型，可预测可回收火箭再次使用的焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数；

疲劳性能检测系统2用于检测可回收火箭焊接结构的疲劳性能，包括传感器21和数据采集系统22，所述传感器分布在火箭焊接结构的关键部位，通过传感器采集相关数据经数据采集系统处理并将信息传送到控制系统上，计算机识别结构部件的疲劳程度及损伤的位置；

三维扫描重构及残余应力无损检测系统3用于检测回收后火箭焊接结构的焊接变形及残余应力，包括滑轨板31、滚珠32、基座33、三维扫描仪34、滑块35、滑座36、x衍射仪37和弧形滑轨38；其中三维扫描重构及残余应力检测系统上安装有5个三维扫描仪和5个x衍射仪，其中，4个三维扫描仪与x衍射仪安装在可滑动的滑块上，另外1个三维扫描仪与x衍射仪固定在滑座上；利用滑轨板和滚珠将弧形滑轨与滑座安装在基座上，x衍射仪检测数据反馈到控制系统的计算机上，与此同时，三维扫描仪所扫描的焊接结构的数据实时在控制系统的计算机显示屏上显示。三维扫描仪与x衍射仪的滑块为卡扣结构，便于在弧形滑轨上移动及拆卸；其中三维扫描仪固定在滑块上方。

应用于可回收火箭的焊接结构检测评估方法，可通过如下步骤实现：

步骤一，采用目视检测方法初步检测火箭焊接结构的表面缺陷，如划痕、裂纹等。重点检测火箭受冲击较大处及承受集中力的部位有无明显的结构破坏变形，箭体焊接部位有无明显的缺陷及破损。

步骤二，将传感器分布在火箭焊接结构的关键部位-火箭贮箱壁板连接处及步骤一所检测的划痕裂纹处，利用传感器采集相关数据，数据采集系统处理这些数据并反馈到控制系统，控制系统自动处理并以电信号的形式呈现在计算机上，操作人员分析焊接结构件的疲劳程度；

步骤三，建立可回收火箭初次发射到回收全生命周期的数字孪生模型，将传感器检测数据与数字孪生模型数据交互，实现火箭回收过程中真实状态的完全同步；

步骤四，利用3台三维扫描重构及残余应力检测系统对火箭焊接结构进行焊接变形及残余应力检测，控制系统根据火箭尺寸(直径3.35m)控制每台三维扫描重构及残余应力检测系统的弧形滑轨的可伸缩长度为3.5m，x衍射仪的扫描步长为0.2°，扫描速度为2秒/步；对上述目视检测到的表面缺陷及火箭结构复杂部位进行多角度扫描；三维扫描仪及x衍射仪检测得到的数据反馈到计算机中，同步在计算机中生成火箭的模型，计算机对模型分析并得到火箭回收后焊接结构的变形数据及残余应力；

步骤五，通过对可回收火箭焊接结构检测数据的分析，可回收火箭的性能满足再次使用的条件；

步骤六，通过对比模型及监测数据修正模型，及时、快速地对大面积结构件进行定性和定量的故障监测，实现对可回收火箭焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数的预测。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于可回收火箭的焊接结构性能检测装置，其特征在于：主要包括控制系统(1)、疲劳性能检测系统(2)和三维扫描重构及残余应力无损检测系统(3)；

所述控制系统(1)连接疲劳性能检测系统(2)和三维扫描重构及残余应力无损检测系统(3)，用于控制各个检测系统的运行；同时控制系统的计算机用于建立可回收火箭初次发射到回收全过程数字孪生模型，通过对比数字孪生模型及检测数据修正模型，预测可回收火箭再次使用的焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数；

所述疲劳性能检测系统(2)用于检测可回收火箭焊接结构的疲劳性能，包括传感器(21)和数据采集系统(22)，传感器采集的数据经数据采集系统处理后，传送到控制系统；将采集数据与数字孪生模型数据交互，实现火箭回收过程中真实状态的完全同步；

所述三维扫描重构及残余应力无损检测系统(3)用于检测回收后火箭焊接结构的焊接变形、残余应力及缺陷；该系统上安装有5个固定在滑块上方三维扫描仪(34)和5个固定在滑块侧面x衍射仪(37)，其中，4组三维扫描仪与x衍射仪安装在可滑动的卡扣式滑块上，便于在弧形滑轨上移动及拆卸，另外1组三维扫描仪与x衍射仪固定在滑座上；利用滑轨板(31)和滚珠(32)将弧形滑轨(38)与滑座(36)安装在基座(33)上，三维扫描仪(34)和x衍射仪(37)检测数据反馈到控制系统的计算机上，同步在计算机中生成火箭的模型，计算机对模型分析并得到火箭回收后焊接结构的变形数据及残余应力；预测可重复使用的次数；

所述疲劳性能检测系统中的传感器分布在火箭焊接结构的关键部位，关键部位为火箭贮箱壁板连接处及划痕或裂纹处，通过传感器采集相关数据，经数据采集系统并将数据传送到控制系统上，计算机识别结构部件的疲劳程度及损伤的位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于可回收火箭的 焊接结构性能检测装置，其特征在于：所述三维扫描重构及残余应力无损检测系统的5个x衍射仪的角度可调且可在弧形滑轨上任意滑动，同时弧形滑轨可上下滑动，每个x衍射仪的最大检测角度为60°；5个三维扫描仪为可旋转式，可对火箭焊接结构复杂部位进行多角度扫描，将重构模型与火箭初始状态模型进行对比，实现对火箭回收后焊接结构变形的检测；根据所检测火箭的尺寸选取合适数量的三维扫描重构及残余应力无损检测系统。

3.一种根据权利要求1所述的一种用于可回收火箭的 焊接结构性能检测装置的检测方法，其特征在于，采取以下步骤：

步骤一，采用目视检测方法对可回收火箭箭体外观进行初步检测，重点检测火箭承受集中力和冲击力的位置，观察火箭焊接结构的表面缺陷，所述表面缺陷是划痕或裂纹；

步骤二，将传感器分布在火箭焊接结构的关键部位，利用传感器采集相关数据，数据采集系统处理这些数据并反馈到控制系统，控制系统自动处理并以电信号的形式呈现在计算机上，分析焊接结构件的疲劳程度；

步骤三，建立可回收火箭全生命周期的数字孪生模型，将传感器检测数据与数字孪生模型数据交互，实现火箭回收过程中真实状态的完全同步；

步骤四，利用三维扫描重构及残余应力无损检测系统对火箭焊接结构进行残余应力无损检测，控制系统控制弧形导轨的上下移动位置、速度及滑块的位置，对上述目视检测到的表面缺陷及火箭结构复杂部位进行多角度扫描；三维扫描仪及x衍射仪检测得到的数据反馈到计算机中，同步在计算机中生成火箭的模型，计算机对模型分析并得到火箭回收后焊接结构的变形数据及残余应力；

步骤五 ，通过对可回收火箭焊接结构检测数据的分析，判断可回收火箭的性能是否满足再次使用的条件、焊接结构恢复量和可接受的标准修理类型；

步骤六 ，通过对比数字孪生模型及检测数据修正模型，实现对可回收火箭焊接结构变形、缺陷及可重复使用次数的预测。

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