一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置及其检测方法与流程

1.本发明涉及运载工具安全技术领域，更具体的是，本发明涉及一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.粘接作为一种新型连接工艺随着材料科学的快速发展，在各种现代运载工具上的应用日益广泛。例如乘用车的前后风档、公路客车与轨道列车的车窗、车辆及飞机上的各种复合材料部件普遍采用粘结或以粘接为基础的复合连接工艺。
3.粘接作为新型连接工艺虽有其一系列独特的优点，但目前的粘接剂绝大多数为高分子材料，与传统金属材料的最大差别是会随使用时间的累积发生老化，导致各项性能指标不同程度的下降，在运载工具的服役过程中粘接结构在粘接界面发生失效的情况时有发生，对运载工具的安全运行造成不同程度的影响，特别是对高速列车、飞机及其它高速运载工具，可能造成严重后果。
4.因此，亟需研发一种能在运载工具服役期间对其粘接结构进行实时监控或定期检测的粘接结构健康监控检测装置，这对确保含有粘接结构的运载工具的运行安全具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是设计开发了一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置，能够在运载工具服役期间对其粘接结构的健康状态实现离线检测，提高了实用性的同时实现无损检测。
6.本发明还设计开发了一种运载工具粘接结构健康状态离线检测方法，基于粘接结构的局部动力学特性，实现对运载工具粘接结构的健康状态离线检测的同时，不会对粘接结构造成任何损伤。
7.本发明提供的技术方案为：
8.一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置，包括：
9.至少一个加速传感器，其设置在被测运载工具粘接结构上；
10.加速度采集转换模块，其与所述至少一个加速传感器相连接，用于信号的转换和多个参数的运算处理；
11.扫频式激振器；
12.力传感器，其一端固定于所述扫频式激振器的激振头上，另一端可选择的设置在所述被测运载工具粘接结构上或至少一个加速传感器上；
13.激振力采集转换模块，其与所述力传感器相连接；
14.激振器驱动模块，其与所述扫频式激振器相连接，用于为所述扫频式激振器提供扫频驱动信号；
15.主控制器，其与所述加速度采集转换模块、激振力采集转换模块和激振器驱动模
块相连接，用于信号的传输和指令的下达；
16.计算机分析系统，其与所述主控制器相连接，用于数据的存储和查询；
17.其中，所述至少一个加速传感器通过磁力扣、无痕胶或真空吸盘设置在所述被测运载工具粘接结构上。
18.优选的是，所述至少一个加速传感器和力传感器均为侧出线传感器。
19.优选的是，还包括：
20.缓冲件，其设置在所述力传感器和被测运载工具粘接结构之间。
21.优选的是，所述扫频式激振器的加载方式为手持加载或机械臂加载。
22.一种运载工具粘接结构健康状态离线检测方法，使用所述的运载工具粘接结构健康状态离线检测装置，包括如下步骤：
23.步骤一、选取n个基准样本，在所述n个基准样本上选定相同的m个检测点；
24.步骤二、依次单独对检测点施加不同频率的激励，分别计算n个基准样本上所有检测点的幅频特性数据：
25.δ
ij
(f)＝u
ij
(f)/f
ij
(f)；
26.式中，δ
ij
(f)为第i个基准样本上第j个检测点的幅频特性数据，u
ij
(f)为第i个基准样本上第j个检测点的位移幅值随扫频频率f的变化规律，f
ij
(f)为第i个基准样本上第j个检测点的激励载荷幅值随扫频频率f的变化规律，i＝1～n，j＝1～m；
27.步骤三、将所述幅频特性数据按照检测点分为m组，每组包含n个基准样本的幅频特性数据，建立m个扫频频率坐标系，并提取第j个检测点对应的n条幅频特性数据的上包络线cj(f)和下包络线dj(f)，且[dj(f)-δj,cj(f)+jδ]为第j个检测点的幅频特性健康区间；
[0028]
其中，δj为包络线偏移量，所述扫频频率坐标系为二维直角坐标系，横坐标为扫频频率，纵坐标为幅频特性数据；
[0029]
步骤四、对实际应用中的运载工具粘接结构选定与基准样本上相同的检测点，并获得所有检测点的实时幅频特性数据：
[0030]
若所有检测点的实时幅频特性数据均在幅频特性健康区间内，则所述运载工具粘接结构处于健康状态；
[0031]
若0＜x
t
