[發明專利]風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測裝備

有效

• 申請號: 201810580998.5
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN109000866B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 李暉;張培;韓清凱;許卓;丁康康;任利聰;李則霖;劉洋
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01M5/00
• 分類號: G01M5/00;G01M7/02;G01M13/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測裝備，其特征在于，包括環境模擬機構，所述環境模擬機構內腔中間板頂部左端設置有激振機構，所述激振機構頂部設置有回轉工作臺，所述回轉工作臺一端通過螺栓固定連接多點柔性夾具，所述回轉工作臺另一端通過聯軸器設置第一減速器，所述第一減速器輸入端通過聯軸器設置有第一電機，所述第一電機固定安裝在激振機構頂部，所述多點柔性夾具右端設置有復合材料機翼，所述環境模擬機構中間板頂部設置有自動檢測機構，且自動檢測機構位于復合材料機翼后端，所述環境模擬機構內腔頂板底部設置有懸吊機構；

所述環境模擬機構包括框體，所述框體前后左右四面設置有亞克力板，所述框體中部設置有中間板，所述中間板與框體底板之間設置有豎板，左端所述豎板與框體之間中部設置有短橫板，所述框體底板頂部設置有第二減速器，所述第二減速器輸入端通過聯軸器設置有第二電機，所述第二電機輸出軸與框體底板頂部通過螺栓固定安裝，所述框體內腔設置有螺旋輸送機，所述螺旋輸送機貫穿中間板底端抵在短橫板頂部，且螺旋輸送機主軸底端通過聯軸器與第二電機輸出端固定安裝，所述螺旋輸送機頂部貫穿框體頂板且固定安裝在框體頂板頂部，所述框體底板右端頂部設置有位于右端豎板右端的傾斜式液壓升降機，所述傾斜式液壓升降機頂部貫穿中間板，所述傾斜式液壓升降機頂部設置有風機，所述中間板頂部后端左右兩側設置有加熱管，兩個所述加熱管之間中間板頂部兩支撐板之間設置有滑軌，所述滑軌一端通過聯軸器固定安裝有第三電機，所述螺旋輸送機左端中間板頂部設置有沙漏，所述螺旋輸送機左端短橫板頂部設置有收沙盤，且收沙盤右端焊接在螺旋輸送機開口處，所述框體頂板頂部設置有傾斜沙槽，所述傾斜沙槽右端設置有進沙口；

所述多點柔性夾具包括夾具底座，所述夾具底座左端設置有耳板，所述耳板上下兩端夾具底座上設置有第二滑槽，所述耳板內側設置有滾動軸承，所述耳板外側設置有手輪，所述滾動軸承內圈設置有螺桿，且螺桿左端與手輪末端焊接，所述螺桿外表面螺接有移動箱，且移動箱后端通過滑軌滑動安裝在第二滑槽上，所述第二滑槽右端設置有位于移動箱右端的固定箱；

所述移動箱和固定箱均包括針盤和頂桿團，所述頂桿團由若干個頂桿組成，所述頂桿截面設置為六邊形，所述頂桿上均勻設置有通孔；所述移動箱和固定向箱體中部均設置有頂桿團，所述頂桿團一端設置有推板，所述推板的外側設置有推板頭，所述針盤貫穿頂桿團上的通孔且末端抵在移動箱和固定箱內壁的盲孔孔底。

2.根據權利要求1所述的風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測裝備，其特征在于：所述激振機構包括振動臺，所述振動臺底端四角設置有振動臺腿，所述振動臺腿外壁設置有壓縮彈簧，所述振動臺中部設置有激振器，且振動臺腿通過螺栓與框體中間板頂部固定安裝。

3.根據權利要求1所述的風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測裝備，其特征在于：所述自動檢測機構包括機械臂底盤，所述機械臂底盤底部設置有與中間板頂部滑軌配合的滑塊，所述機械臂底盤頂部設置有機械臂，所述機械臂末端分別設置有激光測振儀和超聲波探傷儀。

4.根據權利要求1所述的風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測裝備，其特征在于：所述回轉工作臺包括底座和工作臺，所述底座中心處設置有工作臺，所述工作臺中心處設置有回轉支承，所述回轉支承外圈通過雙頭螺栓與工作臺固定安裝，所述回轉支承內圈通過沉頭螺栓與底座固定安裝，所述底座中下部設置有貫穿工作臺的蝸桿，且蝸桿中部螺紋與回轉支承外圈螺紋配合，所述蝸桿兩端設置有滾動軸承，所述蝸桿兩端設置有位于滾動軸承外側的軸承蓋，且蝸桿通過軸承蓋安裝在底座上。

5.根據權利要求1所述的風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測裝備，其特征在于：所述懸吊機構包括橫滑軌和豎滑軌，兩個所述橫滑軌之間通過滑輪安裝有豎滑軌，每根所述豎滑軌上滑動安裝有兩個滑輪。

6.風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測的方法，其特征在于：采用權利要求1所述的風沙-熱環境下無人機復材機翼動特性和損傷檢測裝備，包括以下步驟，

步驟1，根據廠家提供的無損傷的待測復合材料機翼的結構尺寸參數，利用有限元方法建立其有限元模型，并在不考慮損傷的情況下計算獲得各階模態振型，同時，對各階模態振型的計算數據的幅值進行正則歸一化處理，化為無量綱的表達式，則正則歸一化處理后模態振型的計算數據，只具有相對意義，其絕對值沒有意義，這樣便于與風沙-熱環境下測試獲得的無損傷待測復合材料機翼的正則歸一化模態振型的測試數據進行比較；

