结构部件和用于评估结构部件中的应变的方法技术

本发明专利技术涉及结构部件和用于评估结构部件中的应变的方法。结构部件可具有在结构部件内的衍射腔的几何图案，其中几何图案中的衍射腔均具有腔宽度并以腔间隔距离彼此间隔开。该方法可包括将电磁(EM)能量的投射射束投射穿过结构部件到达衍射腔的第一几何图案，以形成EM能量的衍射射束，该EM能量的衍射射束被衍射腔的几何图案反射或透射穿过该衍射腔的几何图案并具有衍射波长，衍射波长指示由于当结构部件被暴露于环境条件时造成的应变而引起的腔间隔距离的变化；检测衍射射束的衍射波长；并且将衍射射束的衍射波长与结构部件中的应变关联。

【技术实现步骤摘要】
结构部件和用于评估结构部件中的应变的方法
本公开总体上涉及结构部件的非破坏性检查(NDI)，并且更具体地，涉及利用结构部件内的衍射腔的几何图案检测暴露于环境条件而引起的结构部件中的应变的系统和方法，该结构部件衍射不可见电磁(EM)能量以产生被结构部件反射或透射的EM能量的波长的可检测到的变化，该变化指示了结构部件中的应变。
技术介绍
诸如商用车、制造设备和其他工业系统这样的许多机械系统可被暴露于诸如振动、极端温度、冲击和机械应力这样的特别剧烈的环境条件。例如，即使在地面上，飞机也可在货物装卸期间承受巨大的应力以及来自支援车辆和地面支援设备的冲击。在飞行期间，起飞和降落期间，可能因货物移位或固定不当、飞行期间与物体的撞击等而导致应力和/或冲击。另外，某些结构部件在暴露于高温时会承受热应力。例如，某些复合材料会受到热降解的影响，从而会损害复合材料的机械性能，这些机械性能包括挠曲强度、冲击后的压缩以及层间剪切强度，还有其他机械性能。因此，通常在各种工业系统的所选择部件的使用寿命期间对部件进行例行检查和评估。一个或更多个结构部件的完整性会被损害，而没有环境条件对部件的影响的伴随的视觉可检测到的指示。因此，存在需要可指示对在操作期间暴露于诸如重复载荷、冲击、高温等之类的环境条件之后的结构部件的累积影响的非破坏性检查技术。这样的指示可造成安排在适当的时间对结构部件进行进一步评估、维修和/或更换。
技术实现思路
在本公开的一方面，公开了一种结构部件。该结构部件可包括第一外表面、第二外表面以及在结构部件内的由第一表面形成的衍射腔的第一几何图案。该衍射腔的第一几何图案可具有以第一腔间隔距离彼此间隔开的第一组衍射腔，其中，当具有与第一腔间隔距离对应的第一波长的EM能量的第一投射射束碰上第一组衍射腔时，该EM能量的第一投射射束被衍射，并且形成具有第一衍射波长的衍射的EM能量的第一衍射射束，第一衍射波长指示由于当结构部件被暴露于环境条件时造成的应变而引起的第一腔间隔距离的变化。在本专利技术的另一方面，公开了一种用于评估结构部件中的应变的检查系统。该检查系统可包括：在结构部件内的衍射腔的第一几何图案，所述衍射腔的第一几何图案具有以第一腔间隔距离彼此间隔开的第一组衍射腔；以及第一EM能量源，其以与第一腔间隔距离对应的第一波长投射EM能量的第一投射射束。当EM能量的第一投射射束被投射到结构部件上时，EM能量的第一投射射束可穿过结构部件到达衍射腔的第一几何图案，并且可被第一组衍射腔衍射，以形成具有第一衍射波长的衍射的EM能量的第一衍射射束，第一衍射波长指示由于当结构部件被暴露于环境条件时造成的应变而引起的第一腔间隔距离的变化。该检测系统还可包括：EM能量检测器，其在第一EM能量源将EM能量的第一投射射束投射到结构部件上时检测来自第一组衍射腔的衍射EM能量的第一衍射射束的第一衍射波长；以及处理器，其操作性地连接到EM能量检测器，并被配置为从EM能量检测器接收衍射的EM能量的第一衍射射束的第一衍射波长并将第一衍射波长与结构部件中的应变关联。在本公开的其他方面，公开了一种用于评估结构部件中的应变的方法。结构部件可具有在结构部件内的衍射腔的第一几何图案，衍射腔的第一几何图案包括均具有第一腔间隔距离的第一组衍射腔。用于评估应变的方法可包括：将EM能量的第一投射射束投射穿过结构部件到达衍射腔的第一几何图案，其中，EM能量的第一投射射束具有与第一腔间隔距离对应的第一波长，并且其中，第一组衍射腔衍射EM能量的第一投射射束，以形成具有第一衍射波长的衍射的EM能量的第一衍射射束，第一衍射波长指示由于当结构部件被暴露于环境条件时造成的应变而引起的第一腔间隔距离的变化。