基于神经网络技术的管道机电阻抗健康状况定量评估研究

将机电阻抗法用于管道法兰和主干结构健康监测,并利用BP神经网络对结构损伤进行定量评估.首先实验研究了管道法兰与主干结构健康状况对阻抗谱的影响,不同的结构损伤可通过阻抗分析仪测量的阻抗实部谱变化反映出来;然后利用BP神经网络技术对管道不同工况下得到的阻抗实部谱进行定量分析.采用阻抗值实部作为输入样本对神经网络进行训练,并使用受训的神经网络实现了对管道中不同结构损伤状况的定量评估.研究结果表明,将机电阻抗法与神经网络数据处理技术结合起来用于复杂管道的结构健康监测,不仅可实现对不同类型损伤的定量评估,同时还具有较高的稳定性.     

型钢-混凝土结构界面的损伤监测试验研究

型钢-混凝土结构连接界面的损伤监测具有重要实际意义。本文提出一种基于压电智能材料的型钢-混凝土结构界面损伤主动传感监测方法。在型钢上翼缘下表面连接件附近粘贴6套锆钛酸铅(Lead Zirconate Titanate, PZT)压电陶瓷片作为发射应力波的驱动器,并在翼缘板内对应位置处布设7个智能骨料传感器以采集经由损伤界面传来的响应信号。通过依次松动型钢-混凝土结构试件中对称布置的四颗螺栓,模拟连接界面的损伤状况,再对上述损伤状况下响应信号进行时域、频域以及小波包能量的对比分析。由试验结果分析可知,时域信号幅值、频域信号幅值以及小波包能量幅值都随着损伤状况的加剧出现了明显的降低,这主要是由于螺栓松动导致型钢与混凝土实际接触面积的减小,阻挡了应力波的传播。试验结果表明基于压电陶瓷的主动传感监测方法能够有效地监测和评价型钢-混凝土结构界面的损伤状况。     

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。     

压电智能梁的阻抗分析与损伤识别

压电陶瓷具有正、逆压电效应，可以用作自驱动传感器．该文对表面粘贴有单片压电陶瓷的压电智能钢梁进行了阻抗分析．讨论了单压电片驱动下钢粱的纵向振动和弯曲振动，得到了压电智能梁的机械阻抗．介绍了压电片与基梁的机电耦合作用及基于压电阻抗技术的结构损伤识别机理．以两端自由钢梁为例对压电智能梁的压电阻抗进行了数值与实验验证，结果表明数值计算结果与实验结果基本相符．利用压电阻抗技术对两端自由的裂纹钢梁进行了损伤识别实验研究，实验结果发现，裂纹的出现引起高频段压电阻抗实部和虚部曲线出现了明显的变化；随着裂纹尺寸的增大，曲线谐振频率和反谐振频率逐渐减小．由此可见，通过测量钢梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化能够识别梁中的裂纹损伤．     

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.     

弹性波在螺栓搭接结构中传播行为的数值模拟

为了建立有效的基于弹性波的螺栓连接损伤检测方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为至关重要。本文针对典型单螺栓搭接薄梁,采用非线性多物理场耦合有限元仿真方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为。采用ANSYS中压电耦合单元建模MFC压电传感器,非线性接触单元建模螺栓连接结构,将接触面之间考虑为考虑摩擦接触的非线性关系。依次对螺栓施加预紧载荷,对结构施加模拟电压激励,进行非线性瞬态波传播分析。同时,本文对仿真结果进行了实验验证。结果表明,本文建立的有限元模型和分析方法能够有效地模拟弹性波在连接结构中的传播过程,数值预测的响应电压和实验结果吻合较好。针对非线性模型计算耗费大的问题,本文对非线性模型进行了线性化改进。具体为采用准静态接触有限元分析确定对接面有效接触面积的大小,然后将接触面积上对应节点绑定,进行线性瞬态波传播分析。结果表明:本文的线性方法能够有效模拟波传播过程,并能有效降低计算耗费;弹性波在连接梁中传播时,经过连接界面和螺栓位置时,传播路径、波形、幅值都发生了较大的变化。     

双层纤维压电智能薄板几何非线性建模与分析

纤维压电MFC(Micro-Fiber Composite)的强致动力和高柔性等特点具有广泛的应用前景,但是材料组成结构复杂给建模带来了难处。基于Reissner-Mindlin假设,采用冯卡门非线性、中等转角及大转角几何非线性等理论,建立了MFC压电智能结构的多种几何非线性有限元模型。同时该模型考虑了压电纤维角度变化对结构形变的影响。分别对两种不同结构的MFC进行了建模与仿真,分别是MFC-d31和MFC-d33,前一种主要利用压电d31效应,而后一种主要利用压电d33效应。随后,通过一压电悬臂梁结构实验数据验证了模型的准确性。最后,利用所建模型对一种双层纤维压电智能薄板结构进行了几何非线性的计算与仿真。     

爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力失效机制

基于典型城市燃气管道直埋地层特点,通过全尺寸直埋燃气管道爆破地震实验,并结合LS-DYNA动力有限元数值计算软件建立不同爆源距离的无接口和法兰接口的燃气管道模型,分析研究了爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力响应特征及其失效机制。研究结果表明:管道截面应变以轴向拉伸应变为主,环向应变为辅;不同爆破工况下,无接口管道和法兰接口管道及地表峰值振动速度随爆源距离减小而增大;沿管道轴线方向,无接口管道、地表峰值振动速度以管道中心截面为对称面沿两端不断减小,法兰接口管道峰值振速由两侧向中间逐渐增大,在法兰接口处突然减小;法兰接口处出现明显的应力集中现象;管道法兰接口处是爆破地震作用下研究的关键点,螺栓的峰值有效应力、垫片轴向压力、法兰峰值有效应力、法兰偏转角随爆源距离增大而减小;法兰管道偏转角与地表峰值振动速度具有对应关系,法兰接口燃气管道中心正上方地表的控制振速（13.82 cm/s）可作为邻近燃气管道爆破工程地表的安全控制值。     

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。     

动载荷下螺栓连接的优化设计

把螺栓法兰密封连接结构简化成-质量、弹簧、阻尼系统，其中阻尼包括黏性阻尼和库仑阻尼两个部分。用此模型对法兰在指数衰减脉冲激励下的响应进行了数值仿真，研究了螺栓中预应力、螺栓个数、法兰螺栓间的阻尼对法兰结构响应的影响，螺栓中预应力和螺栓个数对螺栓变形峰值有较大影响，阻尼对螺栓峰值的影响较小。     

扁壳结构弯曲与扭转振动控制试验研究

扁壳结构的弯曲与扭转振动控制对该类结构的应用具有重要意义。本文采用不影响壳体结构的粗压电纤维复合材料(MFC)作动器对其弯曲与扭转振动进行主动控制。建立局部表面粘贴MFC作动器的开口圆柱扁壳的动力学解析模型,得到了作动力和作动力矩的解析表达式,分析了扁壳结构上MFC作动器在弯曲与扭转振动控制中的作动机理。针对一开口碳纤维圆柱扁壳,设计了模糊PD控制器,开展了定频与随机激励下壳体弯曲与扭转振动控制试验,并与传统PD控制试验效果进行了对比。结果表明:MFC作动器在壳体弯曲和扭转振动控制方面作动能力突出;模糊PD控制器的控制效果优于传统PD控制器的控制效果。     

强脉冲载荷作用下端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法

为研究承受强脉冲载荷的端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法，利用实验室霍普金森杆平台，基于液压原理设计了一套实验装置，并结合数值模拟结果，对强脉冲载荷下端盖法兰结构的动态响应进行研究。通过研究发现:由预紧力和脉冲载荷引起的螺栓总拉伸应变随载荷峰值变化的曲线上存在最小极值点，并总结了最小极值点随载荷峰值、载荷脉宽的变化规律，为强脉冲载荷下法兰结构和预紧力设计提供了依据。     

Stress analyses of a smart composite pipe joint integrated with piezoelectric composite layers under torsion loading

In order to improve the joint failure strength, an adhesively bonded smart composite pipe joint system has been developed by integrating electromechanical coupling piezoelectric layers with the connection coupler. It has been validated that the integrated piezoelectric ceramic layers can smartly reduce stress concentration in the adhesive layer bond-line under bending or axial tension loads. In this study, piezoelectric particle/fiber reinforced polymer composite was utilized to construct adhesively bonded smart composite pipe joint systems, in order to overcome the brittle characteristic of the piezoelectric ceramic layers and to facilitate joint construction. Since torsion is one of the dominating loading conditions in practice, the behavior of the newly developed smart pipe joint system subjected to torsion loading was investigated in-detail to evaluate the effect of the integrated piezoelectric reinforced polymer composite layer on the joint performance. Firstly, based on the first-order shear deformation theory, the fundamental equations with relevant boundary and continuity conditions were developed to theoretically model the smart pipe joint system subjected to torsion loading. Further, the analytical solutions for the mid-plane displacements and the shear and peel stresses in the adhesive layer were obtained by using the Levy solution and the state-space method. Finally, some numerical examples were presented to evaluate the detailed effect of the stacking sequence and thickness of the integrated composite piezoelectric layers in the connection coupler on reducing the stress concentration in the adhesive layer; the effect of the applied electric fields on shear and peel stresses in the adhesive layer was also illustrated.     

