有效的结构健康监测的制作方法
【专利说明】有效的结构健康监测 发明领域
[0001] 本发明涉及结构健康监测领域。更具体的说，它涉及稳健的系统和方法用于可靠 地监测正在被研究的物体的关键区域或组件的结构健康。
[0002] 发明背景
[0003] 结构健康监测（SHM)是用于监测结构完整性或鉴定由永久附着传感器造成的结 构损伤的技术的集合名词。在过去，SHM技术已经在被研究，例如，用于航空工业。由于对 提高它们的产品的安全水平的持续不断的追求和减少操作一架航空器的直接操作成本这 一事实，这个部门渴望将SHM系统加入它们的产品中。目前，视觉检测和大量的无损评估技 术及局部的检测能力可用于这一工业。在过去的三十年，已经进行了无数的致力于在一个 更加完整性的特征上的组件损伤鉴定的SHM技术研究。对于SHM来说，基本的科学挑战仍 然是探测损伤，通过测量一个结构的整体的反应参数，这是一个特有的局部现象。仅次于这 一首要的科学挑战，一些其它的大的障碍更多的限制工业应用SHM系统，尤其是它们在实 际中的有效性和在使用中的稳定性。
[0004] 这些挑战是一些主要的障碍点，除了旋转机械状态监测，已经阻止了将SHM技术 引入现实生活结构/应用。不同的SHM进化系统的成熟度已经由大的工业参与者（如，空中 客车）和政府研究阻止（如，美国航空航天局）以技术就绪水平进行了表示。不同的组织 的定义有轻微的变化，但是，主要原理仍然是相同的。图1中展示了一个例子，由Wilwhite A.W.等人在美国航空航天局喷气推进实验室论文集（JPL-Publ-2004-011)(六月）（2004)， 14-30页中进行了描述，本文将详细的描述一个详尽的技术就绪水平。
[0005] 疲劳是一个重要的损伤现象，影响一个结构的组件/应用的结构完整性。疲劳通 过很多方法实现：
[0006] 20世纪上半页，循环滑动被认为是产生微裂纹的关键，并且它也与循环位错运动 有关。微裂纹通常在材料的自由表面开始，也在名义上分配均匀应力进行反复张力试验研 究的无缺口的物体中。由于自由表面在表面材料的一边，循环滑动上的抑制低于材料内部。 可以推断出，疲劳裂纹的产生是一种表面现象。循环加荷下的疲劳寿命包括两个阶段：裂纹 产生寿命和裂纹扩展期间直到故障。产生期间通常自循环滑动开始，引起碎裂成核，进一步 导致微裂纹扩展。第一阶段覆盖了疲劳寿命的一大部分，在应力幅度之下疲劳限度之上，不 过对于疲劳寿命，较高的应力幅度裂纹扩展期间是必不可少的。裂纹扩展期间，即，第二阶 段，通常包括微裂纹扩展到最终故障结束。两个阶段之间的不同是非常重要的，因为有几个 表面条件的确会影响裂纹产生期间而不是裂纹扩展期间（表面粗糙、表面损伤、表面残余 应力、表面处理）。腐蚀性环境和摩擦现象也能够影响裂纹产生和裂纹扩展期间，但是对两 个期间以不同的方式影响。应力集中系数Kt是预测裂纹产生的重要参数，应力强度系数K 是用于预测裂纹扩展，断裂韧性Klc是用于最终故障的特征。
[0007] 疲劳特性也可以用W5hler曲线（S-N曲线）来描述。S-N曲线源自一系列的在不 同的应力水平的疲劳测试，疲劳寿命N在计算尺上水平方向标绘，应力幅度在线性刻度上 垂直方向标绘。由图2中可以看到，国际疲劳期刊，第25卷，第8册，679-702页，2003年8 月，J.Schijve的"20世纪和目前工艺水平的材料和结构的疲劳"一文中可见，对于低应力 幅度，曲线显示出一个更低的限度，这意味着，故障没有发生，甚至是在大量的负荷循环之 后。S-N曲线的水平渐近线被称为疲劳极限。在S-N曲线上部，有大的应力幅度，另一种水 平渐近线出现。如果故障在第一次循环中没有发生，疲劳寿命可能是数百次循环。"低循环 疲劳"区域意味着宏观塑性变形发生在每个循环。另一方面，在较低应力幅度，宏观塑性变 形没有发生，疲劳现象被称作'高循环疲劳'。
[0008] 除疲劳之外，物体的结构完整性也会被磨损（或摩擦）现象影响。这些现象有时 候是相互关联的。磨损现象对于物体的结构健康有着重要作用，因此，需要被监测。
[0009] 物体的结构健康监测系统和方法仍有改进空间，凭此，结构健康监测系统是可靠 地稳定的，并且不会对研究中的有益的物体的物理完整性不利。
[0010] 发明概述
[0011] 本发明的一个目的就是提供有效地方法和系统用于结构健康监测。
