本公开涉及测量复合部件中的残余应变，并且更具体地涉及测量因复合部件在固化过程中暴露于升高的热条件所产生的复合部件的残余应变。
背景技术
在温度升高以及复合部件在固化过程期间经历的化学反应的作用下，在复合部件内出现残余应变。保留在固化后的复合部件内的残余应变促进复合材料的破裂并且影响复合部件的疲劳性能。了解保留在复合部件内的各种部位内的残余应变的量为设计者和/或制造者提供了有用的信息，为他们提供了减少破裂现象并改进复合部件疲劳性能的机会。
现有方法用于测量各向同性塑料材料的残余应变，各向同性塑料材料不是包括纤维的复合材料。通过测量将复合部件的温度增加至固化温度的应变变化，来测量复合部件的热应变。然而，该方法不能测量残余应变，而只能测量赋予复合部件直到固化温度的应变。
采用一种方法来测量各向同性材料的残余应变，该方法包括向部件钻孔以及装设应变计来测量部件表面的残余应变。钻孔的使用限制了材料去除的几何形状，这又将应用限于低梯度应变场。如果关注复杂的高梯度应变场，则去除过程势必涉及比圆孔更复杂得多的几何形状。应变计的使用还限制了应变测量的空间分辨率，因为分辨率受限于应变计的大小且进一步受限于与通过布线测量部件的关联的空间占用。另外，由于能采用的应变计的数量有限，现有方法仅可以测量关于部件的受限部位，并且不能用于测量应变分布的全场。
需要测量固化后的复合部件内的残余应变(从固化过程起保留在复合部件内)，其中可以在复合部件的表面上进行全场高梯度的多轴应变测量。此外，需要消除因装设或放置应变计而强加的几何形状约束。而且，需要可以容易地测量关注的任何目标几何形状和周围任何应变梯度场的应变的方法。
技术实现要素：
一个实例包括一种用于测量固化后的复合部件的残余应变的方法，该方法包括以下步骤：拍摄定位在所述固化后的复合部件的一侧面上的至少两个间隔开的颗粒的第一图像，所述侧面横向于第一表面侧定位。所述固化后的复合部件包括包含纤维的第一层片和包含纤维的第二层片。将所述第一层片和所述第二层片以彼此叠置的关系定位。将所述第一层片的所述纤维的至少一部分与所述第二层片的所述纤维的至少一部分成角度地定位。将定位在所述固化后的复合部件的所述侧面上的所述至少两个颗粒与所述第二层片关联。该方法进一步包括：去除所述第一层片的至少一部分；以及在所述第一层片的所述至少一部分已从所述固化后的复合部件去除之后拍摄所述至少两个间隔开的颗粒的第二图像。
一个实例是一种用于测量固化后的复合部件的残余应变的系统，该系统包括：包括纤维的第一层片和包括纤维的第二层片，其中所述第一层片和所述第二层片以叠置关系定位，并且所述第一层片的所述纤维的至少一部分与所述第二层片的所述纤维的至少一部分成角度关系。至少两个间隔开的颗粒被定位在与所述第二层片关联的侧面上。该系统进一步包括相机组件，所述相机组件包括两个间隔开的相机，其中每个相机均与所述至少两个间隔开的颗粒光学对准。
已讨论的特征、功能和优点可以在各个实施方式中独立地实现或者可在其他实施方式中组合，其进一步细节可以参考以下描述和附图看到。
附图说明
图1包括用于测量固化后的复合部件的残余应变的方法的流程图；
图2是复合部件的第一实例的局部剖开立体图以及用于测量固化后的复合部件的残余应变的相机；
图3是复合部件的第一实例及图2的相机的立体图，其中第一层片的至少一部分被去除；
图4是复合部件的第二实例的局部剖开立体图以及用于测量固化后的复合部件的残余应变的相机；
图5是图4的复合部件的第二实例的立体图，其中第一层片的至少一部分被去除且第三层片的一部分被去除；
图6是复合部件的第二实例的图4的局部剖开立体图，其中第二层片具有短切纤维；
图7是图4的侧视图，示出了位于一侧上的两个间隔开的颗粒；以及
图8是图5的侧视图，示出了第一层片的至少一部分且第三层片的至少一部分被去除、图7所示的间隔开的颗粒的原始位置以及在去除第一层片和第三层片的至少一部分之后间隔开的颗粒在新部位的位置。
具体实施方式
测量固化后的复合部件的残余应变为设计者和制造者提供了关于复合部件的有益信息。复合部件内的残余应变能够促进破裂的发生并且影响投入使用的复合部件的疲劳性能。如上所述，需要提供这样的方法，即该方法用于测量保留在固化后的组成部件中的、复合部件内的受关注应变梯度场中的残余应变，而没有强加的应变计和钻孔的负担和限制。本文中描述的方法和系统将获得期望的应变场信息，没有强加因关于复合部件采用应变计及钻孔而引起的负担和限制。
