专利名称：验证紧固件的干涉配合的超声波方法
技术领域：
本公开教导超声波(US)测量技术，并且更特别地，教导超声波测量和验证紧固件的干涉配合(IFF)的方法。
背景技术：
最近的评估指出，平均来说，美国商业飞机机队中的各种飞机每年都大约遭遇一次闪电放电。通常当飞机飞过云的带电部分时遭遇闪电放电。在该情况下，放电通常依附于飞机，并且从飞机向外延伸。当发生放电时，其通常从飞机的机头移动，并且随着飞机移动通过带电区域而到达飞机的多个蒙皮面板部分。放电期间，放电也依附于机翼尖端和/或机翼操纵面(例如，副翼)的边缘。然后，放电通常经过尾翼离开飞机结构。由于商业飞机通常包括电子设备，例如导航计算机和通信设备，其可被闪电放电退化，所以为了验证飞机受到足够的保护而不受闪电放电的影响，商业飞机遵守一套全面的认证程序。 同时，现在的飞机通过更大百分比的复合材料设计和建造。虽然复合材料具有大强度与重量比，并且可具有比传统的铝合金更好的机械和疲劳特性，但是其导电率较低，并且比其所取代的金属材料提供的电磁屏蔽稍微更�。鸱苫晕⒏〉牡缌骱纳�。没有导电路径，会发生电弧和存储电压(电容)，其可使飞机结构中的受影响部分退化。例如，闪电可依附于紧固件，并且然后流经紧固件而进入飞机表面(或蒙皮)下的子结构。因而，实施技术从而提供从飞机包括紧固件的这些部分的导电路径。改进机身对电荷耐受力的技术有用并且可改进飞机运输的经济性和/或安全性，特别是当电荷依附于飞机紧固件时尤其如此。
发明内容
公开了验证紧固件的干涉配合的技术和工艺的实施例。可使用该技术和工艺，从而检查和验证导电紧固件与某一结构的雷击保护(LSP)系统的导电层之间的干涉配合，该结构包括纤维加固复合结构。依照本公开的技术可有利地确保紧固件和LSP系统之间存在导电路径，以便可将电荷引导通过该结构，因此降低或消除否则可发生在该结构上的退化。此外，可在紧固件就位时完成该检查，并且不需要测量意图用于干涉配合的每个紧固件和紧固件孔的尺寸。实施例提供用于确定紧固件所经历的干涉配合度的方法。这些方法包括定位换能器，从而将超声横波信号发送通过这样的紧固件区域，其在紧固件经历干涉配合时遭受应力。该方法还包括传送US横波信号通过紧固件的经受应力的区域。虽然不希望被约束于以下理论，但是相信随着发送的超声横波穿过该区域，对应于紧固件所经历的干涉度，超声横波在干涉边界在一定程度上改变模式。此外，本方法包括通过换能器从紧固件接收反射的超声波信号。处理反射的超声波信号，从而确定紧固件所经历的干涉配合度，并且输出对其的指示。在一些实施例中，通过检查返回超声波信号的纵波和横波分量的振幅/能量而确定干涉配合度。在一些实施例中，通过比较返回超声波信号的纵波分量的振幅/能量以及横波分量的振幅/能量而做出该确定。而且，干涉配合度的指示可以是图形用户界面中使用的可测量指示。在一些实施例中，干涉配合处于紧固件、套管和复合材料之间。可替换地，或另外地，反射波来自紧固件的杆部的末端表面。此外，换能器能够与紧固件对齐，并且在发送和接收超声波信号期间向其施加经选择的力。换能器和紧固件的对齐以及经选择的力能够基于紧固件的构造。实施例也提供计算机可读存储介质，其存储计算机可执行指令，计算机可执行指令在被执行时使得处理器执行例如上述方法。实施例提供用于确定紧固件经历的干涉配合度的系统。这些系统包括相互通信的超声波换能器、处理器以及存储器。存储器存储这样的计算机可读指令，即当由处理器执行时，该计算机可读指令使得处理器执行例如上述的那些方法。另外，系统能够包括显示器，其包括用于显示干涉配合度的图形用户界面。此外，系统能够包括这样的方法，其用于对齐超声波换能器和紧固件，以及通过超声波换能器向紧固件施加经选择的力。此外，超声波换能器与紧固件的对齐、以及超声波换能器向紧固件施加的力都是系统参数，这些系统参数 都是可控变量。一些实施例的系统包括导轨，超声波换能器能够被以这样的方式安装在其上，即其能够沿导轨在紧固件之间移动。这些特征、功能和优点能够在本公开的各个实施例中独立实现，或者可以在其他实施例中结合。