[0012] 本发明的实施例的一个优势是所提供的系统和方法用于在元件层级检查疲劳产 生故障模式和/或疲劳扩展模式和/或疲劳致命故障模式。本发明的实施例的一个优势是 所提供的系统和方法也可以指示磨损水平。本发明的实施例的一个优势是基于条件的监测 能够执行作为不同水平的疲劳能够被检查和/或监测。鉴于此，本发明的实施例也允许良 好的保养、修理和彻底检修工作计划。
[0013] 本发明的实施例的一个优势是所提供的系统和方法可以在现场执行检查和/或 监测裂纹扩展，甚至在物体使用期间。后者也导致了检查和保养不限制或仅仅限制物体或 者使用中的物体设备停工的事实。换句话说，利用本发明实施例，检查和/或监测会有一个 高的或者增加的结构或机器可利用性。此外，本发明实施例的一个优势是获得了一个高度 稳定的解决方案，因为用于检查和/或监测的系统能够被充分整合。
[0014] 本发明的实施例的一个优势是结构健康监测允许用一个传感器或者有限数量的 传感器进行大区域或者完整的组件的检查。
[0015] 本发明的实施例的一个优势是结构健康监测系统能够利用可靠的常规的压力传 感器。
[0016] 本发明的实施例的一个优势是基于精确计划保养和修理的可能性、基于"在线"检 查和/或监测，例如，在使用期间检查和/或监测、和/或基于良好的精度检查和/或监测， 同其他检查和/或监测技术相比，直接操作成本可以进行限制或者减少。
[0017] 本发明的实施例的一个优势是所提供的系统和方法减少了检查和保养成本。本发 明实施例的一个优势是检查时间短并且可以远程进行。
[0018] 本发明的实施例的一个优势是所提供的系统和方法为高度危险的应用形成一个 高度安全等级。
[0019] 本发明的实施例的一个优势是所提供的系统和方法可以测试新的材料结构，例 如，具有减轻的重量、用一种新材料制成、使用新的产品方法制作、根据一种新的设计制作， 等等，仅仅具有有限的风险，因为在操作中结构完整性、磨损或疲劳特性能够被精确地和持 续的监测。
[0020] 本发明的实施例的一个优势是检查和测量能够通过测量直接的物理数值并且允 许以低量的后加工处理轻易解读结果的方式执行。
[0021] 本发明的实施例的一个优势是使用一个单独的传感器可以精确的监测一块区域 或者甚至更多区域。
[0022] 上述物体通过利用根据本发明实施例所述的方法和/或系统获得。
[0023] 本发明的实施例的一个优势是空心结构，一种结构，其中，纵向在至少二维或者三 维空间中变化，能够被设计这样以便研究中的物体的物理完整性不被限制或仅仅受三维空 心网状结构的影响的限制。同样地，本发明的实施例的一个优势是空心网状结构并不影响 或者仅仅轻微影响裂纹产生行为。
[0024] 增量制造技术，例如，分层优化激光熔覆和选择性激光熔化等等，和与减材制造结 合的增量制造混合技术，是使能技术，对本发明来说是一个优势。
[0025] 本发明的实施例的一个优势是所使用的压力传感器能够被安装在一个可维修的 位置。
[0026] 本发明的实施例的一个优势是组件中很少或者没有额外的组件需要被引入健康 监测系统。本发明的实施例的一个优势是需要很少的组件能够轻易的安装和或维持。
[0027] 本发明的实施例的一个优势是系统是稳定的。
[0028] 增量制造技术，例如，分层优化激光熔覆和选择性激光熔化等等，和与减材制造结 合的增量制造混合技术克服了制造问题。
[0029] 本发明涉及一种系统，用于执行在研究中的物体的结构健康监测，所述系统包括 一个空心腔体结构包括通过利用增量制造获得的一个或者多个腔体，腔体结构自它的周围 固有的密封或者可密封，可选择的，除了压力传感器或连接所放置的位置，或从其周围可密 封的，形成所研究的物体的组成部分，腔体结构进一步连接至一个压力传感器用于感应腔 体结构内的一种压力。本发明的实施例的一个优势是，结构健康监测可以以一种精确的方 式在组件级别来执行。密封的或可密封的容积可以具有额外的阀门，从而允许所述腔体被 连接到外部压力水平。压力传感器也指压力换能器。利用增量制造可包括至少使用增量制 造，例如，增量制造可能与其它技术结合。
[0030] 本发明的实施例的一个优势是密封的结构充当物理内存，探测发生的事件的集成 效应，甚至在事件发生期间，当压力传感器不起作用时。由于事件的发生能够基于集成效应 决定，无需持续的数据采集。