本文中描述的方法和系统将释放固化后的复合部件的残余应变并且允许利用数码相机成像来直接测量关注场的残余应变。如将理解的，该方法和系统的使用提供了以下机会：获得全场应变分布的测量结果、高分辨率的测量结果、关注的高梯度应变场的测量结果以及部件表面上的多轴应变测量的测量结果。而且，该方法和系统的使用消除了几何形状限制，因为残余应变测量不受限于应变计的装设或放置。本文中描述的方法和系统在去除复合部件的材料的情况下操作，从而减轻了残余应变的约束并且提供了光学数字成像以促进残余应变的测量。本文中描述的方法和系统的操作提供了获取特定几何形状和序列中的残余应变测量结果的通用性，从而能够测量任何目标几何形状以及关于关注的应变梯度场的残余应变。
参照图1，例如，用于测量固化后的复合部件的残余应变的方法10包括步骤12：用至少两个间隔开的颗粒a和b的数码相机组件13(如图2中看到的，包括间隔开的数码相机15和17)拍摄第一图像。在该实例中，至少两个间隔开的颗粒a和b定位在固化后的复合部件16的侧面14上，侧面14横向于第一表面侧18定位。固化后的复合部件16包括第一层片20，第一层片20包括定位在复合部件16的第一表面侧18上的第一侧22。第二层片24包括第一侧26，第一侧26定位在第一层片20的对置第二侧28上且沿着第一层片20的对置第二侧28。第一层片20包括纤维30并且第二层片24包括纤维32。第一层片20和第二层片24以彼此叠置的关系定位。第一层片20的纤维30的至少一部分与第二层片24的纤维32的至少一部分成角度地定位。在该实例中，第一层片20和第二层片24的纤维30和纤维32分别横向于彼此延伸。至少两个间隔开的颗粒a和b定位在固化后的复合部件16的侧面14上并且与第二层片24关联。在该实例中，两个间隔开的颗粒a和b定位在第二层片24上。
方法10进一步包括步骤34：去除第一层片20的至少部分36(示出为图3中的第一层片20的被去除部分)。如将在本文中更详细讨论的，第一层片20的部分36从复合部件16研磨掉。在去除第一层片20的至少部分36的情况下，由此至少从第一层片20的部分36去除纤维30。第一层片20的部分36的纤维30关于第二层片24的纤维32成角度关系地定位并且将纤维32约束在从固化过程获得的应变位置中。在去除第一层片20的至少部分36(或者，在方法10的一些实例中，去除所有第一层片20)的情况下，相应地去除部分36内的纤维30，从而去除加诸在纤维32上的约束并且允许纤维32松弛且允许纤维32的残余应变反向。反向的残余应变允许复合部件16从在固化期间发生的张力下收缩。
如图2中看到的，在残余应变被约束的情况下的固化后的复合部件16的参照系被示出为至少两个间隔开的颗粒a和b，颗粒a和b定位在复合部件16的侧面14上的第二层片24上。至少两个颗粒a和b的位置是固化后的部件16上的初始基准点，其中第一层片20和第二层片24具有由于使复合部件16固化而引起的应变。由此，借助去除第一层片20的至少部分36的步骤34，已在部分36的此部位处被第一层片20赋予第二层片24的约束被去除。使第二层片24在此部位处松弛，从而允许第二层片24在此部位处从固化过程赋予第二层片24的残余应变反向。结果，如图3中看到的，在去除部分36之前，至少两个颗粒a和b的原始位置分别移向已去除掉部分36的相应新位置a'和b'。
方法10进一步包括步骤38：在去除第一层片20的至少部分36之后，拍摄现在已移向分别使残余应变反向(使第二层片24收缩)的位置a'和b'的至少两个间隔开的颗粒a和b的第二图像。在该实例中，如图2中看到的，在发生拍摄第一图像的步骤12时，将复合部件16初始定位在预定位置中，并且将数码相机组件13定位在第二预定位置中。在该实例中，在完成拍摄第一图像的步骤12的情况下，将复合部件16从预定位置去除。在去除复合部件16的第一层片的至少部分36的情况下，在数码相机组件13已保持在如图3中看到的第二预定位置中同时将复合部件16重新定位在预定位置处。由此，在已执行拍摄第二图像的步骤38的情况下，至少两个颗粒a和b分别向a'和b'的移位表示在去除第一层片20的部分36之前在关注的该应变场内从固化过程保留在复合部件16中的残余应变。结果，如将在本文中讨论的，确定残余应变是利用数码光学相机组件13直接测量并查明的，而没有由应变计和向复合部件16钻孔所强加的限制而造成的负担。