通过参考附图，以下详细描述依照本公开的技术的实施例。在附图中，附图标记的最左边数字表明该附图标记第一次出现的图。在不同的图中使用相同的附图标记表示类似或相同的物品或特征。图I示出依照本公开实施例验证的具有干涉配合紧固件的飞机的侧视图。图2示出依照本公开实施例的经配置从而验证干涉配合紧固件的设备的横截面图。图3示出依照本公开实施例的用于验证干涉配合紧固件的过程/步骤的流程图。图4示出依照本公开实施例的经配置从而验证干涉配合紧固件的另一设备的横截面图。图5示出依照本公开实施例的用于验证干涉配合紧固件的另一过程的流程图。图6示出依照本公开实施例的许多数据样本的干涉配合的一组图表。图7示出依照本公开实施例的许多数据样本的干涉配合的图表。图8示出依照本公开实施例的干涉配合探测器的示意图。
具体实施例方式综述在此公开验证紧固件的干涉配合的技术和工艺。在以下说明以及图I至图8中提出本公开某些实施例的许多特定细节，从而提供该实施例的彻底理解。然而，本领域技术人员应理解，本公开可具有另外的实施例，或者可缺乏以下说明中描述的多个细节而实施本公开。
本文件公开这样的系统，其用于确定紧固件和紧固件所被安装的材料之间的干涉配合。另外，本文件公开完成该过程的方法。在一些系统和方法中，通过将横波超声波信号发送到紧固件中，并且分析从紧固件返回的模式转换信号而确定干涉配合度。在一些实施例中，比较模式转换返回信号的横波分量的能量和纵波分量的能量，从而确定干涉配合度。在一些实施例中，在确定干涉配合度时考虑一种或两种振幅。图I示出具有依照本公开实施例验证的干涉配合紧固件的飞机100的侧视图。人们可明白，可在很多位置中使用该紧固件，包括机身102、机翼104、以及飞机100的尾翼106。例如，依照本发明的实施例，贯穿飞机的蒙皮，飞机100可包括许多紧固件。可替换地，可在其他类型的结构、交通工具以及平台中验证干涉配合紧固件，例如机动车辆、飞机、航海船只、或航天器，或其他适当的应用。在该实施例中，飞机100包括机身102，后者包括机翼组件104、尾翼组件106、以及起落架组件108。飞机100进一步包括一个或更多推进单元110、控制系统112 (不可见)、以及能够使飞机100适当工作的许多其他的系统和子系统。人们应明白，可在飞机100的 任何适当部分中使用该紧固件，例如机身102、机翼组件104、尾翼组件106、以及飞机100的任何其他适当区域。一般而言，飞机100的各个组件和子系统可为已知的结构，并且为了简化，在此将不详细描述。虽然图I所示的飞机100通常代表商业客机，例如包括伊利诺伊州芝加哥市波音公司市售的737、747、757、767、777和787型，在此公开的发明设备和方法实际上也可在任何其他类型飞机的组件中使用。更具体地，本公开的教导可被应用于以下飞机的制造和装配，即其他客机、战斗机、货机、旋翼飞机、以及任何其他类型的有人驾驶或无人驾驶飞机、包括下面描述的那些飞机，例如，2001年9月BookSales Publishers出版的EnzoAngelucci 的 The Illustrated Encyclopedia of Military Aircraft,以及英国萨里Jane' s Information Group of Coul sdon 出版的 Jane' s All the World' s Aircraft中的飞机。飞机使用雷击保护(LSP)系统，从而当其遭遇闪电或以其他方式经历电荷时，保护飞机以免退化(degradation)。一种方法是在飞机蒙皮中包含一层导电金属，从而在大表面区域上均匀分布电能，并且因而避免可引起飞机部分退化的能量聚集。通常，通过将紧固件凹进飞机蒙皮内的导电层下，而保护连接飞机蒙皮和内部结构的紧固件不受电荷影响。通常以不导电材料覆盖紧固件，从而进一步隐藏紧固件，以避开电荷。尽管有这些预防措施，电荷仍会偶尔依附于紧固件，并且沿紧固件轴向下流。在该情况下，期望以高效方式，有效地吸取电能通过飞机蒙皮以及其他结构(例如，飞机梁)，并且因而避免对紧固件或周围材料加热和/或退化。为了从紧固件吸取电能，该紧固件有利地与周围材料具有干涉配
口 o紧固件的干涉配合涉及形成紧固件支持的紧固件杆部、紧固件套管部件以及周围材料之间的配合的紧密度的测量。例如，对于0. 500英寸直径的紧固件杆部/套管系统，可以以0. 495英寸的直径钻穿材料，因而产生0. 005英寸的正干涉配合。在该情况下，可通过在垂直于紧固件杆部轴线的方向上压缩周围材料而将紧固件插入孔中。虽然无意在理论上进行限制，但是相信，通常在紧固件杆部和紧固件孔之间存在微细间隙。这些间隙引起电流在紧固件杆部和材料之间流动，从而将其会聚在发生接触的点。通过提供干涉配合，并且因而用周围材料压紧紧固件杆部，相信最小化微细间隙会引起电接触区域增加，因而提高紧固件和周围材料之间的导电特性。