基于压电导率特性识别结构裂纹方法的研究

基于粘贴于外部主体裂纹在压电陶瓷片导率的变化,实验提取出梁系统的变民模态频率。建立了考虑压电陶瓷片影响的裂纹梁的特性方程,根据裂纹梁的固有频率的变化,采用剪切弹簧模拟裂纹的方法,进行了裂纹的识别,结果表明满足一定的识别精度。     

Lamb波理论及层合板冲击损伤的实验研究

从理论上分析了板中Lamb波信号的传播特性,并给出Lamb波在板中传播的频散方程。理论分析及实验均表明,Lamb波的频散特性与复合材料结构损伤有着直接的联系,而且最低阶的对称和反对称Lamb波模态对层合板的损伤比较敏感,但应用Lamb波的频散效应监测结构的损伤在检测技术上还难以实现。根据板中导波形成Lamb波的共振原理,板中应力波的幅频特性很大程度上反映了Lamb波的谐振特征。因此,利用压电元件的压电阻抗谱分析应力波的各阶模态频率及振幅对结构损伤的变化,能够反映材料内部损伤与Lamb波的频散特性。文中针对表面粘贴压电元件的层合板智能结构,建立了包含Lamb波谐振模式的压电阻抗计算模型。冲击损伤试件的实验表明,由于结构损伤的出现压电阻抗谱中的模态频率及其阻抗幅值等特征信息将发生变化。因此,引入应力波损伤因子可以对结构冲击损伤的存在和程度进行初步评价。该方法基于结构的机-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,方法简单可行,有望在智能结构的健康诊断方面获得应用。     

基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究

建立了含裂纹损伤的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型. 基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件, 求解了含裂纹损伤的压电曲梁的格林函数. 根据线性叠加原理, 对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦, 得到强迫振动下含裂纹损伤的曲梁压电俘能器的输出电压. 在得到模型的强迫振动解析解后, 提出逆方法检测结构中的裂纹损伤, 这一检测方法适用于处于振动状态下的结构. 在数值计算中, 令裂纹深度为零, 通过对比本文的解析解与现有文献中的解析解, 验证了本文解的有效性. 分别分析了含裂纹损伤的压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系. 研究结果表明: 裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂; 裂纹出现时, 损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率, 此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值; 通过对电压响应的检测可以确定的损伤裂纹的深度和在结构中出现的位置范围; 利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的.      

基于阻抗法的预应力波纹管密实性试验研究

针对预应力波纹管中压浆不密实的问题,提出了一种基于压电阻抗法的预应力波纹管密实性检测研究方法。运用压电阻抗法的结构健康监测原理,定义了预应力波纹管灌浆密实性指标的均方根偏差RMSD(Root Mean Square Deviation),通过测试粘贴在波纹管底顶板的压电陶瓷传感器PZT(Piezoelectric Ceramic Transducer)和嵌入到波纹管内部的智能骨料SA(Smart Aggregate)的电阻抗值,与灌浆100%工况相比研究了灌浆0%、灌浆50%以及灌浆90%等工况下的电阻抗实部与虚部的频谱曲线变化规律。结论是密实性指标RMSD随预应力波纹管密实性增加而减小。上述研究成果验证了阻抗法对波纹管密实性检测的有效性。     

埋入式压电陶瓷的尺寸对其电-声特性的影响

首次通过Ansys软件仿真的方法分析了不同厚度压电陶瓷(半径保持不变)埋入混凝土进行超声检测时压电陶瓷电-声特性的变化规律。研究表明:单层压电陶瓷在厚度h小于1mm时,最大振幅对应的谐振频率变化趋势会出现拐点,不再单调变化;厚度h大于1mm时,压电陶瓷的谐振频率随着厚度的改变呈现相应规律性,在相应谐振频率激励下压电陶瓷辐射超声波中心点的声压值变化规律与谐振频率的规律相反。     

具损伤压电智能层合板的动力分析

基于应变能等效原理、高阶剪切变形理论和Hamilton变分原理,考虑复合材料铺设层内的损伤效应,建立了具损伤压电智能层合板的运动控制方程,并运用Galerkin方法进行求解.数值算例中,讨论了损伤效应、厚跨比及压电层厚度与层合板总厚度之比对四边简支压电智能层合板自由振动频率的影响和外部控制电压对其动力响应的影响.     

基于压电阻抗技术的奥氏体不锈钢力学损伤定量监测

采用压电阻抗(Electro-mechanical impedance,EMI)技术对奥氏体不锈钢在拉伸过程中的力学损伤进行了定量监测实验研究.选择不同损伤状态下阻抗谱谐振峰频率偏移量△f及均方根偏差(Root-mean-square deviation,RMSD)值作为损伤识别指数,结果表明:在试样弹性变形阶段,△f和RMSD值很小,并且在加载过程中基本保持不变或小有波动;试样发生塑性变形以后,二者均明显增加,其中,△f值由0.05kHz随加载应力逐渐增加至1.65kHz时试样发生断裂,而RMSD由1.3％增大至17.6％后逐渐减小.文中对这种差别出现的原因及两参数各自的特点进行了讨论.显微分析结果证实材料弹塑性转变过程中两参数的变化与试样微观损伤具有很好的对应性,表明利用压电阻抗技术监测和评价核电管道用奥氏体不锈钢的力学损伤具有可行性.     

界面特性对功能梯度智能梁静动态响应的影响研究

采用状态空间法分析了两边简支的含压电夹层的功能梯度梁的静力弯曲和自由振动问题．为了考虑中间压电层与上、下功能梯度层之间的粘结效果,采用线性弹簧模型以模拟界面性能．假设上下功能梯度层的材料参数沿厚度连续变化,而压电层则是均匀材料,并且它们都是正交各向异性的．由于功能梯度梁的不均匀性使得直接求解比较困难,文中用层合模型来进行近似．数值算例中,分别考虑了压电层用于传感器或作动器的情形,分析了粘结界面完美程度对组合梁静力弯曲和自由振动频率的影响．     

一种新型压电作动器的设计及其特性研究

提出了一种新型压电作动器,这种作动器由一片压电片粘贴在一个弓型梁金属底座上构成.对其变形放大原理进行了理论分析,实验测定了这种压电作动器自由状态下输出变形随驱动电压变化曲线.推导了约束状态下该作动器的输出作动弯矩与驱动电压的关系式;实验测得了约束状态下其中点位移响应幅频特性曲线.实验结果表明本文设计的新型压电作动器与传统压电片作动器相比具有较大的变形输出,具有较宽的稳定工作频率范围,而所需的驱动能量与传统压电片作动器相同,同时在使用上具有可预制、安装方便、可拆卸、对结构表面适应性好等优点.     

旋转压电纳米梁的振动分析

本文基于非局部弹性理论，对旋转压电纳米梁模型的振动进行了分析．首先由哈密顿原理导出旋转压电纳米梁的动力学控制方程及相应的边界条件；再通过微分求积法对控制方程和两类边界条件进行离散；最后通过数值计算分析振动特性．通过改变旋转角速度、轮毂半径、非局部参数以及外部电压分析它们对压电纳米梁振动频率的影响关系．数值结果表明这些参数对压电纳米梁固有频率有不可忽略的影响，本文进一步讨论了旋转角速度对结构模态的影响．