该方法还可包括：在EM能量的第一投射射束被投射到结构部件上时检测来自第一组衍射腔的衍射的EM能量的第一衍射射束的第一衍射波长；并且将来自衍射腔的第一几何图案的衍射的EM能量的第一衍射射束的第一衍射波长与结构部件中的应变关联。附图说明图1是按照本公开的机械系统的结构部件的等轴视图，该结构部件具有衍射腔的几何图案；图2是图1的结构部件的一部分的剖视图，该结构部件具有衍射腔的几何图案；图3是从与图2的截面平面垂直的剖面截取的图1的结构部件的一部分的剖视图；图4是按照本公开的机械系统的结构部件的替代实施方式的等轴视图，该结构部件具有衍射腔的多个几何图案；图5是图4的结构部件的一部分的剖视图，该结构部件具有衍射腔的多个几何图案的示例性配置；图6是按照本公开的结构部件的其他替代实施方式的一部分的剖视图，该结构部件具有衍射腔的三维几何图案的示例性配置；图7A至图7G是用于图1的结构部件的按照本公开的衍射腔的几何图案的实施方式的平面图；图8是按照本公开的结构部件的一部分的等轴视图，安装在该结构部件上的补块具有衍射腔的几何图案；图9是按照本公开的可实现结构部件检查的电气部件和控制部件的框图；图10是图1的结构部件上的按照本公开的检查系统和检查方法的示例性实现方式的示意图；图11是在图1的结构部件上的检查系统和检查方法的替代示例性实现方式的示意图；图12是按照本公开的检查例程的实施方式的流程图；图13是按照本公开的检查例程的替代实施方式的流程图；以及图14是按照本公开的示例性应变图案显示的示图。具体实施方式图1和图2是被配置用于应用本文中例示和描述的NDI系统和方法的机械系统的结构部件10的一部分的图示。结构部件10可以是将经受可对结构部件10造成应力和应变的环境条件的机械系统的任何部件。为了在本公开的NDI系统和方法中使用，结构部件10包括由结构部件10的内部内的表面形成的衍射腔14的几何图案12。在所例示的实施方式中，结构部件10具有其中限定了衍射腔14的几何图案12的单层构造。结构部件10包括第一外表面16、第二外表面18，其中衍射腔14的几何图案12设置在结构部件10内、在外表面16、18之间。在衍射腔14被限定在结构部件内的情况下，几何图案12被隐藏从而看不见并得到保护以免受可能破坏或者说损坏衍射腔14的环境要素的影响。图2和图3以剖视图例示了图1的结构部件10。衍射腔14的几何图案12设置在结构部件10内，在外表面16、18以里。在所例示的实施方式中，衍射腔14是细长的圆柱形腔，当垂直于图2的截面观察时，圆柱形腔看上去是圆形，而当垂直于图3的截面观察时，圆柱形腔看上去是结构部件10内的线性通道。在替代实施方式中，衍射腔14可具有其他横截面几何形状，并根据需要被成形为适形于结构部件10，以提供有意义的应变指示。衍射腔14和几何图案12被配置为响应于使可见光谱之外的EM能量投射到其上而形成被几何图案12反射或透射穿过几何图案12的EM能量的波长的应变敏感的可检测变化。可通过下文中讨论的合适的检测器来检测被反射或透射的EM能量，并且可通过处理器来确定被反射或透射的EM能量的波长和频率的可检测变化，并将该变化与当结构部件10尚未受到因环境条件引起的应力和应变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构部件(10，30，50，100)，该结构部件包括：/n第一外表面(16，40，56)；/n第二外表面(18，42，58)；以及/n在所述结构部件内的由第一表面形成的衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)，所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)具有以第一腔间隔距离彼此间隔开的第一组衍射腔(14，36，54)，其中，当具有与所述第一腔间隔距离对应的第一波长的电磁能量即EM能量的第一投射射束(142)碰上所述第一组衍射腔(14，36，54)时，所述EM能量的第一投射射束(142)被衍射，并且形成具有第一衍射波长的衍射的EM能量的第一衍射射束(144)，所述第一衍射波长指示由于当所述结构部件(10，30，50，100)被暴露于环境条件时造成的应变而引起的所述第一腔间隔距离的变化。/n

