用于测试材料系统的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及材料测试，更具体而言，涉及一种用于测试材料系统的系统和 方法，其中采用机械位移循环替代借助热循环进行的材料效应的评测。
【背景技术】
[0002] 由于环境应力，表面材料及其他终饰系统（finish system)，诸如涂层、附饰和/ 或紧固件界面，会在多种结构上发生开裂。终饰系统中产生的开裂会向底层结构扩展，从而 形成容许湿气或其他环境成分进入的通道，这导致终饰系统及其所保护结构的功能退化和 腐蚀。在很多场合中，必须测试材料系统（例如底层结构和终饰系统）的耐用性，以确保终 饰系统能经受其所处的环境。材料系统的测试包括使底层结构和/或终饰系统经受热循环 (例如，通常以相对较高的变化率在两个温度限值之间的循环）的过程。对材料系统进行温 度循环，以确保在终饰系统的期望寿命内，即使不同材料系统的不同热膨胀系数或物理性 质上的其他变化不匹配，也不会发生开裂。
[0003] 例如，在航空工业中，用于铝和/或复合结构的终饰系统（例如，防护性涂层和/ 或紧固件界面）的质量必须足够高，以确保它们能在材料系统和/或终饰系统的整个寿命 内足以防护底层结构（例如，飞行器）不受所处严苛环境的破坏。为此所设计的热循环测 试，用于在整个设计寿命内模拟所经受的环境应力，其既费时又费钱。因此，难以对大量具 有不同材料参数的潜在待选材料系统进行筛选而用于终饰系统。
[0004] 此外，可利用环境腔室来对待选材料系统进行测试，该环境腔室重现了底层结构 和终饰系统所经受的湿度和温度。操作环境腔室来筛选有效的潜在终饰系统则进一步增加 了费用和时间。
[0005] 例如，在材料系统的热筛选中，终饰系统的完全定性就要花上几个月的时间。其部 分原因在于，许多终饰系统的多层特性，而且有大量参数需要考虑和优化。在选定待选材料 系统之后，单独一个热循环（例如，足以使终饰系统膨胀和收缩的循环）就可能花上数个小 时。多个热循环构成一个测试单元（例如，1个测试单元=400个热循环）。有效地模拟待 选材料系统（例如，底层结构和/或终饰系统的设计）的通用服务寿命，和/或在出现开裂 之前，需要重复进行多个测试单元。
[0006] 因此，采用传统的测试方法，即使进行一个潜在待选终饰系统的筛选也是耗时耗 力的，而且成本也很高。
[0007] 因此，本领域技术人员一直在材料测试领域、特别是在表面终饰系统的开裂测试 领域内进行研宄和开发。
【发明内容】
[0008] 在一个方面中，本公开系统提供一种用于测试材料系统的系统，其包括：支撑 结构，该支撑结构用于安装所述材料系统；以及电动机械装置，该电动机械装置可操作 地连接至所述支撑结构；其中，所述电动机械装置向所述材料系统施加电动机械致力 (electromechanical-induced force)，而且其中，所述电动机械致力在所述材料系统中引 起位移，其中校准该电动机械致力，使其等效于热应力引起的位移。
[0009] 1.根据一个方面，提供一种用于测试材料系统的系统，其包括：支撑结构，该支撑 结构用于安装所述材料系统；以及电动机械装置，该电动机械装置可操作地连接至所述支 撑结构，其中，所述电动机械装置向所述材料系统施加电动机械致力，使得所述材料系统中 发生位移。
[0010] 2.有利的是，所述位移是沿着至少一个正交方向的。
[0011] 3.有利的是，所述电动机械装置包括压电转换器。
[0012] 4.有利的是，所述系统还包括至少一个传感器，该传感器用于收集与所述材料系 统的状况有关的信息。
[0013] 5.有利的是，所述系统还包括处理器，该处理器用于分析与所述材料系统的所述 状况有关的所述信息。
[0014] 6.有利的是，所述系统还包括能够封闭的测试腔，其中，所述能够封闭的测试腔控 制至少一个环境参数，并且所述支撑结构和所述材料系统定位在所述测试腔内。
[0015] 7.有利的是，所述系统还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器定位在所述 测试腔内，其中所述至少一个传感器收集与所述材料系统的状况有关的信息。
[0016] 8.有利的是，所述至少一个传感器收集与所述测试腔内的环境状况有关的信息。
[0017] 9.有利的是，所述系统还包括处理器，该处理器用于分析与所述材料系统的所述 状况有关的信息以及与所述测试腔内的所述环境状况有关的信息。
[0018] 10.有利的是，所述系统还包括控制器，该控制器与所述电动机械装置通信，其中， 所述控制器控制所述电动机械致力的至少一个力参数。