导电性增加降低或消除了依附于紧固件的电荷的任何负面影响，因为如果紧固件的干涉配合处于设计阈值范围内，则关联的电能就可被分散到蒙皮或梁中。如上所述，日益以复合材料构造飞机，然而仍然偶尔遭遇电荷。通常，复合材料包括嵌入环氧树脂或其他基底中的纤维。虽然纤维和基底都能导电，但是有时这些材料中的一种或另一种材料具有比另一种更好的导电性。例如，能够期望碳/环氧树脂复合材料的碳纤维能够比环氧树脂基底更好地导电。在紧固件与复合材料产生干涉配合时，干涉配合有助于复合材料的一种或更多种组分电接触紧固件，因而提高电荷从紧固件的耗散。因此，在紧固件和复合材料之间使用干涉配合提高结果组件的电荷耗散特性。为了确保无论是在传统的金属结构或是在复合材料中干涉配合符合设计要求，期望验证干涉配合的方法。例如，飞机制造可变因素会防止紧固件和紧固件孔之间的一致配合。这些不一致的来源包括操作者误差、不圆状况、尺寸稍大/稍小的钻头、钝钻头、尺寸稍大/稍小的紧固件等等。安装紧固件后，以及在一些情况下长期使用飞机后，需要确认干 涉配合度的方法，从而确保干涉配合保持在设计阈值范围内。2007年8月3日提交、2009年 2 月 5 日公开为 US20090031811A1 的 Georgeson 等人的标题为 “Ultrasonic Method toVerify the Interference Fit of Fasteners，，的美国专利申请No. 11/833，826 中，公开了用于确定紧固件干涉配合的方法和系统。说明性干涉配合测试设备图2示出经配置从而验证依照本公开实施例的紧固件干涉配合的设备的横截面图。系统200包括第一材料202和第二材料204，二者由穿过紧固件孔214的紧固件206 (包括头部208、杆部210以及螺母212)紧密耦合。将螺母212拧紧在杆部210上引起紧固件头部208和螺母212在第一材料202和第二材料204上施加压缩力。另外，当系统200包括干涉配合(其中，无应力紧固件孔214具有比无应力杆部210的直径更小的直径)时，紧固件杆部210可在第一材料202和第二材料204中产生径向应力。第一材料202和第二材料204中的径向应力可在紧固件206和材料202及204的接触面最大，并且通常随着离紧固件206的距离增大而在量上缩小。反作用于紧固件206施加在第一材料202和第二材料204上的径向应力，第一材料202和第二材料204在紧固件206上施加径向导向杆部210的压缩应力。杆部210上的这些压缩应力可彼此不同，并且可沿杆部210表面(以及杆部210内部)变化。由干涉配合引起的压缩应力的探测和测量可提供关于干涉配合的信息，并且因而允许对其测量，从而确定其是否符合设计范围。此外，关于干涉配合的信息(或缺少其信息)可指示这样的程度，即紧固件的安装将提供的电流耗散到周围材料的导电组件的程度。例如，在图2所示的实施例中，第一材料202和第二材料204其中之一或两者可导电，可包括雷击保护(LSP)系统的导电层，和/或具有其中的导电组件(例如，碳纤维)。继续参考图2，系统200包括紧固件干涉配合(IFF)探测器216。IFF探测器216包括超声波测试换能器218。在一些实施例中，频率处于大约IMHz至大约IOMHz之间，并且可以是大约5MHz。横波换能器218产生这样的超声波信号220，其由许多基本平行于紧固件杆部210的轴线传播的各个脉冲超声波横波组成。随着超声波信号220沿杆部传播，当紧固件206经历干涉配合时，超声波信号220遭遇杆部210中受到材料202和204在杆部210上施加的压缩应力的区域222。遭遇一个或更多区域222使得传播的超声波信号220的横波模式转换为纵波，其相应于杆部210和材料202及204之间的干涉配合度。随后或穿过区域222的同时，传播的超声波信号220遭遇紧固件206的远端，然后，借助于紧固件206的远端(至少部分)反射回横波换能器218。因此返回超声波信号224从紧固件206的远端，沿紧固件206的长度，基本平行于紧固件206的轴线且朝向横波换能器218传回。结果，返回超声波信号224可遭遇相同或另外的区域222，其遭受源于干涉配合的压缩应力。因而，可进一步将返回超声波信号224模式转换为纵波，其相应于紧固件206和材料202及204之间的干涉配合度。结果，返回超声波信号224包括特征为纵波的模式转换分量和特征为横波的非模式转换分量。