用于测量固化后的复合部件的残余应变的方法10进一步包括：在拍摄第一图像的步骤12之前准备固化后的复合部件16。在该实例中，准备固化后的复合部件16的步骤包括：涂覆复合部件16的侧面14，其在该实例中包括用涂料涂覆第一层片20的边缘和第二层片24的边缘。在施加涂料(这为侧面14提供视觉背景)的情况下，准备复合部件16的步骤进一步包括：将多个颗粒分布到涂料上，其中多个颗粒与涂料在视觉上形成对比。在该实例中，将多个颗粒分布到涂料上的步骤包括：将颗粒喷涂到涂料上。多个颗粒可以包括色调剂以及/或者包括涂料斑点。
可以例如在图7和图8中看到用于将在本文中讨论的复合部件16'的多个颗粒39。涂料(作为背景)和颗粒39之间的视觉对比便于识别至少两个颗粒a和b。可以使用不同的颜色和/或施加的颜色的亮度来实现对比度。当例如去除第一层片20的至少部分36时，将透明涂层施加在涂料和颗粒39之上为颗粒提供了保护。在该实例中，视觉对比采用白色涂料和黑色色调剂颗粒39。
如图3中看到的，在该实例中，在拍摄第一图像的步骤12中，第一层片20的纤维30在横跨固化后的复合部件16的宽度w的第一方向40上延伸，并且第二层片24的纤维32在沿着固化后的复合部件16的长度l的第二方向42上延伸。在该实例中，第二方向42横向于第一方向40。如前所述，借助将纤维30的至少一部分与纤维32的至少一部分成角度地定位来实现维持在第一层片20和第二层片24之间的约束。
在该实例中，第一层片20的纤维30与第二层片24的纤维32成角度并且约束在固化过程期间已赋予复合部件16的应变。该约束可以利用在第一层片20和第二层片24之间沿各种不同方向延伸的纤维实现。纤维的这个角度方向可以以多种不同方式来实现。例如，第一层片20中的单向纤维可以相对于第二层片24中的单向纤维成角度地取向。第一层片20内的编织纤维和第二层片24中的编织纤维可以关于彼此成角度地取向。可以在第一层片20和第二层片24内使用不同的纤维结构，例如，单向纤维可在第一层片20中被采用并且关于第二层片24中的编织纤维成角度地取向。定位在第一层片20和第二层片24内的纤维的各种组合可以提供两个层片的纤维之间需要的角度取向。纤维的附加角度取向也可以利用例如在图6的第二层片24中看到的短切纤维44来实现。在该实例中，沿多个方向延伸的短切纤维44的至少一部分关于将第二层片24夹入其间的层片中的纤维成角度，这将在本文中进一步讨论。在图2和图3所示的实例中，只要第一层片20的纤维的至少一部分与第二层片24内的纤维的至少一部分建立角度关系，就可实现约束。在图2和图3中，可以在第一层片30和第二层片32中的一者或两者中采用短切纤维44。
参照图2，拍摄第一图像的步骤12包括：立体拍摄第一图像以及定位并识别至少两个间隔开的颗粒a和b(在该实例中，位于第二层片24上)。至少两个间隔开的颗粒a和b可以在图2中且例如在图7中看到。在该实例中，如图2中看到的数码相机组件13包括两个间隔开的数码相机15和17，这两个间隔开的数码相机15和17拍摄定位在复合部件16的侧面14上的至少两个间隔开的颗粒a和b的立体图像。在其中使用两个层片20和24的该实例中，有益的是在第二层片24上的某一位置选择至少两个间隔开的颗粒，使得在去除第一层片20的至少部分36的情况下，不会损坏或去除至少两个颗粒a和b。同样有益的是在对准去除第一层片20的至少部分36(如图3中看到)的第一凹部46之内选择至少两个间隔开的颗粒a和b。在采用方法10时，可以选择多对颗粒用于测量关注的选定应变场内的残余应变。
在去除第一层片20的至少部分36(如图3中看到)的步骤34中，其中去除部分36的步骤在该实例中包括：去除比固化后的复合部件16的侧面14的整个长度l小的第一层片20的部分。另外，在该实例中，去除第一层片20的至少部分36的步骤34进一步包括：去除第一层片20的沿着固化后的复合部件16的宽度w的至少一部分。在该实例中，至少第一层片20的部分36包括固化后的复合部件16的整个宽度w，如图3中看到的。应该理解，可以在本文中进行用于测量复合部件16内的残余应变的方法10时去除第一层片20的一部分或所有第一层片20。