＜10％xs且δrk＜10％δf，则所述运载工具粘接结构存在安全隐患，将检测周期缩短至初始检测周期的一半，继续检测；
[0032]
其中，x
t
为超出幅频特性健康区间的检测点的数量，xs为检测点的总数量，δrk为超出幅频特性健康区间的第k个检测点的超出幅度，δf为对应扫频频率的上包络线和下包络线差值：
[0033]
δf＝dj(f)-cj(f)；
[0034]
若x
t
≥10％xs或δrk≥10％δf，则所述运载工具粘接结构处于失效风险情况。
[0035]
优选的是，所述检测点的选取具体包括：
[0036]
将被测运载工具粘接结构的边界划分为直线段和曲线段，选取粘接结构的形心、每个直线段的中点和每个曲线段的中点作为检测点，并且当边界由两段及两段以上的曲线构成时，将每段基本曲线划分为一段后再选取检测点。
[0037]
优选的是，所述包络线偏移量满足：
[0038][0039]
式中，nf为设计安全系数，n
l
为失效后的风险系数，l＝1～5，nc为维修成本系数，ng为基准样本实验数据的置信度。
[0040]
优选的是，所述失效后的风险系数满足：
[0041]
n1＝0.8～1；
[0042]
n2＝0.6～0.8；
[0043]
n3＝0.4～0.6；
[0044]
n4＝0.2～0.4；
[0045]
n5＝0.0～0.2；
[0046]
其中，n1为最高风险级，n2为高风险级，n3为中风险级，n4为低风险级，n5为无风险级。
[0047]
优选的是，所述维修成本系数满足：
[0048]
当ω＞10％z时，nc＝1.0；
[0049]
当ω≤10％z时，
[0050]
式中，w为维修成本，z为设备总价。
[0051]
本发明所述的有益效果：
[0052]
(1)、本发明设计开发的一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置，采用离线监控检测方式，相比在线实时监控检测，成本非常低廉，仅少量的几套装置即可对同类运载工具的同类粘接结构进行全覆盖地监控检测，检测装置小巧轻便、易于携带运输，且对被检测结构无任何损伤。
[0053]
(2)、本发明设计开发的一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置，由于传感器与被测结构有多种形式安装布置方案，可适应多种不同材质的粘接结构健康状态监控检测。
[0054]
(3)、本发明设计开发的一种运载工具粘接结构健康状态离线检测方法，能基于粘接结构的局部动力学特性，对各类车辆、舰船及飞机等运载工具粘接结构的健康状态进行离线监控检测，简单易行，且不会对粘接结构造成任何损伤。
附图说明
[0055]
图1为本发明所述运载工具粘接结构健康状态离线检测装置的结构示意图。
[0056]
图2为本发明所述实施例中检测点的位置示意图。
具体实施方式
[0057]
下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0058]
如图1所示，本发明提供的一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置包括：
[0059]
加速传感器110、力传感器120、扫频式激振器130、加速度采集转换模块140、激振力采集转换模块150、激振器驱动模块160、主控制器170和计算机分析系统180，所述加速传
感器110设置在被测运载工具粘接结构上；且所述加速传感器110通过信号线和所述加速度采集转换模块140相连接，用于信号的转换和多个参数的运算处理；力传感器120的一端固定于扫频式激振器130的激振头131上，另一端既可以设置在所述被测运载工具粘接结构上也可以设置在加速传感器110上；激振力采集转换模块150通过信号线与所述力传感器120相连接；激振器驱动模块160通过驱动信号线与所述扫频式激振器130相连接，用于为所述扫频式激振器130提供扫频驱动信号；主控制器170与所述加速度采集转换模块140、激振力采集转换模块150和激振器驱动模块160相连接，一方面为激振器驱动模块160提供扫频控制信号，另一方面采集加速度采集转换模块140和激振力采集转换模块150的输出数据并通过计算机接口传输数据，用于信号的传输和指令的下达；计算机分析系统180与所述主控制器170相连接，用于数据的存储和查询。
[0060]
在进行健康状态的检测时，力传感器120和加速传感器110既可以都设置在检测点上，即力传感器120设置在加速传感器110的上部，也可以加速传感器110设置在检测点上，力传感器120设置在与检测点相近的被测运载工具粘接结构上。
