基于压电阻抗的结构健康监测技术的研究

论文摘要

近十年来,压电阻抗法应用于结构健康监测引起了广泛的关注。其基本原理是:结构损伤将引起结构机械阻抗变化,由于结构的机械阻抗难以通过直接测试得到,可利用压电材料的机电耦合效应,将结构的损伤表现为粘贴主体结构表面的压电片电阻抗的变化。由于交变电场的工作频率高频范围,所以该技术对结构早期的细小损伤非常敏感。但是,由于损伤的结构力学模型的复杂性和高频分析的困难性,很难从理论上精确地模拟压电阻抗结构健康监测技术,因此,目前压电阻抗技术还是一种定性的监测方法。为了校核高频电阻抗分析的现有结构理论和验证基于高频电阻抗信号的结构损伤监测方法的有效性,提出可应用结构健康监测的精细压电阻抗有限元模型。考虑压电片-粘结层-主体结构三者的耦合作用和黏结层的影响,通过三维有限元谐响应分析方法,利用通用有限元软件ANSYS建立压电片-粘结层-主体结构组成的耦合系统的三维有限元模型进行数值模拟,验证了损伤参数对电导纳信号产生的影响,分析了粘结层一些参数对电导纳信号的影响,用有限元方法从理论上证明了压电阻抗法对梁和板的损伤扩展监测的有效性,也证明了压电阻抗法用于层合结构脱粘损伤的可行性。利用精密阻抗分析仪HP4294A对梁、板和三层钢框架进行了实验研究。通过实测实验数据和理论计算数据的对比分析,验证了计算模型的正确性。通过对有损伤梁、板和三层钢框架的实验研究,引入损伤指标RMSD,该指标可以定量地识别损伤程度和损伤扩展地趋势;最后通过实验研究,分析了温度、导线长度和电压外界因素对压电片电导纳信号地影响。以上研究工作表明,压电阻抗健康检测技术可应用于工程实践。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图清单
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构健康监测技术的研究现状
• 1.2.1 结构健康监测的发展
• 1.2.2 结构健康监测系统的构成
• 1.3 结构健康监测中损伤识别的方法
• 1.3.1 局部检测方法
• 1.3.2 整体检测方法
• 1.4 压电阻抗健康监测技术的研究现状和存在的问题
• 1.5 压电阻抗健康监测技术的优点
• 1.6 本文主要的研究内容
• 2 压电效应的有限元分析理论
• 2.1 有限元分析方法
• 2.1.1 有限元概述
• 2.1.2 ANSYS软件
• 2.2 压电材料的ANSYS建模
• 2.2.1 压电单元的选择
• 2.2.2 压电材料参数与坐标变换
• 2.3 压电材料的有限元分析方法
• 2.4 本章小结
• 3 压电阻抗健康监测的三维有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 传统的压电阻抗健康监测的有限元分析方法
• 3.3 三维压电阻抗有限元谐响应分析理论
• 3.4 三维压电有限元分析
• 3.4.1 自由压电片的EMI分析
• 3.4.2 压电片-粘结层-主体结构耦合系统的EMI分析
• 3.4.3 损伤参数对于EMI信号的影响
• 3.5 粘结层特性的对压电阻抗信号的影响的有限元研究
• 3.5.1 粘结层厚度的影响
• 3.5.2 粘结层弹性模量的影响
• 3.5.3 粘结层泊松比的影响
• 3.6 损伤扩展对压电阻抗信号影响的有限元研究
• 3.6.1 梁的损伤模拟
• 3.6.2 板的损伤模拟
• 3.7 层合结构脱粘损伤的有限元研究
• 3.8 本章小结
• 4 压电阻抗健康监测的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置和试件
• 4.3 自由压电片的测试
• 4.4 梁杆的损伤的测试
• 4.5 三层钢框架的损伤测试
• 4.6 考虑其它因素对压电片电阻抗信号的影响
• 4.6.1 温度变化的影响
• 4.6.2 压电片与阻抗分析仪之间导线的长度
• 4.6.3 电压的影响
• 4.7 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 本文主要创新点
• 5.3 研究展望
• 参考文献
• 附录:作者攻读硕士学位期间的论文