更特别地，已发现，返回超声波信号224的纵向分量的振幅/能量指示紧固件206和材料202及204之间的干涉配合度。也发现，返回超声波信号224的横向分量的振幅/能量也指示干涉配合度，虽然成反比。此外，也已发现返回超声波信号224的横向和纵向分 量的乘积和比率(反之亦然)指示紧固件206和材料202及204之间的干涉配合度。在一些实施例中，以及继续参考图1，IFF探测器216与控制器226通信。控制器226可包括动态波发生器(DWG) 228和超声波脉冲接收器(UPR) 230，其具有信号分析能力，然而也考虑其他构造。动态波发生器228可向横波换能器218提供波产生信号。此外，超声波脉冲接收器230可从横波换能器218接收指示返回超声波信号224的信号。因此，可分析返回超声波信号224，从而确定关于紧固件206和材料202及204之间的干涉配合的信息。例如，控制器226可为计算机、服务器、或其他计算装置，包括可操作地连接至存储�？榈拇娲⒔橹实囊桓龌蚋啻砥鳎佣庇纱砥髦葱懈媚？槭保缰葱卸ǚ⑸�228和超声波脉冲接收器230所执行的功能时，执行在此公开的技术。此外，控制器226可与显示器232通信，在其上显示图形用户界面234。图形用户界面234能够包括关于紧固件206、材料202和204、以及系统200 (例如，紧固件206的具体安装的设计所要求的干涉度)的信息236。另外，或可替换地，图形用户界面234能够包括指示器238，其用于显示由控制器226确定存在的干涉配合度的指示。例如，指示器238能够包括干涉配合度的数字读出、其模拟指示、紧固件206的合格/不合格(go/no-go)指示、或波型的图形表示。因而，指示器238能够指示紧固件206是否将提供耗散到周围材料202或204中的电流。此外，控制器226能够包括(或者与之通信)有形计算机可读介质(CRM)240或存储器装置，用于储存计算机可读指令，当由控制器(或处理器)执行该指令时，该计算机可读指令使得控制器226执行在此公开的方法和/或实施方式(全部或部分)。图3示出用于验证依照本公开实施例的紧固件206的干涉配合的方法300的流程图。以逻辑流程图中的运行集合而图解方法300，其代表能够在硬件、软件、或其组合中执行的运行顺序。在软件的情况下，运行动作通常代表当计算机指令被一个或更多处理器执行时，执行所述运行。为了讨论的目的，参考以上参考图2所述的例示性系统200的组件描述方法300。在302，控制器226通过产生电子信号激活横波换能器218，从而以动态波发生器228驱动横波换能器218。无论电子信号的类型，在304，横波换能器218开始将超声波信号220通过横波耦合介质界面发送至紧固件206，因而使得横波通过紧固件206传播。在一些实施例中，能够在304前将横波耦合介质界面(例如，超声波耦合凝胶)施加至紧固件206，从而帮助将超声波信号耦合至紧固件206或从紧固件206耦合超声波信号。此外，能够以经选择的力将横波换能器218施加至紧固件206。横波换能器218能够在紧固件206的末端(或头部208)上移动，同时其将超声波信号220发送到紧固件206中。因而，无论区域222(其受到来自干涉配合的应力)在在紧固件206中的何处出现，横波换能器218都将同样探测到干涉配合引起的应力。此外，如果源自干涉配合的应力在紧固件206中变化，则横波换能器218将可能探测到该变化的完整范围。确实，在一些实施例中，进行以下过程有益，即选择离紧固件206的纵向中心的特定距离，在离中心该距离放置横波换能器218，并且关于紧固件206的头部以基本圆形运动移动横波换能器，从而探测该径向距离上绕紧固件206的干涉配合。 例如，如果紧固件206或孔不圆，可出现杆部部分圆周比其他圆周部分经历更多或更少的干涉配合。由于该变化，对于任何给定的紧固件206，可获得一读数范围。取决于 用户的期望，可使用该范围内的最小、最大、平均或其他数值，从而确定干涉配合度。例如，如果该范围的任何部分指示不合规格的配合，就可确定紧固件206不合规格。在该情况下，应移除、重新安装、替换(以相同或不同尺寸的另一紧固件206)紧固件206。随着发送的超声波信号220穿过紧固件206，受应力的区域222将一部分发送的超声波信号220模式转换为纵波。发送的超声波信号220的未被模式转换的横波分量和模式转换的纵波分量返回至横波换能器218，由此在306横波换能器218接收返回超声波信号224。