去除第一层片20的至少部分36的步骤34包括：使用研磨工具(未示出)，并且在该实例中，从复合部件16的第一层片20研磨掉部分36以及在复合部件16中形成第一凹部46，如图3中看到的。在该实例中，凹部46横跨长度l的一部分且横跨复合部件16的整个宽度w延伸。在已执行去除第一层片20的至少部分36(如图3中看到的)的步骤34的情况下，可以采用步骤38拍摄定位在侧面14上的两个间隔开的颗粒a和b的第二图像。在该实例中，将颗粒a和b定位在固化后的复合部件16的第二层片24上。
在去除第一层片20的至少部分36的情况下，两个间隔开的颗粒a和b现在分别移向位置a'和b'。它们对应于由于固化而最初赋予复合部件16的残余应变的反向移动。结果，确定位置a变为a'且b变为b'并且了解a和b之间的部位差异以及a'和b'之间的当前部位差异，针对固化后的复合部件16在关注的该应变场中测量并且查明确定的残余应变。
参照图4至图6以及图7和图8，本文中关于复合部件16'(包括复合材料的三个叠置层片)示出并讨论了用于测量固化后的复合部件16'的残余应变的方法10。与图2和图3所示的复合部件16的两层片构造(是关于图4至图6以及图7和图8的复合部件16'的三层片构造的类似元件)关联的元件的编号标识将具有相同的编号。参照图4，拍摄第一图像的步骤34包括：复合部件16'具有包括第一侧50的第三层片48，第一侧50定位在第二层片24的对置第二侧52上且沿着第二层片24的对置第二侧52定位，使得第三层片48与第二层片24成叠置关系并且使得第二层片24定位在第一层片20和第三层片48之间。第三层片48包括纤维54，其中第三层片48的纤维54的至少一部分与第二层片24的纤维32的至少一部分成角度关系地定位。用数码相机组件13拍摄第一图像，数码相机组件13具有间隔开的数码相机15和17从而拍摄立体图像。
参照图5，去除第一层片20的至少部分36的步骤34包括：至少第一层片20的被去除的部分36在该实例中形成与至少两个颗粒a和b对准的固化后的复合部件16'中的第一凹部46。去除第一层片20的至少部分36的步骤34进一步包括：去除第三层片48的至少部分56，形成与至少两个颗粒a和b对准的固化后的复合部件16'中的第二凹部58。在该实例中，至少两个颗粒a和b定位在第二层片24上以在去除第一层片20的至少部分36以及去除第三层片48的至少部分56时不被损坏或去除。去除第一层片20的至少部分36以及第三层片48的至少部分56(在图5中看到被去除)的步骤34在该实例中借助用研磨工具研磨第一层片20和第三层片48来实现。
去除第一层片20的至少部分36以及第三层片48的至少部分56的步骤34可以在图5中看到，其中部分36和56已被去除。部分36已被去除且第一层片20的被去除部分小于固化后的复合部件16的侧面14的整个长度l，并且部分56已被去除且第三层片48的被去除部分小于固化后的复合部件16的侧面14的整个长度l。另外，在该实例中，去除第一层片20的至少部分36的步骤34进一步包括：沿着固化后的复合部件16'的宽度w去除第一层片20的至少部分36；并且包括：沿着复合部件16'的宽度w去除第三层片48的至少部分56。在该实例中，第一层片20的至少部分36以及第三层片48的至少部分56包括固化后的复合部件16'的整个宽度w。应该理解，在进行测量残余应变时，第一层片20的一部分或所有第一层片20可以被去除，并且第三层片48的一部分或所有第三层片48可以被去除。在少于所有第一层片20和所有第三层片48被去除且部分36和56被去除的情况下，分别形成在第一层片20和第三层片48中的相应凹部46和58相对于固化后的复合部件16'对称地定位。在该实例中，在已去除第一层片20的至少部分36以及去除第三层片48的至少部分56的情况下，发生拍摄至少两个间隔开的颗粒a和b的第二图像的步骤38。