步驟2，正式開始試驗，復合材料機翼從外部運送到檢測裝備右端時，打開右端亞克力板，將兩根豎滑軌移動到檢測裝備右端，將豎滑軌上的滑輪移動到合適的位置，分別用兩個滑輪上的繩索豎直綁住復合材料機翼左右兩端，并通過豎滑軌將復合材料機翼移動到多點柔性夾具附近；

步驟3，將移動箱和固定箱上的針盤抽出，通過推板上的推板頭將頂桿團頂出一定的距離，將復合材料機翼靠近多點柔性夾具一端移動至移動箱和固定箱中間，然后搖動手輪，移動箱慢慢靠近固定箱，當移動箱上的頂桿團接觸復合材料機翼表面時，頂桿團此時被頂回移動箱內部，各個頂桿團上的頂桿隨復合材料機翼伸出不同的長度，從而隨著復合材料機翼表面形成一個曲面，之后插上針盤將移動箱上的頂桿團固定，接著移動移動箱和復合材料機翼往固定箱一側運動，當固定箱上的頂桿團接觸復合材料機翼表面時，頂桿團此時被頂回固定箱內部，各個頂桿團上的頂桿隨復合材料機翼伸出不同的長度，從而隨著復合材料機翼表面形成一個曲面，之后插上針盤將固定箱上的頂桿團固定，接著在進一步移動移動箱往固定箱一側移動，夾住復合材料機翼，完成裝夾，移動豎滑軌運動至原始位置，并將繩索纏起固定；

步驟4，關閉檢測裝置右端亞克力板，使加熱管加熱，對待測復合材料機翼進行加熱，模擬不同溫度的熱環境；

步驟5，啟動傾斜式液壓升降機將風機上升到環境環境模擬機構中間板上部，開啟風機和螺旋輸送機，以實現風沙環境的模擬，通過傾斜式液壓升降機使風機轉換不同的角度和復合材料機翼配合形成多方向的風沙環境的模擬，由于在風機的作用下，沙子最終被吹到中間板左端的沙漏中進而流進收沙盤，從而實現沙子的循環使用；

步驟6，設定上述風沙-熱環境的持續時長和強度，并確保在規定的時間內實現對待測復合材料機翼的熱風沙模擬環境的準確提供，使復合材料機翼產生不同程度的損傷；關閉風機、加熱管、螺旋輸送機、激振機構和回轉工作臺，等待待測復合材料機翼的溫度降至室溫，并穩定30分鐘以上；

步驟7，調節自動檢測機構，使超聲波探傷儀在空間中的任意位置移動，從而調節超聲波探傷儀到達合適的位置；然后在無振動激勵條件下，利用自動檢測機構中的超聲波探傷儀初步實現對待測有損傷的復合材料機翼的損傷情況進行檢查，并將損傷數據傳回至上位機進行存儲和損傷定位分析；

步驟8，調節自動檢測機構，使激光測振儀在空間中的任意位置移動，從而調節激光測振儀到達合適的位置，同時，開啟激振機構和回轉工作臺，使得復合材料機翼跟隨回轉工作臺一起旋轉到合適的激振方向，并在激振機構的作用下產生振動，從而在某個振動激勵強度下實現對復合材料機翼的振動激勵；

步驟9，在某個激振激勵強度，根據正弦掃頻測試方法，利用自動檢測機構中的激光測振儀在較大的頻率范圍內，獲得待測有損傷的復合材料機翼的振動響應信號的頻譜，通過峰值辨識方法獲得待測有損傷的復合材料機翼的各階固有頻率，同時，通過比較峰值的大小的方式，來客觀評價在某個振動激勵強度下有損傷的復合材料機翼的動特性好壞；

步驟10，在某個振動激勵強度，按照固有頻率從低到高的方法依次激發復合材料機翼達到不同模態階次對應的共振狀態，然后控制自動檢測機構上的激光測振儀進行掃描，使其完成沿待測損傷復合材料機翼多行多列的掃描測試，將掃描測試數據傳回至上位機進行存儲，即可根據激光掃描模態振型測試法依次獲得有損傷的復合材料機翼的各階模態振型數據，進而對各階模態振型數據的幅值進行正則歸一化處理，便可獲得正則歸一化后的各階模態振型的測試數據，根據損傷定位原理可知，損傷結構在某位置處的剛度改變越大，即損傷程度越大時，在該處的振型曲率奇異性就會越明顯，利用二維中心差分法對正則歸一化模態振型的計算數據和測試數據進行處理，可分別獲得相應的計算曲率振型數據和測試曲率振型數據，然后，將計算得到的未損傷復合材料機翼上每點對應的曲率振型值與測試得到的相同點的曲率振型值做差，通過獲取絕對值的方法，便可得到損傷位置指數，即實現了某個振動激勵強度下復合材料機翼的損傷定位；

步驟11，按照振動激勵強度從小到大的原則，不斷增加激勵強度，在不同的振動激勵強度下，待測有損傷的復合材料機翼會產生新的損傷和裂紋，此時重復步驟7-步驟10，在不同的振動激勵強度下，對待測含不同的損傷和裂紋的復合材料機翼再次進行動特性和損傷測試，一方面幫助設計人員實現客觀評價其動特性下降的趨勢，另一方面，利用風沙-熱環境下獲得的復合材料機翼的損傷定位數據，幫助設計人員客觀、量化地評估復合材料機翼在不同程度的風沙-熱環境和振動激勵條件下的損傷情況。