用于表征一種由編織復(fù)合材料制成的部件的方法
【專利說明】用于表征一種由編織復(fù)合材料制成的部件的方法 技術(shù)背景
[0001] 本發(fā)明涉及表征材料和結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域，特別地由具有編織纖維加固物的復(fù)合材料制 成的機(jī)械工程行業(yè)的部件。由于與由其他材料制成的部件相比的其堅(jiān)固性及其低重量，這 種部件越來越多地用于航空領(lǐng)域。這些部件也很容易制造。在所涉及的部件中，特別地涉及 發(fā)動(dòng)機(jī)部件，包括燃?xì)廨啓C(jī)的葉片或殼體。由于這種部件的特定結(jié)構(gòu)，其中纖維加固物嵌入 在基質(zhì)中，需要在工業(yè)生產(chǎn)過程中的任何時(shí)候、或在所討論部件正在使用時(shí)能夠檢測該編 織纖維加固物的特性。這使得可以發(fā)現(xiàn)該部件中的疲勞或磨損水平并識(shí)別缺陷或損壞，如 果有的話。自然地，由于編織加固物嵌入在該基質(zhì)中，很難接近它，并且已知方法通常是破 壞性的，其在大量生產(chǎn)和使用這種部件的背景下是不令人滿意的。因此，期望具有非破壞性 的表征該纖維加固物的方法。
[0002] X射線斷層掃描（由計(jì)算機(jī)計(jì)算的軸向斷層掃描或CT掃描)是一種對(duì)物品內(nèi)側(cè)實(shí)施 非破壞性檢測的已知方法。它包括在多個(gè)平面上作用以測量由該材料施加到X射線束的衰 減。然后從在每個(gè)平面中拾取的數(shù)據(jù)重建三維圖像。之后，可以制作三維圖像分段，從而使 該材料的結(jié)構(gòu)在每個(gè)剖面中可視化。
[0003] 當(dāng)被施加到具有編織加固物的復(fù)合材料時(shí)，一種如上所述的方法很不實(shí)際或會(huì)產(chǎn) 生很少令人滿意的結(jié)果。該編織加固物包括一種大尺寸的物品，其具有許多彼此平行的經(jīng) 紗線和同樣彼此平行的煒紗線，這兩組平行紗線限定該編織的主要定向或特性方向。經(jīng)紗 線列之間的平均距離以及煒紗列之間的平均距離（經(jīng)紗線之間的距離以及煒紗之間的距 離，或經(jīng)線間的距離和煒線間的距離）構(gòu)成適用于在該編織均勻的區(qū)域中正確地表征該加 固物的信息。然而基于三維圖像的二維分段或基于多個(gè)這種分段確定這種信息涉及很單調(diào) 乏味以及難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的工作。為了很好地實(shí)施，需要識(shí)別煒紗層和經(jīng)紗層并由此推斷 其各自的間距。任何這種測量涉及操作者方面的主觀性，并且可被圖像中的各種噪聲干擾。 此外，根據(jù)所研究的該部件的形狀，被研究的分段很難識(shí)別，并且也需要研究多個(gè)分段以獲 得可靠的結(jié)果。使這種過程工業(yè)化因此不容易，或者甚至不可能實(shí)施。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 及優(yōu)點(diǎn)
[0005] 為了解決該困難并提出一種很容易自動(dòng)化并且提供可靠結(jié)果的非破壞性的方法， 提供了一種表征一個(gè)由編織復(fù)合材料制成的部件的方法，該方法包括對(duì)于用作自相關(guān)間隔 的多個(gè)空間向量，計(jì)算在觀察窗中采集的該部件體積的三維圖像的自相關(guān)值，然后在編織 的主要定向（特性方向）上檢測該自相關(guān)值中的至少一個(gè)局部極值，從而在觀察窗中確定對(duì) 于相鄰平行紗線之間的距離的平均值。
[0006] 自相關(guān)的一個(gè)特性是用于獲得唯一全局最大值，該值被獲得用于零向量。對(duì)于與 該編織的特性方向平行的向量，其也具有在與所討論特性方向平行的向量空間中沿直線彼 此跟隨的局部最大值。這些最大值可以在向量空間分段中以葉瓣形式被可視化。通過檢測 這些局部最大值的至少一個(gè)(或在兩個(gè)連續(xù)最大值之間的最小值），可通過參考從其到該零 向量的距離來獲得在相鄰平行紗線之間的多個(gè)距離。如果已經(jīng)檢測到了與該零向量最接近 的局部最大值，那么這直接接近在相鄰平行紗線之間的距離。
[0007] 通過利用自相關(guān)，該方法消除了當(dāng)操作員直觀地讀取該部件體積的圖像時(shí)所產(chǎn)生 的主觀性。因此，該方法更準(zhǔn)確且更可靠。這就是為什么該方法也不對(duì)噪聲很敏感的原因。 可以通過利用該部件體積圖像的三維空間以非破壞性方式測量貫穿該部件的經(jīng)紗線間和 煒紗間的距離，而人類操作員通常在該體積圖像的二維分段上操作。最后，它可被自動(dòng)化， 并且因此比依靠于通過人類操作員讀取的方法更快?？傊?，它比不使用自相關(guān)的技術(shù)更準(zhǔn) 確和更容易實(shí)現(xiàn)。