[0061]
其中，所述加速传感器110可以是1个或多个，且所述加速传感器110为侧出线传感器，所述加速传感器110底面根据被测结构材料特点采用磁力座、无痕胶或真空吸盘等不同方式安装于被测运载工具粘接结构上，顶面可根据需要施加振动激励。
[0062]
所述力传感器120为侧出线传感器，且在所述力传感器120和被测运载工具粘接结构之间设置有具有适当厚度和弹性的缓冲件190，在本实施例中，所述缓冲件190为缓冲垫片，以避免加载振动载荷时对被测结构表面造成损伤。
[0063]
所述加速度采集转换模块140除具有加速度的信号的放大和a/d转换功能外，还可以具有加速度幅值、速度幅值及位移幅值的快速运算处理等功能，但不局限于上述功能；
[0064]
在本实施例中，所述扫频式激振器130根据激振载荷可采用手持加载方式或机械臂加载方式。
[0065]
本发明设计开发的一种运载工具粘接结构健康状态离线检测装置，采用离线监控检测方式，相比在线实时监控检测，成本非常低廉，仅少量的几套装置即可对同类运载工具的同类粘接结构进行全覆盖地监控检测，检测装置小巧轻便、易于携带运输，且对被检测结构无任何损伤，同时，由于传感器与被测结构有多种形式安装布置方案，可适应多种不同材质的粘接结构健康状态监控检测。
[0066]
本发明还提供一种运载攻击粘接结构健康状态离线检测方法，使用所述的运载工具粘接结构健康状态离线检测装置，包括如下步骤：
[0067]
步骤一、选取n个基准样本，在所述n个基准样本上选定相同的m个检测点；
[0068]
其中，所述基准样本和检测点的选取包括：
[0069]
选取n个新出厂的质量合格粘接结构作为基准样本，用于提取参考基准数据，建立被检测结构健康标准，用i表示基准样本的编号，i＝1～n。理论上样本量越大，所建立的健康诊断标准的有效性性越高，研究初期可以取n＝5～10，更多的样本可以在实际检测过程中逐步积累完善；
[0070]
根据所选被检测粘接结构的尺寸、形状、材料特点及安全要求，在结构的粘接边界选取适当位置作为检测点，具体选取方式为：
[0071]
通常情况可将粘接结构的边界划分成直线段和曲线段，分别在每个直线段和曲线
段的中点，选取一个检测点，但要注意，两段或两段以上曲线构成的曲线边界，应将每段基本曲线划分成一段；此外被测运载工具粘接结构的形心位置设置一个检测点。
[0072]
对选定的m个检测点进行编号，标记各检测点的位置，保存记录定位信息，用j表示检测点编号，j＝1～m；
[0073]
步骤二、依次单独对选定检测点施加不同频率的激励，分别采集测量激励载荷与检测点的加速度、速度及位移相应随频率的变化规律，并由主控制器将所测数据导入计算机分析系统中，按被测基准样本结构编号i与检测点编号j存入对应的数据库；
[0074]
在整个扫频范围内，即(fa,fb)区间，分别计算提取m个测点共n个基准样本的位移幅值与激励载荷幅值随扫频频率f的变化规律u
ij
(f)和f
ij
(f)，对应每个检测点j共n组数据(曲线)，既可以直接用数值表示，也可以拟合成变化规律函数；
[0075]
分别计算n个基准样本上所有检测点的幅频特性数据：
[0076]
δ
ij
(f)＝u
ij
(f)/f
ij
(f)；
[0077]
式中，δ
ij
(f)为第i个基准样本上第j个检测点的幅频特性数据，u
ij
(f)为第i个基准样本上第j个检测点的位移幅值随扫频频率的变化规律，f
ij
(f)为第i个基准样本上第j个检测点的激励载荷幅值随扫频频率的变化规律；
[0078]
步骤三、将所述幅频特性数据按照检测点编号分为m组，每组包含n个基准样本的幅频特性数据，建立m个扫频频率坐标系，将同一检测点j对应n个基准样本的n条幅频特性数据(曲线)描绘到同坐标系中，并提取第j个检测点对应的n条幅频特性数据的上包络线cj(f)和下包络线dj(f)，且[dj(f)-δj,cj()f+δ]j为第j个检测点的幅频特性健康区间；
[0079]
其中，δj为包络线偏移量，所述扫频频率坐标系为二维直角坐标系，横坐标为扫频频率，纵坐标为幅频特性数据；
[0080]
包络线偏移量通常要根据粘接结构设计的安全系数、粘接结构失效后的危害程度(风险系数)、维修成本(成本系数)及基准样本实验数据的置信度等多种因素综合确定，具体满足：
[0081][0082]
式中，nf为设计安全系数，n
l
为失效后的风险系数，l＝1～5，nc为维修成本系数，ng为基准样本实验数据的置信度；
[0083]