在308，控制器226使返回超声波信号224和紧固件206与材料202及204之间的干涉配合度关联。例如，在一些实施例中，控制器226确定返回超声波信号224的模式转换纵波分量的振幅或能量。在一些实施例中，控制器226确定返回超声波信号224的未被模式转换横波分量的振幅或能量。在一些实施例中，控制器226确定两种振幅或能量以及两种振幅或能量的乘积和比率。另外，或可替换地，控制器226能够整合纵波和/或横波分量，从而确定在各个分量中返回的能量的量，并且从而将其关联于干涉配合度。在这点上，有时有助于使用声耦合材料耦合进入/来自紧固件206和横波换能器218的(发送和/或返回的超声波信号220和224的)横波。不管控制器226从返回超声波信号224确定的是哪个值，控制器226都使该值与紧固件206与材料202及204之间的干涉配合度关联。这样做，控制器226能够考虑各种因素，例如紧固件206的类型、紧固件的长度、紧固件206的直径(或其他尺寸)，而无论紧固件206是否具有头部208以及(如果有)紧固件206所具有的头部208类型、材料202和204的类型、紧固件206自身的材料、紧固件206是否关于材料202和204表面成角度(除了 90度)安装，等等。例如，紧固件206具有头部208时，可为这样的情况，即邻接头部208的材料202或204与头部208的交互作用可引起杆部210和头部208的区域经历一些拉力/压缩应力。该应力可影响发送的超声波信号220的模式转换。因而，通过考虑关联该因素和干涉配合度的实验获得数据，如308所示，控制器226能够确定紧固件206和材料202及204之间的干涉配合度。图4示出依照本公开实施例的经配置从而验证紧固件干涉配合的另一设备的横截面图。系统400包括类似于图2中的系统200中所示的硬件、软件等。然而，如在此公开所述，系统400中的一些硬件、软件等等的构造与系统200中的不同。图4的系统400包括导轨402，IFF探测器216安装在其上。导轨402的长度和形状允许其大致将IFF探测器216定位于安装在各工件中的紧固件206之上或附近，该工件例如但是不限于图I中的飞机100的机身102、机翼组件104、尾翼组件106等。在一些实施例中，导轨402包括这样的特征，该特征被选择成定向横波换能器218，进而在紧固件头部上的指定位置将大约0度的横波发送至紧固件206，但是已发现，对于许多应用，即使手动定向横波换能器218，也能提供足够的精确度和可重复的结果。继续参考图4，导轨402也包括游标定位工具(未示出)，用于对齐横波换能器218和紧固件206。这些游标定位工具允许探测器216使横波换能器218和紧固件206对齐，以便发送的超声波信号220仅在紧固件206内传播，并且沿其表面可能发现源自于干涉配合的压缩应力区域222传播。在一些实施例中，探测器216包括适配器，其按形状和尺寸匹配紧固件206的头部208，并且从而因此对齐横波换能器218。虽然一些实施例提供使横波换能器218和紧固件206对齐的游标控制，但已发现，对于许多应用，即使邻近紧固器206手动定位横波换能器218，也能产 生令人满意的结果。但是，能够在紧固件206上定位横波换能器218并且与其纵向轴线412 (或中心)对齐。在一些实施例中，横波换能器218为环形换能器，其尺寸被设计为使得横波换能器218的作用单元指向并且通过紧固器206内由于紧固件206可能经历的干涉配合而受到压缩力的区域222。因而,横波换能器218的有源元件(active element)能够离紧固件206的纵轴线412距离r定位。在一些实施例中，选择距离r，以便横波换能器的有源元件与紧固件206内的环形柱对齐，该环形柱由紧固件206的表面、距离r、以及横波换能器218的有源元件的几何形状限定。另外，或可替换地，系统400包括使导轨402和IFF探测器216可操作地耦合的施力组件404。图4示出的施力组件404包括起重器(jack)或弹簧力致动器设备406、真空组件(参见图8)、或用于保持横波换能器218抵靠紧固件206 (或覆盖紧固件206的材料202或204)的其他此种机构。施力组件404也能够包括螺杆408、杠杆、或被可操作地耦合至换能器支架组件406从而调整换能器支架组件406保持横波换能器218抵靠紧固件206的力的其他机构。