Active Stabilization of a Rotating Shaft Transmitting Static Torque

The paper is concerned with the problem of stability of a power transmitting thin-walled shaft made of the active laminate PFC (piezoelectric fiber composite). The shaft rotates with a given operational angular velocity, and is loaded by a static torque. Such a system is known to exhibit divergence or oscillating type of instability. On the one hand presence of internal friction in the material of the shaft leads to loss of stability at a certain critical rotation speed. The static torque can be responsible for spatial deformation of the shaft axis on the other. A method preventing the system from such behavior is discussed in the paper. The method is based on application of a composite material, which contains active piezoelectric fibers. The fibers produce bending moments, and this way affect the dynamics of the entire system. Two control strategies are investigated. Results of numerical simulations are presented graphically.     

加热压电纤维复合材料圆板的横向自由振动

基于经典薄板理论和极正交各向异性材料的本构理论,建立了加热压电纤维复合材料圆板的线性振动控制微分方程。采用打靶法分别获得了加热压电纤维复合材料圆板在周边固支和简支情况下,无量纲固有频率随温度和电场强度变化的关系曲线,并分析了压电纤维体积分数、刚度参数、电场强度和温度变化对压电纤维复合材料圆板无量纲固有频率的影响。结果表明,一定体积分数或者电场强度下,压电纤维复合材料圆板的无量纲固有频率都随温度的升高而单调下降;同一温度下,刚度参数越小,无量纲固有频率越低;电场强度越大,无量纲固有频率越高。     

压电复合材料梁和板的变形控制问题

由于具有良好的结构、力学性能,复合材料层合板在现代飞行器上大量应用;而压电复合材料,作为一种新兴的智能材料,由于其独特的力电耦合性能得到了人们更多的关注。本文研究含有压电片的复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题。基于经典的梁理论和层合板理论,分别研究了下列问题:(1)双压电片布置的悬臂梁的变形;(2)含有压电层的层合板变形控制问题;(3)含有一对压电片的层合板的变形控制问题。针对上述问题,分别给出了理论解和数值解,并进行了相关讨论分析。结果表明压电材料可对结构进行精确控制,因此本文的结果可对复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题提供工程参考。     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDIES ON PERFORMANCE OF MACRO FIBER COMPOSITES FOR BEAM TWISTING APPLICATIONS

This paper presents the use of macro-fiber composites (MFC) as actuators for twisting control of pre-twisted beams, which is one efficient method of vibration suppression techniques of helicopter rotors. An MFC is a piezoelectric fiber composite which has an interdigitated electrode, rectangular cross-section and unidirectional piezoceramic (PZT) fibers embedded in the polymer matrix. An MFC actuator has much higher actuation performance, flexibility and durability than a traditional piezoceramic (PZT) actuator. This study showed that an MFC could be used as an actuator to change the displacement and twist tip-angle of a pre-twisted beam. In the test, an MFC patch was pasted on the beam’s upper surface to twist the pre-twisted beam actively. Different twist tip-angle changes of the pre-twisted beam were measured under a series of actuation voltages, and a good agreement was observed when experimental results were compared with numerical results. In addition, the actuation performance of MFC was compared with those of PZT4 and PVDF and the influence of anisotropic property of the MFC on its actuation performance was also studied. The experimental and numerical results presented in this paper show the potential of MFC for use in the vibration control of helicopter rotors.     

轴向交变载荷作用下螺栓联接结构的松动试验研究

在设计、试制螺栓加载装置的基础上,对螺栓联接结构进行了轴向振动的疲劳试验,获取了螺栓夹紧力的时变曲线,并对试验后的螺栓接触表面进行损伤分析,研究螺栓联接结构的松动机理.结果表明:在轴向振动条件下,螺栓联接结构的夹紧力下降较为明显,但拧出力矩相对于预紧力矩变化不大.螺栓的松动过程可分为以下两个阶段:试验初期由于螺栓接触面的塑性变形,夹紧力迅速下降;然后由于接触面之间的微动磨损,夹紧力缓慢下降.螺纹接触面之间的损伤机制主要为黏着磨损、磨粒磨损和剥层.