基于Lamb波的结构损伤识别试验研究

论文摘要

结构健康监测是设备状态监测和故障诊断的基础,智能材料与结构的应用是进行结构健康监测的重点。PZT（锆钛酸铅压电陶瓷）能广泛应用于智能材料结构中。PZT能与基体材料很好结合,具有正压电效应和逆压电效应,在智能材料结构中既能用作传感元件又能用作驱动元件。PZT还具有较好的机电耦合系数、压电常数、机械品质因数、居里温度和稳定性等。本文充分发挥PZT既可作为传感器又可作为驱动器的优势,进行铝板损伤检测的试验研究。主要研究内容包括:首先,采用数值方法对Lamb波进行建模,并对Lamb波激励进行优化。其次,基于压电基本理论,介绍PZT电压感知机理和阻抗感知机理,以及PZT压电陶瓷各种性能参数对PZT材料特性的影响;研究PZT驱动、感知元件的制作与粘贴工艺,建立结构主动健康监测试验平台。第三,通过试验,研究PZT用于铝板结构裂缝损伤的检测。验证Lamb波群速度频散曲线;研究基于最小二乘法的峰值损伤因子;应用波传播时间延迟和能量-时间谱的衰减,结合板的对称性,对单一裂缝损伤、单一有蜡填充裂缝损伤、多处裂缝损伤进行损伤检测进而精确定位,试验结果证实该方法是切实可行的。最后,探讨了损伤率用于判断结构健康状况的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题目的和意义
• 1.2 结构健康监测的现状和发展趋势
• 1.2.1 结构健康监测系统的组成
• 1.2.2 结构健康监测发展现状
• 1.2.3 结构健康监测发展趋势
• 1.3 基于Lamb波的损伤检测研究的现状与趋势
• 1.4 Lamb波的信号处理技术
• 1.5 全文的主要工作内容
• 第2章 Lamb波的建模及激励信号优化
• 2.1 前言
• 2.2 Lamb波的建模
• 2.2.1 Lamb波的数值解
• 2.2.2 Lamb波相速度频散曲线的数值求解
• 2.2.3 相速度和群速度的概念
• 2.3 Lamb波激励优化
• 2.4 本章小结
• 第3章 压电基本理论及其监测系统
• 3.1 前言
• 3.2 PZT的压电效应、压电方程及主要特性参数
• 3.2.1 PZT的压电效应
• 3.2.2 PZT的压电方程
• 3.2.3 压电元件的主要特性
• 3.3 PZT传感机理
• 3.3.1 基于电压监测变量的PZT传感机理
• 3.3.2 基于电导率监测变量的PZT传感机理
• 3.4 主动激励健康监测系统
• 3.5 PZT传感器的制作与传感工艺
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于Lamb波的结构损伤识别试验研究
• 4.1 测量频散曲线
• 4.1.1 传播时间的确定
• 4.1.2 频散曲线
• 4.2 基于最小二乘法的峰值损伤因子
• 4.2.1 峰值损伤因子的提出
• 4.2.2 峰值损伤因子的拟合
• 4.3 主动激励无损伤检测试验
• 4.3.1 试验基础
• 4.3.2 试验方案
• 4.3.3 试验
• 4.3.4 损伤率的求取
• 4.4 本章小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