[0031] 空心腔体结构可以是这样的，空心腔体结构中至少一个腔体可被被描述为一个通 过扫描的区域定义的体积，由封闭二维曲线定义，沿着至少一个路径，以使得路径垂直穿过 封闭二维曲线定义的平面，路径在至少二维空间中传播。因此，该路径可以保持在一个平面 上。路径可以是中心线或中心的曲线。腔体的长度方向可以在两个方向延伸。路径可穿过 封闭二维截面的矩心。在一些实施例中，对于路径的每一点来说，区域可以任意的变化。在 一些实施例中，区域可以在路径的多个点变化，例如，在至少一个或至少两个点。
[0032] 在一些实施例中，空心腔体结构基本在一个方向上扩展，从而使垂直于该方向的 横截面可以沿所述方向在至少两个点之间的变化。
[0033] 空心腔体结构可以是这样的，空心腔体结构中至少一个腔体可被被描述为一个通 过扫描的区域定义的体积，由封闭二维曲线定义，沿着至少一个路径，以使得路径垂直穿过 封闭二维曲线定义的平面，路径在至少三维空间中传播。路径可穿过封闭二维截面的矩心。 在一些实施例中，对于路径的每一点来说，区域可以任意的变化。在一些实施例中，区域可 以在路径的多个点变化，例如，在至少一个或至少两个点。
[0034] 在一些实施例中，空心腔体结构可以是空心的腔结构沿着长度方向至少以二维方 式变化，其中至少一个腔体包括至少两个沿着所述腔体的长度方向腔体变化方向的显著位 置。它是根据本发明所述实施例的一个优势，能够实现容易并且精确制造一个集成腔体，产 生一个精确的腔体结构，因而可以精确的检查和/或监测，而不会显著影响被检查的物体。
[0035] 空心腔体结构可以是中空的腔体结构沿长度方向以三维方式变化，结构包括腔体 的网状结构。空心腔体结构可包括至少一个沿其长度方向弯曲的腔体。本发明所述实施例 的一个优势，即，可以实现一个复杂的空心腔体结构，允许在组件中不同的点，检查和/或 监测疲劳。
[0036] 此外，腔体的网状还可包括至少一个阀用于隔离在空心腔体结构中的一部分的腔 体。本发明所述实施例的一个优势，即，可以利用同一个腔体结构精确检查和/或监测物体 中不同的位置，从而允许精确定位疲劳并且更加有效的保养。
[0037] 空心腔体结构可以在压力之下或者超过压力之下填充流体。本发明所述实施例的 一个优势，即，结构健康监测能够仅通过腔体内流体压力感应来执行。
[0038] 此外，本系统还可以包括一个可连接到腔体结构的压力传感器，用于感应所述腔 体结构内的压力。
[0039] 本系统包括处理单元，适于接收完全集成的空心腔体结构的物理参数的测量信号 和用于处理所述测量信号，用于探测研究中的物体是否已经发生磨损或裂纹。本发明所述 实施例的一个优势是，一个传统的压力传感器可以用于协助结构健康监测。
[0040] 本系统可以包括所述的处理单元，其中，所述测量信号是压力引起的信号，处理单 元适于处理所述压力引起的信号，例如，检测空心腔体结构中压力的变化，和利用所述压力 变化判断研究中的物体是否已经发生磨损或者裂纹。
[0041] 所述处理单元适于接收来自空心腔体结构或者结构本身的声音发射信号数据，判 断研究中的物体是否已经发生磨损或裂纹。
[0042] 处理单元适于接收超声波数据越过空心腔体结构的表面，利用所述数据判断研究 中的物体是否已经发生磨损或裂纹。本发明的实施例的一个优势是，可选择的技术-可选 择的仅仅感应压力-可用于协助结构健康监测。在有优势的实施例中，不同的技术可以组 合，产生更精确的疲劳、磨损或者腐蚀特征。
[0043] 处理单元适于评估声音发射信号的高频信号数据，用于判断研究中的物体是否已 经发生磨损或裂纹。所述声音发射信号可用于定位研究中的物体中的磨损或裂纹。本发明 的实施例的一个优势，利用本发明的实施例，不仅可以检测，而且能够定位裂纹。
[0044] 本发明的实施例的一个优势是，可选择技术-可选择仅仅通过压力感应-能够用 于辅助结构健康监测。在有优势的实施例中，不同的技术可以组合从而产生一种更精确的 疲劳特征。
[0045] 本系统的腔体包括一个液体渗透用于使用裸眼和/或影像系统可视化磨损或者 裂纹。另外，本系统的腔体也包括利用其它检测方法进行的液体渗透鉴定磨损或裂纹，例 如，通过检测液体渗透的特定气味。本发明的实施例的一个优势是系统是稳定的。后者是 由它的集成特征和对环境和操作条件的保护造成的。
[0046] 常规的液体渗透检验是一种非破坏性检查/测试方法，其通常以如下方式进行。 具有表面高润湿特性的液体施加在待测试组件上的外表面。渗透剂主要通过毛细作用和一 些其他方法渗入表面裂纹。渗透剂通常施加几分钟，该时间段被称为停留时间。之后将过量 的渗透剂从外表面除去。然后，显影剂被施加在外表面上撤回渗