[0019] 11.有利的是，所述系统还包括至少一个材料支架，其中所述材料支架构成为与所 述材料系统接合，且其中所述电动机械装置可操作地连接至所述材料支架。
[0020] 12.有利的是，所述支撑结构包括第一材料支架和第二材料支架，所述第一材料支 架和所述第二材料支架之间间隔开以限定一间隙，所述材料系统跨越所述间隙，并且所述 压电转换器可操作地连接至所述第一材料支架和所述第二材料支架中的至少一个，以使所 述第一材料支架和所述第二材料支架相对彼此进行位移。
[0021] 13.有利的是，所述材料系统包括底层结构和限定了防护性涂层体系的至少一个 涂层。
[0022] 14.有利的是，所述材料系统包括底层结构和限定了紧固件交界体系的至少一个 紧固件。
[0023] 在另一方面中，公开了一种用于测试材料系统的方法，该方法可包括如下步骤： (1)将材料系统安装到支撑结构上，（2)向材料系统施加电动机械致力，其中所述电动机械 致力引起所述材料系统的位移，以及（3)维持所述电动机械致力。
[0024] 15.根据本公开的另一方面，提供一种用于测试材料系统的方法，该方法包括：向 所述材料系统施加电动机械致力，其中，所述电动机械致力引起所述材料系统的位移；以及 维持所述电动机械致力。
[0025] 16.有利的是，所述维持步骤包括调节所述电动机械致力的至少一个力参数。
[0026] 17.有利的是，所述方法还包括向所述材料系统施加至少一个环境参数。
[0027] 18.有利的是，所述方法还包括在所述维持步骤中监控所述材料系统的状况。
[0028] 19.有利的是，所述维持步骤包括在预定数量的循环内维持所述电动机械致力。
[0029] 20.可选的是，其中所述维持步骤维持所述电动机械致力，直到所述材料系统中发 生破坏。
[0030] 21.有利的是，所述方法还包括在所述维持步骤之后接受所述材料系统和弃用所 述材料系统二者中的至少一者。
[0031] 通过以下的详细描述、附图以及权利要求将使用于测试材料系统的本发明系统和 方法其他方面更加清楚。
【附图说明】
[0032] 图1为材料系统的剖面中的热致应力和机械致应力的示例图；
[0033] 图2为用于测试材料系统的本发明系统的一个实施方式的示意图；
[0034] 图3为本发明系统的另一实施方式的示意图；
[0035] 图4为本发明系统的另一实施方式的示意图；
[0036] 图5为材料系统的一个实施例的示意图；
[0037] 图6为用于测试图5的材料系统的本发明系统的示例性实施方式的示意图；
[0038] 图7为图6的系统的俯视和前视立体图；
[0039] 图8为图6的系统的俯视和前视立体图；
[0040] 图9为材料系统的另一实施例的示意图；
[0041]图10为用于测试图9的材料系统的本发明系统的另一示例性实施方式的示意 图；
[0042] 图11为图10的系统的俯视和前视立体图；
[0043] 图12为图10的系统的仰视和前视立体图；
[0044] 图13为用于测试材料的本发明方法的一个实施方式的流程图；
[0045] 图14为飞行器制造和维护方法的流程图；以及
[0046] 图15为飞行器的框图。
【具体实施方式】
[0047] 以下将参照示出了本公开各具体方面的附图作详细描述。具有不同结构和操作方 式的其他实施方式也落入本公开的范围内。在各附图中，用相同的附图标记表示相同的元 件或部件。
[0048] 本发明意识到并考虑了以下因素：材料系统的热循环将导致差异化的膨胀（例 如，热位移），使得材料系统中产生应力。例如，热循环会导致材料系统产生"上下"运动（例 如，在表面交界处或在紧固件的外周处）。这一由热位移引起的运动效应大体上等效于由可 机械地重现的机械位移引起的运动效应。因此，材料系统的机械循环将导致材料系统发生 机械位移，该机械位移产生的应力大体上等效于热位移在材料系统中产生的应力。
[0049] 图1示出了在热位移（例如，由于热循环而引起的）和大致等效的机械位移（例 如，由机械循环引起的）的作用下，材料系统的截面（例如，厚度截面）的Von Mises(VM) 示例图150。示例图150示出了 VM应力与任意单位（ARB单位）的截面距离之间的关系。
[0050] 例如，线152表示经受了约为30K的温度变化（"DT"）以及约为10微米（um)的 热位移的热循环的示例性材料系统的截面的VM应力。线154表示经受了约为120K的温度 变化（"DT"）以及约为39微米（um)的热位移的热循环的示例性材料系统的截面的VM应 力。线156表示经受了具有约为260K的温度（"T"）以及约为25微米的机械位移的机械 循环的示例性材料系统的截面的VM应力。线158表示经受了具有约为260K的温度（"T"） 以及约为35微米的机械位移的机械循环的示例性材料系