【技术特征摘要】
20200203 US 16/780,6011.一种结构部件(10，30，50，100)，该结构部件包括：
第一外表面(16，40，56)；
第二外表面(18，42，58)；以及
在所述结构部件内的由第一表面形成的衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)，所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)具有以第一腔间隔距离彼此间隔开的第一组衍射腔(14，36，54)，其中，当具有与所述第一腔间隔距离对应的第一波长的电磁能量即EM能量的第一投射射束(142)碰上所述第一组衍射腔(14，36，54)时，所述EM能量的第一投射射束(142)被衍射，并且形成具有第一衍射波长的衍射的EM能量的第一衍射射束(144)，所述第一衍射波长指示由于当所述结构部件(10，30，50，100)被暴露于环境条件时造成的应变而引起的所述第一腔间隔距离的变化。


2.根据权利要求1所述的结构部件(10，30，50，100)，其中，所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)反射穿过所述结构部件(10，30，50，100)的所述EM能量的第一投射射束(142)，以使所述衍射的EM能量的第一衍射射束(144)透射穿过所述第一外表面(16，40，56)。


3.根据权利要求1至2中任一项所述的结构部件(10，30，50，100)，其中，所述EM能量的第一投射射束(142)穿过所述第一外表面(16，40，56)到达所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)，并且所述衍射的EM能量的第一衍射射束(144)穿过所述第二外表面(18，42，58)到达所述结构部件(10，30，50，100)之外。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的结构部件(30)，所述结构部件包括所述结构部件(30)内的由第二表面在所述衍射腔(36)的第一几何图案(32)和所述第二外表面(42)之间形成的衍射腔(38)的第二几何图案(34)，所述衍射腔(38)的第二几何图案(34)具有以与所述第一腔间隔距离不同的第二腔间隔距离彼此间隔开的第二组衍射腔(38)，其中，当具有与所述第二腔间隔距离对应的第二波长的EM能量的第二投射射束(142)碰上所述第二组衍射腔(38)时，所述EM能量的第二投射射束(142)被衍射，并且形成具有第二衍射波长的衍射的EM能量的第二衍射射束(144)，所述第二衍射波长指示由于当所述结构部件(30)被暴露于环境条件时造成的应变而引起的所述第二腔间隔距离的变化，其中，所述第二腔间隔距离大于所述第一腔间隔距离并且所述第二波长大于所述第一波长，使得所述EM能量的第二投射射束(142)穿过所述衍射腔(36)的第一几何图案(32)而未被衍射。


5.根据权利要求1所述的结构部件(10，30，50，100)，其中，所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)包括具有第二组衍射腔(14，36，54)的二维几何图案，所述第二组衍射腔(14，36，54)均具有第二腔间隔距离并在第二方向上间隔开，所述第二方向未平行于所述第一组衍射腔(14，36，54)间隔开所在的第一方向，其中，所述第二腔间隔距离与所述第一腔间隔距离不相等，其中，当具有与所述第二腔间隔距离对应的第二波长的EM能量的第二投射射束(142)碰上所述第二组衍射腔(14，36，54)时，所述EM能量的第二投射射束(142)被衍射，并且形成具有第二衍射波长的衍射的EM能量的第二衍射射束(144)，所述第二衍射波长指示由于当所述结构部件(10，30，50，100)被暴露于环境条件时造成的应变而引起的所述第二腔间隔距离的变化。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的结构部件(10，30，50，100)，其中，所述第一组衍射腔(14，36，54)中的衍射腔(14，36，54)具有相似的几何形状并限定增大的面积，其中所述衍射腔(14，36，54)被同心地布置，以形成所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)，其中，随着所述第一几何图案(12，32，52)从中心点向外延伸，所述第一几何图案(12，32，52)中的相邻衍射腔(14，36，54)之间的所述第一腔间隔距离增大。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的结构部件(10，30，50，100)，其中，所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)包括均具有第二腔间隔距离的第二组衍射腔(14，36，54)，其中，当具有与所述第二腔间隔距离对应的第二波长的EM能量的第二投射射束(142)碰上所述第二组衍射腔(14，36，54)时，所述EM能量的第二投射射束(142)被衍射，并且形成具有第二衍射波长的衍射的EM能量的第二衍射射束(144)，所述第二衍射波长指示由于当所述结构部件(10，30，50，100)被暴露于环境条件时造成的应变而引起的所述第二腔间隔距离的变化。


8.一种用于评估结构部件(10，30，50，100)中的应变的方法(160，180)，所述结构部件具有在所述结构部件(10，30，50，100)内的衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)，所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)包括均具有第一腔间隔距离的第一组衍射腔(14，36，54)，用于评估应变的所述方法(160，180)包括以下步骤：
将电磁能量即EM能量的第一投射射束(142)投射(164)穿过所述结构部件(10，30，50，100)到达所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)，其中，所述EM能量的第一投射射束(142)具有与所述第一腔间隔距离对应的第一波长，并且其中，所述第一组衍射腔(14，36，54)衍射所述EM能量的第一投射射束(142)，以形成具有第一衍射波长的衍射的EM能量的第一衍射射束(144)，所述第一衍射波长指示由于当所述结构部件(10，30，50，100)被暴露于环境条件时造成的应变而引起的所述第一腔间隔距离的变化；
在所述EM能量的第一投射射束(142)被投射到所述结构部件(10，30，50，100)上时检测来自所述第一组衍射腔(14，36，54)的所述衍射的EM能量的第一衍射射束(144)的所述第一衍射波长；并且
将来自所述衍射腔(14，36，54)的第一几何图案(12，32，52)的所述衍射的EM能量的第一衍射射束(144)的所述第一衍射波长与所述结构部件(10，30，50，100)中的应变关联(170)。


9.根据权利要求8所述的用于评估结构部件(10，30，50，100)中的应变的方法(160，...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·E·乔治森，K·H·格里斯，R·L·凯勒，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US