金属梁结构表面微损伤的谱有限元分析

针对智能压电晶片梁结构,采用谱有限元方法,基于力电理论建立压电晶片/结构耦合系统的机电阻抗损伤评价的谱元数值模型。模型中假设采用Timoshenko梁理论,压电晶片采用Euler-Bernoulli梁理论和一维压电双向耦合理论。利用哈密顿原理得到时域中控制方程和边界条件,经FFT变换建立谱元模型,进而利用谱有限元法分析了导波的频率响应特性、导纳特性以及损伤对导纳响应的影响,数值结果与有限元结果取得较好的一致。谱有限元力电耦合模型为深入理解实际检测信号进行损伤检测和评估提供了分析依据。     

基于压电陶瓷的结构损伤检测技术

根据压电材料的压电效应,压电陶瓷片(PZT)既可作为传感器又可作为驱动器。将压电陶瓷片粘贴在待测结构的表面,运用压电阻抗技术,对结构中螺栓松动的损伤进行检测分析。实验证明,通过检测压电动态阻抗的变化即可分析出螺栓松动的结构损伤情况。基于压电陶瓷的结构损伤检测技术,可以对机械结构进行实时在线损伤检测,它不仅适用于宏观损伤检测,且在高频激励下,对于微小损伤的检测也非常有效。     

基于压电阻抗的混凝土裂缝深度发展定量研究

混凝土结构是土木工程领域使用最广的结构形式,裂缝是其损伤的主要形式。该文基于压电阻抗(EMI)监测技术,对混凝土立方体标准试块裂缝深度的定量发展进行了监测。制作150mm×150mm×150mm标准试块,将压电片(PZT)粘贴于试块表面,用精密阻抗分析仪HP4294A提取压电片在混凝土试块健康状况和不同损伤工况下的电导纳信号,并分析二者的联系。实验结果表明,随着裂缝损伤的发展,压电片电导纳频谱发生了变化;压电片-粘结层-主体结构耦合系统的共振频率及电导信号峰值能表征混凝土裂缝深度的发展,但其存在稳定性缺陷;传统损伤指标中,绝对比例平均偏差(MAPD)和均方根偏差(RMSD)比相关系数(CCD)更适于监测混凝土裂缝的出现,而CCD则比MAPD和RMSD更适于定量分析裂缝的发展。此外,该文还得到了混凝土试块裂缝发展时损伤参数的具体数值,可供EMI健康监测实际应用时参考。     

基于压电阻抗的混凝土裂缝深度发展定量研究

混凝土结构是土木工程领域使用最广的结构形式,裂缝是其损伤的主要形式。该文基于压电阻抗(EMI)监测技术,对混凝土立方体标准试块裂缝深度的定量发展进行了监测。制作150mm×150mm×150mm标准试块,将压电片(PZT)粘贴于试块表面,用精密阻抗分析仪HP4294A提取压电片在混凝土试块健康状况和不同损伤工况下的电导纳信号,并分析二者的联系。实验结果表明,随着裂缝损伤的发展,压电片电导纳频谱发生了变化;压电片-粘结层-主体结构耦合系统的共振频率及电导信号峰值能表征混凝土裂缝深度的发展,但其存在稳定性缺陷;传统损伤指标中,绝对比例平均偏差(MAPD)和均方根偏差(RMSD)比相关系数(CCD)更适于监测混凝土裂缝的出现,而CCD则比MAPD和RMSD更适于定量分析裂缝的发展。此外,该文还得到了混凝土试块裂缝发展时损伤参数的具体数值,可供EMI健康监测实际应用时参考。     

考虑粘结层和阻抗解析表达式的压电阻抗模型

引用根据自由梁振动原理得到的一维梁结构机械阻抗解析表达式,并考虑压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)和梁结构之间的粘结层对二者的应力应变传递过程的影响,改进了一维梁结构压电阻抗模型.在粘结系数ξ分别为0.01、0.02和1.00的3种粘结状态下,对5～80 kHz频率范围内PZT耦合电阻抗进行了数值计算.测量计算得到α-氰基丙烯酸乙酯、环氧树脂和改性丙烯酸酯三种粘结剂的粘结强度,分别为0.882 MPa、7.621 MPa和10.198 MPa,并在3种粘结状态下测量了5～80 kHz频率范围内PZT的耦合电阻抗.研究表明,数值模拟和实验测量所得的耦合电阻抗谱符合良好,数值计算与实验结果峰值对应频率的相对误差范围是0.25％～6.06％.     