图4也示出该施力组件404能够包括测压单元410、刻度尺或其他力测量装置，该其他力测量装置被以这样的方式可操作地耦合在导轨402和换能器支架组件406之间，即测压单元410测量换能器支架组件406保持横波换能器218抵靠紧固件206的力。此外，螺杆408和测压单元410被可通信地耦合至控制器226，以便控制器226能够控制螺杆408(以及换能器支架组件406)，并且获得测压单元410所探测的力。因而，在一些实施例中，控制器226控制这样的力，横波换能器218将该力施加至紧固件206。因而，导轨402和施力组件404 (或者再加上支架414)允许横波换能器218与紧固件206对齐，并且对其施加经选择的力。另外，或者可替换地，系统400包括施加在横波换能器218和材料202或204之间的间隙填充物416、粘合剂或其他声耦合材料层。结果，横波换能器218能够被声耦合至紧固件206，用于将超声波信号有效、可重复并且精确地发送至紧固件206(以及为了从其接收返回超声波信号224)。图5示出用于验证依照本公开实施例的紧固件206的干涉配合的另一方法500的流程图。在方法500的准备中，可将声耦合材料414施加至一个或更多紧固件206。例如，可将声耦合材料414的薄膜施加至机翼组件104(参见图I)的一列(或组)紧固件206。如果材料202或204其中之一覆盖紧固件206，则声耦合材料可以被施加至覆盖材料202或204。在一些实施例中，控制器226使用定位机构，其被可操作地耦合至导轨402和IFF探测器216，从而靠近一个紧固件206定位IFF探测器216，参见502。导轨402的一些实施例包括游标定位机构，从而在紧固件206上精确定位IFF探测器216，从而将超声横波耦合在指定位置，后者经选择从而提供精确的干涉配合测定。在504，控制器226对齐横波换能器218和紧固件206。更具体地，能够使横波换能器218与紧固件206对齐，以便横波换能器218的有源元件指进区域222中，区域222受到源于紧固件206和材料202及204之间的干涉配合的压缩力。可通过控制器226以及导轨402上的定位机构(游标或其他)完成该对齐。更具体地，控制器226能够访问关联飞机100 (参见图I)的CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)文件，从而以与紧固件206的精确关系定位IFF探测器216。另外，或可替换地，可完全或部分通过使用IFF探测 器216上的适配器完成该对齐。适配器能够按形状和尺寸成形，从而匹配紧固件206的头部，并且因此对齐横波换能器。因而，在506，对齐横波换能器的有源元件，从而沿着紧固件206的表面将超声波信号220发送经过其长度。在506，控制施力组件404的换能器支架组件406和螺杆408 (或图8的真空系统、弹簧加载机构或其他设备)，从而以经选择的力将横波换能器218施加至紧固件206，从而符合具体紧固件206的构造。该力帮助分散声耦合材料414，填充横波换能器218和紧固件206之间的任何间隙，并且因此在横波换能器218和紧固件206之间提供声耦合。如本文中别处所述，确定紧固件206和材料202及204之间的干涉配合度。参见508。例如，能够将超声波信号220发送进紧固件206，沿紧固件206的表面传播，并且响应紧固件206经历的干涉配合度而进行模式转换。因而，在508，控制器226接收返回超声波信号224、对其分析，并且确定紧固件206正经历的干涉配合度。在510，横波换能器能够从紧固件206撤回，并且被邻近另一个紧固件206重新定位，从而确定另一紧固件206和材料202及204之间的干涉配合度。否则如果期望，则在512，对紧固件206的检查可被认为完成。例示性干涉配合测量图6示出依照本公开实施例的图解许多数据样本的干涉配合的例示性图集6A-6H。图表6A-H示出测试期间，反射信号的纵波和横波分量的能量(伏特_微秒)与来自接收的波形的IFF度之间的关系。图表6A-H包括许多测试数据样本，其每个都具有已知的干涉配合。对于每个测试数据样本，都使用依照本公开的教导的方法和设备的实施例测量非线性或非线性斜率(伏特-微妙/干涉配合)。此外，用于获得测试数据样本的探测器216被弹簧加载,从而以恒定的选定力保持横波换能器218抵靠紧固件206。可使用回归分析关联程序，从而建立波形特征和与材料202及204的干涉配合之间的关联曲线。对于图表6A-H所示的每种测量类型，对于处于设计要求内的各个干涉配合都可确定阈值范围，因而校准图2和图4中的系统200和400。