申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2022-03-29

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN114778700B

主分类号：G01N29/14

分类号：G01N29/14;G01N33/44;G01B11/24;G06T7/521;B29C73/24;B29C73/26;B29C73/34;B29C64/118;B29C64/20;B33Y30/00

优先权：["20210401 CN 2021103539470"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2022.08.09#实质审查的生效;2022.07.22#公开

摘要：装备轻量化迅速发展，热塑性复合材料应用越来越广。但是，目前在热塑性复合材料零部件的运行监测和维修方面，自动化程度较低。因此，本发明提出一种热塑性复合材料结构的损伤监测及在线维修系统，属于新材料和智能制造技术领域，包括热塑复材结构损伤识别及定位和评估子系统、声发射传感器、损伤识别和评估系统、损伤定位系统、三维激光扫描仪、热塑复材结构损伤区域预处理子系统、热塑复材结构损伤区域维修子系统等，实现损伤的识别和定位后使用3D打印技术进行损伤区域的维修，可解决传统检修方法的费时、效率低、自动化程度低等问题，能够应用于矿用设备、海上平台、飞机等设备，特别适合有毒有害危险环境中的维修。

主权项：1.一种热塑性复合材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于，包括热塑复材结构损伤识别及定位和评估子系统、声发射传感器、低噪声信号线、前置放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统、损伤定位系统；热塑复材结构损伤区域扫描成像子系统、三维激光扫描仪、计算机、需修补区域的模型；热塑复材结构损伤区域预处理子系统、损伤区域预处理控制系统、除污装置、加热装置；热塑复材结构损伤区域维修子系统、熔融沉积3D打印控制系统、供料盒、喷头控制模块、滚动辊、材料丝、喷头、熔融沉积材料；热塑复材结构损伤区域维修后处理子系统、维修后残余应力消除系统、维修后表面处理系统；含损伤热塑复材部件、损伤区域、机械手、待修的热塑复材结构、修中的热塑复材结构、修后的热塑复材结构；所述热塑复材结构损伤识别及定位和评估子系统，由声发射传感器、低噪声信号线、前置放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统和损伤定位系统组成；声发射传感器的具体型号根据使用环境而定，声发射传感器采用圆柱形阵列布置，即在含损伤热塑复材部件的表面或近表面成上圆周阵列和下圆周阵列布置，从而形成一个圆柱形，相比于目前的方形和菱形布置形式，圆柱形布置的监测范围更大，更为立体，与圆柱坐标系配合使用，实现损伤的精确定位；声发射传感器通过低噪声信号线或无线通讯方式与前置放大器连接，信号经过放大后传至信号采集分析装置，信号采集分析装置对信号进行滤波，对滤波后的波形信号进行分析得到不同传感器通道的波达时刻和振幅；损伤识别和评估系统将振幅与预先设定的损伤阈值进行比较，超过阈值即表示损伤已经产生，当振幅是阈值的1.5倍时，就需要对损伤区域进行维修了；损伤定位系统根据不同传感器通道的波达时刻的差值、声发射传感器的空间坐标和声速来计算判断损伤的位置；所述热塑复材结构损伤区域扫描成像子系统，由三维激光扫描仪、计算机和需修补区域的模型组成，主要功能是对损伤区域进行扫描成像和建模；三维激光扫描仪得到损伤定位系统传来的损伤位置信息后，对含损伤热塑复材部件上的损伤区域进行激光扫描，在计算机中创建损伤区域几何表面的点云，使用这些点云数据插值建成损伤区域的三维模型，与计算机中存储的热塑性复合材料结构完整模型做布尔运算，得到需修补区域的模型，将需修补区域的模型转化为3D打印可识别的STL格式文件，得到需修补区域的模型；所述热塑复材结构损伤区域预处理子系统，由损伤区域预处理控制系统、除污装置和加热装置组成，主要功能是对需修补的损伤区域进行清理和预热处理；首先，损伤区域预处理控制系统控制除污装置使用钢丝刷子对机械手抓取的待修的热塑复材结构上的损伤区域进行刷擦，使损伤区域的复合材料表面粗糙化，使3D打印维修时熔融沉积材料在损伤区域表面附着，与复合材料结构的紧密结合；然后，损伤区域预处理控制系统控制除污装置对损伤区域压缩空气，压缩空气的气压在0.1-0.3MPa之间，清理损伤区域表面的灰尘和杂质；最后，损伤区域预处理控制系统控制加热装置采用红外线加热的方式，对损伤区域的复合材料进行预热，为了方便于工程应用和提高3D打印的熔融材料与损伤区域复合材料的结合强度，预热温度Tp，单位：摄氏度℃的数值是复合材料中的热塑性基体聚合物材料的玻璃化转变温度Tg，单位：摄氏度℃与熔点温度Tm，单位：摄氏度℃的平均值加上10℃，即Tp＝Tg+Tm2+10；所述热塑复材结构损伤区域维修子系统，由熔融沉积3D打印控制系统、供料盒、喷头控制模块、滚动辊、材料丝、喷头和熔融沉积材料组成；熔融沉积3D打印控制系统对需修补区域的模型进行切片处理，根据各层切片的平面几何信息生成喷头控制模块的数控运动指令；供料盒中存放有短玻纤增强尼龙复合材料、连续玻纤增强尼龙复合材料、短碳纤增强尼龙复合材料、连续碳纤增强尼龙复合材料、短玻纤增强聚丙烯复合材料、连续玻纤增强聚丙烯复合材料、短碳纤增强聚丙烯复合材料、连续碳纤增强聚丙烯复合材料的熔融沉积3D耗材，形状为丝状，方式为圆盘形卷材，这些圆盘形卷材圆周阵列排布，满足不同种类结构的用材需求，提高维修系统的适应性和通用性；需要使用某一种热塑性复合材料时，供料盒旋转，将这种材料转到出料口，滚动辊中的主动辊逆时针转动，从动辊顺时针转动，从而将这种复合材料的材料丝拉出，输送到喷头内，喷头中设置的电驱动线材驱动轮将材料丝挤出到带有加热器的加热通道，加热到熔融状态从喷嘴挤出，形成熔融沉积材料；随着喷头的运动，熔融沉积材料落在已经预热的复合材料损伤区域中，在损伤区域扫描并逐层堆积熔融沉积的热塑性复合材料丝材，直至在损伤区域完成需修补区域的模型的3D打印，然后固化成型，完成损伤区域的修补工作。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 北京航空航天大学 一种热塑性复合材料结构的损伤监测及在线维修系统

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