缓冲层和外部电阻抗对薄膜体声波谐振器频率特性的影响

通过在AlN薄膜体声波谐振器上引入压电缓冲层和外部电阻抗来调节谐振器的频率特性,在考虑了缓冲层和外部电阻抗后,得到薄膜谐振器的输入电阻抗公式,并用来描述器件的机电行为。通过计算阻抗-频率谱评估了薄膜谐振器的频率特性和有效机电耦合系数k2eff,研究了缓冲层和外部电阻抗包括电阻、电感、电容对薄膜谐振器的阻抗-频率谱的影响。计算结果表明,外部电阻抗的引入可根本上改变薄膜谐振器的共振频率,且对k2eff有重要的影响。     

基于EMI结构损伤检测技术的模拟与分析

该文基于压电阻抗法(EMI)对带有损伤板类结构进行模拟分析,研究了损伤拓展对EMI信号的影响规律。首先,采用有限元软件ANSYS建立6种不同损伤情况下的三维精细"压电片(PZT)-主体结构"有限元模型;然后,对有限元模型进行动力谐响应分析,得到考虑损伤深度d、损伤位置与压电片距离s的压电片电导频谱信号;最后,通过横纵向对比分析了板类结构损伤扩展对压电片电导频谱信号的影响规律。分析结果表明,采用建立的含有细小损伤的三维精确压电有限元模型,可以精确地检测到压电片电导纳谱中的共振模态,进而可以很好地识别板类结构局部的细小损伤;验证了现有电阻抗法对含有细小损伤结构分析理论的有效性;当损伤位置越靠近压电片,电导频谱信号模态峰值向左偏移的就越多,因此,通过布置压电片的合理位置可以确定结构细小损伤的位置。     

环境温度对PZT阻抗特征的影响

机电阻抗(EMI)法是目前结构健康监测(SHM)技术中较热门的研究领域之一。实际应用中,EMI法测得的阻抗信号受温度干扰,因而对损伤产生误判。首先从理论上分析了温度导致阻抗发生变化的原因,然后以EMI法中典型的压电陶瓷(PZT-5H)型陶瓷传感器为研究对象,测试分析了温度对PZT电阻抗特征的影响规律。研究发现,阻抗峰值的频移与温度呈线性关系,且温度对峰值频移的影响与频率相关。进一步结合频率偏移及幅值的变化规律,建立了机电阻抗(EMI)法结构健康监测的温度效应修正模型。研究结果为消减环境温度对PZT阻抗特征的影响奠定了基础。     

疲劳裂纹扩展的实时健康监测

结构中微裂纹的产生和扩展是影响结构安全及其寿命的重要因素,在裂纹产生初期就将其监测出来对于提高结构安全性来说至关重要。目前研究这一领域的学者很多,但大多都集中在孔洞等较大尺寸损伤的在线监测阶段。该文研究了真实疲劳裂纹扩展的实时在线监测方法。采用主动Lamb波监测技术及机电阻抗技术对铝试件的真实疲劳裂纹扩展情况进行了监测和分析,给出了裂纹扩展程度与信号损伤参数间的关系曲线,并对两种监测方法进行了对比,对实验结果进行了讨论。     