例如，这些关联可包括关联测量的干涉配合度与经验(或测试)数据。在该情况下，对于许多测试样本，可已知干涉配合度。可使用在此公开的技术和/或设备分析测试样本，从而测量发送的超声波信号220和返回超声波信号224之间的变化。然后绘线图、联合或以其他方式使该测量的变化关联于已知样本的相应干涉配合。在其他情况下，模拟数据可与测量的应力一起使用，或者解析式可从经验和/或模拟数据导出。另外，或可替换地，可创建查找表，从而将测量值从信号分析转换为相应的干涉配合。每种类型的紧固件材料都可具有所观测的应力和干涉配合之间唯一(unique)的关联。例如，加固复合材料可具有第一关联查找表(或解析式等等)，而金属材料可具有第二关联查找表。另外，加固复合材料的不同变化也可包括唯一的查找表，从而从信号分析建立相应的干涉配合。类似地，可执行材料202及204和各个紧固件206类型和尺寸之间的各种相关联，从而改进在此公开的分析结果。为了测试紧固件206，一旦建立了阈值范围，就可反向进行上述关联过程。因而，代替以未知的关联返回超声波信号测试已知的干涉配合，该过程可包括使用已知的关联返回超声波信号224测试未知的干涉配合。
在用于获得数据样本的实验系统中，将Ritec RPR-4000高功率声波脉冲发生器/接收器用作超声波脉冲接收器300。此外，设置动态波发生器228，从而以具有500伏特的振幅的波驱动超声波脉冲接收器230。也发现，动态波发生器228能够以低至100伏特(并且在一些情况下甚至为50伏特)的信号驱动超声波脉冲接收器230，控制器226产生有意义的结果。实验系统使用DELL 630笔记本计算机，其配置有PicoScope 6软件和Lab View8. 0版本(具有MatLab能力)软件作为控制器226。另外，DELL 630计算机配备有PicoScope型5024USBDigital Oscilliscope (数字示波器)。实验系统与以下装置一起使用，即 01ympus、NDT/Panametric Model Nos. V-155RM 和 V156RM 以及 Technicsonic 5MHZ 横波换能器218.继续参考图6，图表600示出以下类型的实验数据(或结果)图表600A :返回超声波信号224的纵波分量的最大能量。图表600B :返回超声波信号224的横波分量的最大能量。图表600C :返回超声波信号224的纵波和横波分量的最大能量的点积。图表600D :返回超声波信号224的纵波和横波分量的最大能量的比率。图表600E :返回超声波信号224的纵波分量的最小能量。图表600F :返回超声波信号224的横波分量的最小能量。图表600G :返回超声波信号224的纵波和横波分量的最小能量的点积。图表600H :返回超声波信号224的纵波和横波分量的最小能量的比率。图表600A-H示出，返回超声波信号224的纵波和横波分量的能量(图表600A、B、E和F)及其点积(图表600C和G)展示出比这些数值的比率(图表600D和H)与干涉配合度更好的相关性。因此，在一些实施例中，使用返回超声波信号224的纵波和横波分量的能量和/或其点积，从而确定各个紧固件206和紧固件孔214之间的干涉配合度。此外，能够不移除紧固件206而确定各个干涉配合度。因而，能够比目前更快、更有效、并且更准确和精确地实施紧固件安装验证。图7示出实验数据(返回超声波信号224的纵波和横波分量的比率)的图表700，这些实验数据是针对在一个干涉配合范围内的具体小紧固件206而收集的。对于每个数据点，该图表都指示纵波和横波能量的最大和最小比率(通过使横波换能器218绕紧固件206的头部208移动而探测)。图表700还表明每个测试的已知干涉配合的平均比率。干涉配合(沿X轴的数值)代表紧固件206的杆部210和紧固件孔214之间的装配直径的差异。注意以下问题可能是有用的即0. 001英寸的正干涉配合和0. 0005英寸的负干涉配合测试布置(最右两个数据点)不处于所讨论的具体紧固件206的公差内(即，干涉配合太松)。如图7所示，能够将最小二乘法拟合、回归技术等可以应用于该数据，从而确定振幅比率和干涉配合度之间的线性或非线性关系702。由于图7所示的比率展示大致线性关系，并且由于两个公差外数据点都具有大致位于其他数据点之下的比率，所以图表700也示出，至少能够在一些情况下使用返回超声波信号224的纵波和横波组件之间的比率，从而确定紧固件206和紧固件孔214是否提供令人满意的干涉配合。此外，在波音787翼盒的测试布置上进行的示范产生以下数据。表I :波音787翼盒测试数据
