光纤传感器网络和用于监测复合低温液氢燃料箱的结构健康状况的方法与流程

本发明涉及一种光纤传感器网络和一种用于监测复合低温液氢燃料箱的结构健康状况的方法，特别是在飞机应用中，该方法使用这种光纤传感器网络。它也适用于氢分布的许多其他部件的安全，如飞机内的管道、泵或阀门。

背景技术：

1、航空业正在考虑将氢作为未来客机的清洁燃料，以满足可持续运输的需求。

2、作为燃料，氢气(h2)具有极高的比能量的优点。然而，其较低的比密度抵消了得到相对较低的体积能量密度。为了弥补这一问题，需要在低压(约1巴)但在深度低温状态(20k)下以液态形式储存h2，以最小化储存体积和避免h2的沸点。

3、碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer,cfpr)是正在研究的用于燃料箱的预期材料家族之一，以试图改善金属合金重量相对高的解决方案。cfpr具有高强度和高刚度(stiffness)、高韧性以及良好的耐化学性。然而，由于在这种情况下频繁的极端低温热机械加载循环，在cfrp箱中可出现两种主要的损伤模式，基体微裂纹和层间分层。此外，由于层压板渗透性增加和h2分子尺寸较小，通过箱壁形成广泛的裂纹网络也可能导致h2逐渐泄漏，这最后一方面是至关重要的，并且会严重影响结构的安全性、箱的热隔离(低温概念的箱结构包括由真空芯分隔的内壁和外壁)以及最后但并非最不重要的是，由于燃料泄露，经济上也会被拒绝。

4、为了减轻渗透问题，只有在额外添加防渗材料(衬里)的情况下，才能考虑将cfrp材料用于h2箱。这些防渗材料层应该施加在内箱的外表面或内表面上，但是由于均匀性问题、施加程序、使用条件等，目前它不能被认为是避免h2渗透的完整解决方案。

5、总的来说，目前检测复合部件中以微裂纹和分层形式出现的临界损伤累积是一项困难且耗时的任务，甚至由于裂纹闭合或由于层压板截面较厚，这些类型的损伤可能无法通过常规的非破坏性方法如超声波或x射线扫描技术检测到。

6、微裂纹和随之而来的层压板渗透性的增加在微观和宏观上表现为气体泄漏路径的形成以及材料机械性能的改变。

7、此外，这些损伤模式的预测以及如何确定它们对构件的结构性能和渗透率等材料性能的影响，至今仍是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光纤传感器网络和一种用于监测复合低温液氢燃料箱的结构健康状况的方法，该方法允许以简单的方式在使用条件下间接检测微裂纹网络，以便控制该燃料箱的结构完整性。

2、本发明提供了一种适于安装在氢燃料箱中的光纤传感器网络，其中多个光纤传感器被连接形成网络，并且被放置在箱中，并且通过将修改的光特性转换成相应的物理变量被配置成能够连续地并且同时地测量这些物理变量：温度、应变和压力，或者来检测h2。

3、本发明还提供了一种用于监测复合低温液氢燃料箱的结构健康状况的方法，该方法包括以下步骤：

4、a)确定作为使用条件的函数的材料配置的渗透率曲线k＝f(t)，并确定材料配置的临界k值，

5、b)具有特定材料配置的箱的实际使用测试(real in-service test)：

6、-通过集成在网络中的光纤传感器连续测量以下参数:

7、-内箱内部的温度分布，

8、-中间室内的温度分布，

9、-外箱上的温度分布，

10、-箱几个位置的应变，以及

11、-箱内部和中间室内的压力，

12、-分析测量参数随使用时间的变化和相关性；和

13、-确定微裂纹的阈值水平，并评估箱的渗透状态，将k与临界k值进行比较，以便做出是否对箱进行维护或修理的决定。

14、同时监控所有参数的光纤传感器网络能够对箱在时间周期内发生的物理事件进行相关研究和分析。

15、同时进行参数分析的组合增加了微裂纹诊断的灵敏度，促进了测量的冗余，并且最小化了相同数量级的一些参数由于测量不确定性而幅度变化所产生的错误警报的存在。

16、本发明的其他特征和优点将从以下结合附图说明本发明目的的几个实施例的详细描述中变得清楚。

技术特征：

1.光纤传感器网络，适用于安装在氢燃料箱(1)中，其特征在于，多个光纤传感器连接形成网络并放置在箱(1)中，并且被配置为能够连续且同时测量这些物理变量：温度、应变和压力，或者通过将修改的光特性转换成相应的物理变量来检测h2。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器网络，其中，所述氢燃料箱(1)是单壁箱。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器网络，其中，所述氢燃料箱(1)的类型是复合低温液氢燃料箱，其包括内箱(2)、外箱(3)和位于内箱(2)和外箱(3)之间的中间室(4)，其中所述多个光纤传感器放置在内箱(2)、中间室(4)和外箱(3)中。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤传感器网络，包括被配置为能够连续且同时测量加速度的额外光纤传感器。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤传感器网络，包括被配置为检测o2的额外光纤传感器。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤传感器网络，其中，所述多个光纤传感器是发光光纤传感器。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤传感器网络，其中，所述多个光纤传感器是光纤布拉格光栅传感器。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤传感器网络，其中，所述多个光纤传感器是反向散射传感器。

9.用于监测权利要求3-8中任一项所述的复合低温液氢燃料箱(1)的结构健康状况的方法，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的用于监测复合低温液氢燃料箱(1)的结构健康状况的方法，其中，作为使用条件的函数的材料配置的渗透率曲线k＝f(t)的确定，以及材料配置的临界k值的确定在初步测试之后进行，所述初步测试包括：

11.根据权利要求9或10所述的用于监测复合低温液氢燃料箱(1)的结构健康状况的方法，还包括通过放置在中间室(4)内部和/或箱(1)外部并集成在网络中的光纤传感器来检测h2。

12.根据权利要求9或10所述的用于监测复合低温液氢燃料箱(1)的结构健康状况的方法，还包括通过放置在中间室(4)内并集成在网络中的光纤传感器来检测o2。

13.根据权利要求9或10所述的用于监测复合低温液氢燃料箱(1)的结构健康状况的方法，还包括通过集成在网络中的箱(1)的不同位置处的不同光纤传感器加速度计来连续测量振动模式。

14.根据权利要求10所述的用于监测复合低温液氢燃料箱(1)的结构健康状况的方法，其中，所述样本结合了断层摄影检查相机，以同时研究裂纹的变化。

技术总结光纤传感器网络和用于监测复合低温液氢燃料箱(1)的健康状况的方法，该方法包括以下步骤：a)确定作为使用条件的函数的材料配置的渗透率曲线k＝f(t)，并确定材料配置的临界k值，b)对具有特定材料配置的箱(1)进行实际使用测试：通过集成在网络中的光纤传感器连续测量以下参数：内箱内部的温度分布、中间室内的温度分布、外箱上的温度分布、箱多个位置的应变，以及箱内部和中间室内的压力；分析测量参数随使用时间的变化和相关性；和确定微裂纹的阈值水平并估计箱(1)的渗透状态，将k与临界k值进行比较，以便做出是否对箱(1)进行维护或修理的决定。技术研发人员：C·德米格尔吉拉尔多受保护的技术使用者：空中客车操作有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/8/5