基于压电阻抗技术的阻尼液黏度监测方法

针对粘滞阻尼器中阻尼液黏度会发生变化且黏度不易被直接监测的问题,该文提出了一种基于压电阻抗法的阻尼液黏度监测方法,在阻尼器中安装压电传感器,通过测量传感器的机电阻抗值来确定阻尼液的黏度。为验证所提方法的有效性,制作了一个阻尼装置的模型并安装压电传感器,在其中放置不同黏度的阻尼液时测量压电传感器的阻抗值。结果表明,随着阻尼液黏度的增大,阻抗曲线的峰值频率逐渐减小,而实部电阻值逐渐增大。定义的黏度监测指标能够成功反应阻尼液黏度。     

基于压电阻抗技术的木梁损伤识别研究

利用压电阻抗技术对粘贴有压电陶瓷(PZT)传感器的无损木梁和带孔洞损伤的木梁进行数值模拟和实验研究,并用损伤指数,即均方根偏差(RMSD)来定量评估木梁的阻抗值随损伤程度和损伤位置的变化关系。计算结果表明,利用压电阻抗法能够有效识别木梁的局部损伤,当PZT贴片和损伤位置的间距一定时,RMSD随损伤程度的增大而增大;当损伤程度一定时,RMSD随PZT贴片和损伤位置间距的增大而减小,数值结果与现有实验结果规律一致。相关结论证明了利用压电阻抗技术检测木梁局部损伤的有效性,可为工程实际提供参考。     

压电阵列Lamb波损伤监测信号一致性补偿方法

Lamb波结构损伤监测是结构健康监测领域的研究热点之一。针对基于压电阵列的Lamb波损伤监测研究中因传感器性能差异引起的信号偏差问题,通过分析Lamb波信号的激励、传播和传感过程,利用压电阵列中等距离传播通道直达波传递函数相同的特点,提出了窄带激励下的压电传感器机电耦合系数归一化补偿,实现对结构响应信号的一致性补偿。实验验证表明,该方法能在一定程度上抑制因压电传感器性能差异引起的信号偏差,提高了监测结果的准确性。     

低声阻抗0—3型PZT/PT/PVDF压电复合材料的研制

压电陶瓷材料的高声阻抗制约着其在水听器和超声成像方面的应用。为了对压电陶瓷材料的声阻抗和声速进行调节,本研究以聚偏氟乙烯(PVDF)及钛酸铅(PT)和锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷粉体为原料,经过流延、热压等工艺制得了4种含有不同量PT及PZT的0—3型PZT/PT/PVDF压电复合材料。研究了所制压电复合材料的声学、压电和介电性能。结果表明:所制压电复合材料的声阻抗均小于140 MPa.s/m,最优压电应变常数d33达43 pC/N,相对介电常数为185～210,介质损耗约为2×10–2。     

压电混凝土结构健康监测系统的开发与应用

基于压电陶瓷传感器的混凝土结构裂缝损伤监测技术已取得了丰硕成果。但该项技术目前还未能广泛用于实际工程,缺乏相应的监测系统开发是其主要原因之一。该文以基于压电陶瓷传感器的波动法主动健康监测技术为理论基础,结合混凝土结构裂缝损伤监测特点,利用虚拟仪器技术开发了一套便携式压电混凝土结构裂缝损伤健康监测系统。通过荷载作用下的混凝土梁的损伤监测试验完成了对系统的测试,并将该系统应用到实际工程中。结果表明,该系统运行稳定可靠,可实时在线地对混凝土结构的不同裂缝损伤状态作出识别,并进行声光预警。     

基于KLM等效电路的声学匹配层参数扫描法

在超声换能器的声学匹配层的实际实现中,往往无法得到特性阻抗值与经典理论公式计算结果正好吻合的材料。以超声换能器的KLM等效电路模型为基础,对声学匹配层的参数(特性阻抗和厚度)分别进行了扫描,通过绘制匹配效果图(匹配层特性阻抗-输出功率、匹配层厚度-输出功率)的方法寻找最佳的匹配参数。计算表明,当压电材料为PZT5,工作介质为水时,与经典公式提供的参数相比,利用此法所得带宽是前者的2~4倍。