如前所述将复合部件16定位在预定位置中，在拍摄至少两个颗粒a和b的第一图像时，同样将复合部件16'定位在预定位置中(如图4中看到的)并且将数码相机组件13定位在第二预定位置中。在该实例中，复合部件16'从预定位置移除以分别去除第一层片20和第三层片48的至少部分36和至少部分56并且返回至预定位置(如图5中看到的)，而数码相机组件13保持在图5的第二预定位置中。在复合部件16'处于预定位置中的情况下，借助使用数码相机组件13来完成拍摄至少两个间隔开的颗粒a和b的第二图像的步骤38，数码相机组件13具有与数码相机17间隔开的数码相机15从而拍摄立体图像。
如之前关于复合部件16所讨论的，复合部件16'在固化过程期间同样引起应变，并且至少两个间隔开的颗粒a和b(如图7中看到的)表示复合部件16上的位置，其中复合部件16在固化过程期间因收缩而引起应变。在去除第一层片20的部分36以及第三层片48的部分56的情况下，第一凹部46和第二凹部56处的第二层片24松弛并且残余应变反向，从而将颗粒a和b移向新位置，现在定位在收缩的第二层片24上移向a'和b'(如图8中看到的)。在定位放置回预定位置的复合部件16'时，完成拍摄第二图像的步骤38，并且将颗粒a和b的位置移位到定位在位置a'和b'处的颗粒将是去除复合部件16'的残余应变的结果。
在该实例中，在第一层片20的至少部分36被去除且至少部分56从第三层片48去除的情况下，两个间隔开的颗粒a和b现在分别移向位置a'和b'。两个间隔开的颗粒a和b(如图7和图8中看到的)对应于由于固化最初赋予复合部件16'的残余应变的反向移动。结果，确定位置a变为a'且b变为b'并且了解a和b之间的部位差异以及a'和b'之间的当前部位差异，针对固化后的复合部件16'在关注的该场中测量并且查明确定的残余应变。
如图4中针对复合部件16'所示的实例中看到的，第一层片20的纤维30和第三层片48的纤维54在第一方向40上延伸，并且第二层片24中的纤维32在第二方向42中延伸。如上文关于复合部件16类似讨论的，一方面，第一层片20内的纤维30的至少一部分关于第二层片24的纤维32之间的角度关系以及第三层片48内的纤维54的至少一部分关于第二层片24的纤维32之间的角度关系提供了复合部件16'的残余应变的约束。可以在第一层片20、第二层片24还有第三层片48之间采用如之前讨论的纤维的多种配置，以实现之后可以被释放的残余应变的所需约束。该配置的另一实例示出在图6中，其中第一层片20的纤维30和第三层片48的纤维54在第一方向40上延伸，并且第二层片24中的纤维是在多个方向上延伸的短切纤维44。可以在第一层片20、第二层片24和第三层片48中的一者或多者中采用短切纤维的其他使用配置。
在图4和图5所示的实例中，对第二层片24中的纤维32的约束将在去除第一层片20的部分36以及第三层片48的部分56时被释放。如上文讨论的由于第一层片20中的纤维30和第二层片24中的纤维32之间的角度关系以及第三层片48中的纤维54和第二层片24中的纤维32之间的角度关系而获得约束。可以如上文讨论地利用纤维30、32和54的多种不同布置在第二层片24中实现约束。这些布置包括但不限于使用单向纤维、编织纤维、短切纤维(在多个方向上延伸)以及如上文讨论的成角度地布置在层片之间的这些布置的组合。
进一步包括一种用于测量固化后的复合部件的残余应变的系统，固化后的复合部件包括：第一层片20，第一层片20包括定位在固化后的复合部件16的第一表面侧18上的第一侧22；以及第二层片24，第二层片24包括定位在第一层片20的对置第二侧28上且沿着第一层片20的对置第二侧28定位的第一侧26，其中第一层片20和第二层片24以彼此叠置的关系定位。第一层片20包括纤维30并且第二层片24包括纤维32，其中第一层片20的纤维30的至少一部分与第二层片24的纤维32的至少一部分成角度关系。至少两个间隔开的颗粒a和b定位在与第二层片24关联的侧面14上。进一步，所述系统包括相机组件13，相机组件13包括两个间隔开的数码相机15和17，其中每个相机与至少两个间隔开的颗粒a和b光学对准。另外，所述系统进一步包括与第一层片20关联的研磨工具(未示出)，用于去除与至少两个间隔开的颗粒a和b对准的第一层片20的至少部分36。本文中描述的系统便于测量固化后的复合部件16的残余应变。
虽然上文已经描述了各个实施方式，但是本公开并不意在限于各个实施方式。可以对所公开实施方式作出变型而仍在随附权利要求书的范围内。