压电层合智能结构冲击损伤自诊断方法的研究

针对压电层合板智能结构,建立了压电阻抗的计算模型,从理论上分析了压电阻抗与结构机械阻抗的相关性,并对冲击损伤试件的压电阻抗进行了实验测试.理论分析和实验研究表明,通过直接测量压电阻抗并提取与冲击损伤相关的特征信息来评价冲击损伤的方法是可行的.该方法基于压电智能结构的机-电动态阻抗特性,不受结构的几何形状限制.测试用的压电元件成本低、且对主体结构刚度的影响很小,测量压电阻抗的方法简单可行,易于实现压电层合智能结构冲击损伤的自诊断功能,有望作为一种新技术在飞行器结构损伤监测方面获得实际应用.     

基于压电阻抗技术的疲劳裂纹监测系统计量校准

压电阻抗(EMI)技术是二十世纪末新发展起来的一种结构健康监测方法。通过测量粘贴或埋入结构内部的压电材料电阻抗信号的变化,间接反映机械结构的阻抗变化。基于该原理,特种设备检测机构开发了压电阻抗技术的疲劳裂纹监测系统,为了保障该监测系统计量性能准确,研究并搭建了相应的校准测试平台。     

利用压电自传感驱动器进行裂纹钢梁损伤识别的实验研究

压电陶瓷是一种智能材料，可以在结构健康监测系统中同时用作传感器和驱动器。基于压电阻抗的损伤识别技术的基本原理，对裂纹钢梁进行了损伤识别和定位的实验研究。将三片压电陶瓷（PZT）粘贴在钢梁表面的不同部位作为驱动器和传感器，通过测量梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化来识别梁中的裂纹损伤。从导纳（阻抗的倒数）幅值谱曲线中提取裂纹梁的反谐振频率，通过比较各压电片位置的反谐振频率变化识别了裂纹位置；同时比较不同损伤工况下的反谐振频率变化定性地识别裂纹梁结构的损伤程度。     

含损伤梁的三维有限元压电阻抗模型及参数研究

采用有限元软件ANSYS进行数值模拟分析,构建了含损伤梁的三维有限元压电阻抗（EMI）模型。分析中考虑粘结层的影响,将压电片-粘结层-主体结构作为整体耦合系统加以考察。与实验数据以及其它研究结果进行了对比分析,验证了该有限元压电阻抗模型的有效性和精确性。考察了各物理参数对压电阻抗信号的影响,尤其是梁中裂纹的出现和发展对电阻抗谱的作用。计算结果表明该压电阻抗模型能用于结构损伤识别。最后,讨论了有限元单元尺寸的选取对高频振动分析结果的影响。     

一种埋入型PZT的三维等效机电阻抗模型——第一部分:理论

基于压电陶瓷(PZT)圆片三维耦合振动原理,建立了埋入型PZT传感器与基体结构相互作用的三维等效机电阻抗模型,扩大了机电阻抗(EMI)技术的应用范围。通过引入等效机械阻抗,利用压电材料的压电效应,得到了PZT与结构耦合的电导纳方程。这一方程明确体现了PZT机械阻抗与结构机械阻抗对耦合电导纳的贡献。由此电导纳方程,可以得到自由PZT电导纳曲线,为结构等效机械阻抗的提取提供了基础。     

压电阻抗损伤识别温度影响的协整消除方法研究

近年来结构健康监测与损伤识别研究中广泛采用压电高频机电阻抗方法(EMI)。由于环境温度变化也会使阻抗谱产生频移和幅值变化,甚至淹没结构损伤对阻抗谱的影响,造成损伤误报。因此提出了一种基于协整处理阻抗谱的方法,以消除长期监测过程中环境温度变化的影响。分析了阻抗谱中协整向量的构造原理,利用ADF检验和Johansen检验确定其不平稳阶数,将温度变化影响下不平稳的阻抗谱峰值频率时间序列协整为一个平稳的余量序列。利用压电片高频主动激励进行了钢板在温度变化工况下模拟损伤的EMI检测识别实验。实验结果表明,结构损伤导致平稳的协整余量序列发生突变,准确表征了结构损伤的发生,验证了阻抗谱协整处理环境温度变化方法的有效性。     

基于压电阻抗技术的结构损伤识别基本理论及其应用

结构材料早期的微小损伤若未及时发现,会不断改变结构的强度与刚度,引发结构的累计损伤,从而导致结构的突发性失效,因此,及时准确地识别结构材料早期微弱和潜在的损伤具有重要的理论与应用价值。观察结构内部真实裂纹的产生、传播以及确定内部任意位置的微观应力场一直是土木工程领域一个难题。论文利用压电陶瓷电机耦合阻抗(PZT)对结构微小损伤敏感、对外界环境影响免疫力强等特点,研究基于PZT监测信号的混凝土/钢结构微损伤的识别技术,为混凝土/钢结构健康评估提供准确与可靠的依据。介绍了作者所在课题组在利用PZT阻抗方法进行混凝土/钢结构微损伤识别方面的主要研究成果,并指出了该领域存在的困难和需要解决的主要问题。     

动态谐振法测量纵向压电应变常数的不确定度评定

基于阻抗分析仪和Labview平台建立了d33动态谐振法自动测量系统,选择柱状压电陶瓷NCE51进行特征参数的测试,通过分析压电常数测量的数学模型,对测量频率步长进行优化,对测试结果进行不确定度评定。结果表明,不同厚度的试样,频率步长要求不同,厚度为15mm的试样,在频率步长为50Hz时,纵向压电常数扩展不确定度为0.96% (k=2）,可以满足目前商用准静态测量仪2%～5%的测量不确定度量传需求。     

一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器

本文提出了一种采用PVDF压电薄膜代替弯张换能器的金属外壳的新型弯张换能器,即一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器。用阻抗分析仪、激光扫描测振仪和水声测量系统分别测量了采用PVDF压电薄膜的弯张换能器的谐振频率、带宽、发送电压响应、水平指向性。通过对比分析实验结果,可以看出该新型换能器与传统换能器一样可以将压电晶堆纵的振动转化为壳体的径向振动。     

压电元件的机械阻抗及在被动控制中的应用

从分析压电元件的机械阻抗出发。推导出具有外部电路压电元件系统的机械阻抗与电气阻抗的关系；得到了具有压电元件减振系统主系统的传递函数。用解动力减振器最优值的方法求得了具有最大减振效果时LR外部电路的最佳值。实验验证了具有外部电路压电元件系统的减振效果。结果表明：将最佳LR外部电路压电元件减振系统用于两端支持的简支梁时。其一阶模态的减振效果达到19dB左右。