所述失效后的风险系数满足：
[0084]
n1＝0.8～1；
[0085]
n2＝0.6～0.8；
[0086]
n3＝0.4～0.6；
[0087]
n4＝0.2～0.4；
[0088]
n5＝0.0～0.2；
[0089]
其中，n1为最高风险级，指一旦失效将对运载工具或周边人员造成致命性伤害；n2为高风险级，指一旦失效随对运载工具或周边人员造成一定程度致伤害，但不致命，同时会伴随重大经济或财产损失；n3为中风险级，指一旦失效随对运载工具或周边人员仅会带来轻度伤害，并伴随一定程度的经济或财产损失；n4为低风险级，指一旦失效随对运载工具或周边人员不会造成伤害，同时会伴随轻微的经济或财产损失；n5为无风险级，指一旦失效仅
影响外观，既无人员伤害也不会造成任何额外的损失。
[0090]
所述维修成本系数满足：
[0091]
当ω＞10％z时，nc＝1.0；
[0092]
当ω≤10％z时，
[0093]
式中，w为维修成本，z为设备总价。
[0094]
步骤四、对实际应用中的运载工具粘接结构选定与基准样本上相同的检测点，并获得所有检测点的实时幅频特性数据：
[0095]
若所述检测点的实时幅频特性数据均在幅频特性健康区间内，则所述运载工具粘接结构处于健康状态；
[0096]
在大多数情况下，若0＜x
t
＜10％xs且δrk＜10％δf，则所述运载工具粘接结构存在安全隐患，但不会导致失效，只需将检测周期缩短至初始检测周期的一半，继续进行检测；
[0097]
其中，x
t
为超出幅频特性健康区间的检测点的数量，xs为检测点的总数量，δrk为超出幅频特性健康区间的第k个检测点的超出幅度，δf为对应扫频频率的上包络线和下包络线差值：
[0098]
δf＝dj(f)-cj(f)；
[0099]
即超出幅频特性健康区间的检测点数量低于检测点总数量的10％，且所有超出健康区间的检测点超出的幅度低于对应频率f上下包络线差值的10％，表示存在安全隐患，但不会导致失效，只需将检测周期缩短至初始检测周期的一半，继续进行检测；
[0100]
若x
t
≥10％xs或δrk≥10％δf，则所述运载工具粘接结构处于失效风险情况，表示失效风险较高，建议拆下重新粘接，如想继续使用，需借助有限元分析或局部模型等效试验等手段，进行更细致精准的评估。
[0101]
在实际实施时，所述包络线的提取可以直接以数值形式提取。
[0102]
在所述步骤四中，可以用一个加速传感器逐检测点移动方式采集(检测)，也可以同时在每个检测点上各布置一个加速传感器，采用单纯移动扫频激振器的方式进行，采用多个加速传感器可以获得更多的数据，可以进行有效地评价，但检测设备的成本会提高，健康评价的数据存储量和计算工作量也会相应增加，实际实施时可根据具体要求选择。
[0103]
在另一种实施例中，首先选取10个健康车窗结构，其中包括：车体结构200、车窗玻璃210和车窗玻璃与车体结构粘接界面(区域)220，分析结构边界特点不难发现，该局部结构边界由4段直线边界和4段曲线边界，可以将局部结构的形心、4段直线边界的中点和4段曲线边界的中点作为检测点，共9个检测点，标注好测点编号和位置：中心检测点位置、上方直边中点检测点位置、右侧直边中点检测点位置、下方直边中点检测点位置、左侧直边中点检测点位置、左上角曲边中点检测点位置、右上角曲边中点检测点位置、右下角曲边中点检测点位置和左下角曲边中点检测点位置，并记录定位信息，按照方法中的步骤，建立健康诊断标准，作为实际检测的依据；
[0104]
实际检测时，可根据被检测粘接结构在实际服役情况下出现实效最短失效时间x小时，确定一个初始的检测周期，通常可取小时；
[0105]
然后按本发明方法标记记录的检测点，对各检测点进行数据采集，并提取各测点的幅频特性数据后与健康标准比较，诊断评鉴粘接结构当前的健康状态；
[0106]
虽然初期用于建立健康标准的样本数量可能较少，可以在实际检测中不断补充完善，即实际检测中满足初期健康标准的数据，都可以补充为基准样本，随着补充的基准样本数量的逐步增加，其检测的有效性也会随之提高。
[0107]
本发明设计开发的一种运载工具粘接结构健康状态离线检测方法，能基于粘接结构健康状态的局部动力学特性，通过统计分析，建立健康评价标准，实际检测时，将被检测结构的局部动力学特性与健康评价标准进行对比，进而对各类车辆、舰船及飞机等运载工具粘接结构的健康状态进行离线监控检测，且不会对粘接结构造成任何损伤。
[0108]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。