压电智能结构冲击荷载及损伤识别方法的研究

论文题目: 压电智能结构冲击荷载及损伤识别方法的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 测试计量技术与仪器

作者: 周晚林

导师: 王鑫伟

关键词: 压电智能结构,荷载识别,有限元逆分析,神经网络,变换,压电阻抗,损伤因子,健康监测

文献来源: 南京航空航天大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文从航空航天等领域利用压电智能结构进行结构健康监控的工程背景出发,对压电智能材料结构承受低能量冲击荷载及损伤的识别问题进行了研究,重点对压电智能材料结构的荷载识别方法进行了较广泛、深入的研究。 基于有限元逆分析方法对压电薄板智能结构的荷载识别问题进行了研究。从对结构进行有限元逆分析入手,直接以压电元件的电荷响应为参数,提出采用阻尼最小二乘法逼近荷载真值的有限元算法,算法的迭代初值采用单位荷载法选取。该算法不受结构的几何特性和边界条件限制,数值算例表明了该方法的有效性,可用于复杂结构不确定未知荷载的识别,较好地解决了压电智能结构的荷载识别问题。 利用 Hilbert 变换在计算原时间序列瞬态属性方面的特性,把冲击应力波的时域信号变为连续的瞬态时序信号,提取与冲击定位相关的特征信息训练人工神经网络,实现冲击位置的自动识别。实验表明,以应力波信号的起始时间、峰值以及到达峰值的时间为特征向量具有较高的冲击定位精度,该方法可用于结构受低速、小能量冲击时的在线健康监测。 基于对智能层合板结构的模态分析,提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理,并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程,构造了通过结构的模态响应直接反求荷载列阵的迭代算法。该方法迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度高,适用于任意形状和边界条件的复杂智能结构。实例表明了该方法的可行性。 从理论上分析了板中 Lamb 波信号的传播特性。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。通过冲击损伤试件的实验分析表明,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。据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。 本文的研究得到了国家自然科学重点基金(50135030)的资助。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 研究背景和选题依据

1.2 智能材料结构荷载识别问题描述

1.3 国内外研究概况

1.3.1 智能材料结构应变传感测量技术

1.3.2 智能材料结构荷载识别方法

1.3.3 荷载识别方法比较

1.3.4 基于智能材料结构的无损检测新技术

1.4 本文的研究内容

第二章 反求压电智能结构荷载的有限元逆逼近方法

2.1 引言

2.2 压电传感智能结构分析

2.3 有限元逆逼近荷载算法

2.4 荷载识别解的存在及唯一性证明

2.4.1 确定荷载识别方程

2.4.2 随机荷载谱矩阵方程

2.5 数值仿真算例

2.5.1 板结构

2.5.2 飞行器机翼盒段结构模型

2.6 本章小结

第三章 压电智能结构冲击定位方法的实验研究

3.1 引言

3.2 冲击荷载监测系统

3.3 基于Hilbert变换特征信息的冲击荷载定位方法

3.4 用于冲击定位的逆传播BP神经网络

3.4.1 标准逆传播BP神经网络算法(简称SBPA)

3.4.2 一种改进的逆传播神经网络算法

3.5 冲击定位实验

3.6 本章小结

第四章 压电智能结构冲击荷载谱的反演方法

4.1 引言

4.2 压电智能结构的模态传感原理

4.3 模态动力学微分方程

4.4 模态微分方程的精细逐步积分解

4.5 基于模态分析的动态荷载识别算法

4.6 动态荷载识别算例

4.7 冲击荷载谱反演实例

4.8 本章小结

第五章 层合板冲击损伤的实验研究

5.1 引言

5.2 板中Lamb波信号分析

5.3 一维压电智能梁结构电阻抗计算模型

5.3.1 压电智能梁结构压电阻抗信号分析

5.3.2 压电智能梁结构实验分析

5.4 二维压电智能板结构的压电阻抗分析

5.4.1 压电矩形薄板结构的阻抗模型

5.4.2 压电矩形薄板结构阻抗的仿真计算

5.5 压电智能结构电阻抗计算的有限元模型

5.6 超声无损检测集成系统介绍

5.6.1 系统硬件设计与集成

5.6.2 软件系统功能与实现

5.7 层合板冲击损伤监测实验

5.8 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文的主要工作和贡献

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

发布时间: 2005-07-08

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