权利要求
1.一种方法，其包含 发送横波超声波信号通过紧固件的区域，当所述紧固件经历干涉配合时所述区域经受应力，被发送的超声波信号行进通过所述区域并且由此对应于所述紧固件正在经历的干涉配合度被模式转换； 从所述紧固件接收返回超声波信号； 从所述返回超声波信号，确定所述紧固件正在经历的所述干涉配合度；以及 输出对所述干涉配合度的指示。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述干涉配合在所述紧固件和复合材料之间。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述返回信号是从所述紧固件的杆部的末端表面反射的。
4.根据权利要求I所述的方法，其中对所述干涉配合度的所述指示为合格/不合格指/Jn ο
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述确定进一步包含比较所述返回超声波信号的纵波分量的能量和横波分量的能量。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述横波超声波信号被换能器发送通过横波传播凝胶耦合剂界面，并且进一步包含在发送和接收所述超声波信号期间，以经选择的力将所述换能器施加至所述紧固件。
7.根据权利要求I所述的方法，其中所述横波超声波信号是由换能器发送的，并且进一步包含对齐所述超声波换能器和所述紧固件。
8.根据权利要求8所述的方法，其中所述对齐进一步包含基于所述紧固件的构造而对齐所述超声波换能器和所述紧固件。
9.根据权利要求I所述的方法，其进一步包含发送另一横波超声波信号通过所述紧固件的不同区域，并且确定所述紧固件所经历的另一干涉配合度。
10.一种系统，其包含 超声波换能器； 处理器，其与所述超声波换能器通信；以及 存储器，其与所述处理器通信，并且存储计算机可读指令，当由所述处理器执行所述指令时，使得所述处理器执行以下动作 经由所述超声波换能器发送横波超声波信号，其中当所述超声波换能器通过横波传播凝胶耦合剂界面与紧固件对齐时，所述超声波换能器传送所述横波通过所述紧固件的区域，所述区域在所述紧固件经历干涉配合时经受应力； 当所述超声波换能器与所述紧固件对齐时，经由所述超声波换能器从所述紧固件接收返回超声波信号，所述返回超声波信号已在通过经受应力的所述区域时对应于所述紧固件经历的干涉配合度进行了模式转换； 从所述返回超声波信号的所述模式转换确定所述紧固件经历的所述干涉配合度；以及 输出对所述干涉配合度的指示。
11.一种计算机可读存储介质，其存储计算机可读指令，当由处理器执行所述指令时，使得所述处理器执行以下动作 经由超声波换能器发送横波超声波信号，其中当所述超声波换能器与紧固件对齐时，所述超声波换能器传送所述横波通过所述紧固件的区域，所述区域在所述紧固件经历干涉配合时经受应力； 当所述超声波换能器与所述紧固件对齐时，经由所述超声波换能器从所述紧固件接收返回超声波信号，所述返回超声波信号已在通过经受应力的所述区域时对应于所述紧固件经历的干涉配合度进行了模式转换； 从所述返回超声波信号的所述模式转换确定所述紧固件经历的所述干涉配合度；以及 输出对所述干涉配合度的指示。
全文摘要
本发明公开验证紧固件的干涉配合的技术和工艺的实施例。在一个实施例中，换能器被定位为发送横波超声波信号通过紧固件的区域，该区域在紧固件经历干涉配合时经受应力。横波超声波信号被发送通过经受应力的紧固件区域。当被发送的超声波信号遇到该区域时，其对应于紧固件正在经历的干涉配合度而被模式转换。通过换能器接收来自紧固件的返回超声波信号。处理器从返回超声波信号确定紧固件经历的干涉配合度，并且输出对其的指示。
文档编号G01L5/24GK102782469SQ201080046475
公开日2012年11月14日 申请日期2010年9月7日 优先权日2009年10月15日
发明者G·E·格尔吉森, K·E·尼尔森, M·麦肯纳, P·S·卢瑟福 申请人:波音公司
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