[0008] 需要指出的是，該方法適用于通過X射線斷層掃描或通過使該部件的體積成像的 任何其他技術(shù)所采集的圖像。特別地，不應(yīng)忘記的是，X射線并不是必要的，其他斷層掃描方 法是已知的，特別地核磁共振(NMR)斷層掃描。
[0009]在一個(gè)非常有利的實(shí)施方式中，通過使用Wiener-Khinchin定理計(jì)算該自相關(guān)值， 即通過使用由直接和逆傅里葉變換以及復(fù)數(shù)的模量函數(shù)組成的數(shù)學(xué)函數(shù)，并將其應(yīng)用到所 研究的復(fù)合材料部件的三維圖像。這是一種很簡單、適用于自動(dòng)化，以及連續(xù)和詳盡地計(jì)算 所有自相關(guān)函數(shù)的過程，從而可以對(duì)在被稱為"自相關(guān)"圖像的三維"圖像"中組合在一起的 自相關(guān)值實(shí)施高質(zhì)量研究。
[0010] 在一個(gè)特定實(shí)施方式中，該方法包括檢測在多個(gè)向量中，例如在自相關(guān)圖像中該 編織的特性方向。這涉及識(shí)別與經(jīng)紗線或煒紗線方向?qū)?yīng)的局部和全局最大值的對(duì)準(zhǔn)。
[0011] 在一個(gè)與先前的實(shí)施方式可選地組合的實(shí)施方式中，該方法包括預(yù)先重新對(duì)準(zhǔn)該 復(fù)合材料部件的三維圖像，以使該編織軸線(特性方向）與該圖像的軸線對(duì)準(zhǔn)。
[0012] 為了完全地表征該部件，該方法可自然地提供用于檢測該煒紗線方向和該經(jīng)紗線 方向的極值，從而在觀察窗中確定分別對(duì)于在相鄰經(jīng)紗線之間和在相鄰煒紗之間距離的平 均值。然而，可在僅注意煒紗或僅注意經(jīng)紗線的同時(shí)實(shí)施該方法。
[0013] 需要指出的是，在一個(gè)很容易實(shí)施的實(shí)施方式中，所使用的極值為最大值并且可 特別地關(guān)注連續(xù)的極值。所使用的極值通常包括被獲得用于零向量的全局最大值，但也可 以通過研究兩個(gè)連續(xù)的局部極值而省略。
[0014] 特別提出了該方法用于研究一種由三維編織復(fù)合材料制成的部件和/或包含在碳 基質(zhì)中的碳纖維的部件。例如，該部件可以是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片或外殼。
[0015] 盡管本發(fā)明集中在分析該圖像上，本發(fā)明還提供了一種涉及不僅利用該圖像也采 集它的方法。
[0016] 以下參考附圖進(jìn)行該描述。
[0017] 附圖列表
[0018] 圖1是在具有編織纖維加固物的復(fù)合材料部件中使用的三維編織的示意圖。
[0019] 圖2是示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的流程圖。
[0020] 圖3是一個(gè)由復(fù)合材料制成的部件的三維圖像的三維自相關(guān)圖像(一種復(fù)合材料 部件的三維圖像的自相關(guān)圖像)的分段的表面透視圖。
[0021] 圖4和圖5是在圖1實(shí)施方式的最后步驟中獲得的曲線。
[0022] 圖6是示出本發(fā)明第二實(shí)施方式的流程圖。
[0023]本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述
[0024]本發(fā)明適用于由具有編織纖維加固物的復(fù)合材料制成的部件，在整個(gè)部件中使用 給定的編織圖案進(jìn)行該編織，或可能使用多個(gè)編織圖案，該圖案由過渡區(qū)域分隔。該編織可 以是二維編織或三維編織，然后在涉及該部件的機(jī)械強(qiáng)度方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。一種三維編 織圖案如圖1所示。煒紗線間的距離在其中被標(biāo)記為A，以及經(jīng)紗線間的距離被標(biāo)記為B。 [0025]不管其是否為二維或三維，該編織基于使經(jīng)紗線和煒紗線交錯(cuò)，彼此平行的經(jīng)紗 線橫跨同樣彼此平行的煒紗。對(duì)于給定的編織圖案，在兩個(gè)過渡區(qū)域之間，在兩個(gè)相鄰經(jīng)紗 線之間的距離基本恒定，并且兩個(gè)相鄰煒紗線之間的距離同樣基本恒定。連同其它項(xiàng)幾何 信息一起，這兩個(gè)距離表征該編織圖案以及也表征部件的疲勞或磨損狀態(tài)。
[0026] 以下是參考圖2給出并應(yīng)用到這種復(fù)合材料部件的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的描述， 如一種由包括在碳基質(zhì)中碳纖維的復(fù)合材料制成的部件。
[0027] 在步驟100中，一種圖像由通過X射線斷層掃描的部件構(gòu)成。應(yīng)該記住的是，X射線 斷層掃描包括測量在物