混凝土压电陶瓷敏感模块特性研究

论文摘要

在前期研究工作中提出的压电机敏土木工程结构系统的基础上,针对实际的土木工程中混凝土结构的健康监测,设计了一种旨在进行混凝土应力及温度监测的压电机敏混凝土模块。并对这种压电机敏模块的多种物理特性进行了系统的理论及实验研究。研究结果为实现利用该压电机敏结构进行土木工程结构的健康监测应用奠定了基础。主要的研究内容是围绕着压电机敏混凝土模块中所涉及的三个对象,即混凝土结构、PZT压电陶瓷以及二者相互耦合形成的混凝土-压电敏感单元结构进行的。研究的主要目的是通过对各研究对象的独立及相互耦合特性的研究,通过理论分析和实验验证,来证明所提出的压电机敏模块用于土木工程结构应力及温度监测的可行性,并解释监测中所涉及的监测原理和技术要点。所取得的研究成果包括以下几点:（1）系统地归纳和总结了混凝土材料的常规物理特性,分析了在相应环境中本课题所涉及的压电敏感元件及其同混凝土材料间由于相互耦合而存在的物理特性,并提出了一种能够同时实现混凝土结构中应力及温度监测的PZT压电陶瓷埋入式混凝土机敏模块。（2）通过引入复电弹常数的方法,建立了埋入混凝土中压电敏感单元的等效电路模型。根据唯象理论及晶畴理论,分析了压电敏感元件在埋入状态下的各种能量损失特性。提出了一种通过测量压电等效电路参数来计算能够反映能量损失的耗散因子的方法。该方法不用测量复电弹常数中的实部和虚部,便可直接计算出三种耗散因子的值,避免了测量复电弹常数时要求测量多种振动模式下的多个参数值进行迭代计算的过程。该方法是基于的是压电材料单一振动模式下的等效电路模型,推导的耗散因子计算式相对于压电元件的振动模式是相互独立的,即不同振动模式下的耗散因子只同该模式下的等效电路参数有关。（3）设计了一种适用于埋入混凝土的PZT压电陶瓷敏感单元结构。该结构通过在圆片形PZT压电陶瓷上覆盖适当厚度和硬度的橡胶层材料,缓解了PZT陶瓷由于埋入混凝土中受到的一些不利影响,包括a)解决了压电陶瓷裸露电极间在含水混凝土中的电绝缘问题,b)缓解了混凝土凝固过程中由于体积收缩在压电陶瓷上产生的应力积累及应力集中,c)减小了由于混凝土粗糙骨料在压电陶瓷上产生的应力集中,d)保护了PZT陶瓷,并防止了电极上的银电镀层受到混凝土材料的破坏。（4）研究了混凝土凝固过程中,埋入的PZT压电陶瓷元件受到混凝土干缩作用时的应力响应特性。研究表明,混凝土干缩过程中产生的应力将直接施加在压

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 结构健康监测技术
• 1.2 用于结构健康监测的智能材料结构
• 1.2.1 智能材料结构的概念及其发展
• 1.2.2 智能材料结构的种类及其特点
• 1.2.3 智能材料同结构间的耦合方式
• 1.3 有限元方法在土木工程结构健康监测中的应用
• 1.3.1 有限元分析方法的发展
• 1.3.2 CAE 与通用有限元分析软件ANSYS 的概述
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 2 混凝土结构的物理特性及其有限元模型分析
• 2.1 概述
• 2.1.1 混凝土材料的应用
• 2.1.2 混凝土材料的优缺点
• 2.2 混凝土的组成与特性
• 2.2.1 混凝土对应力的响应
• 2.2.2 混凝土结构的循环加载与疲劳
• 2.2.3 混凝土的热学性质
• 2.3 混凝土结构特性的有限元分析方法
• 2.3.1 有限元分析的目的
• 2.3.2 混凝土试件ANSYS 模型的建立及其轴向应力响应分析
• 2.4 小结
• 3 铁电及压电材料的特性
• 3.1 概述
• 3.2 压电材料的微观及宏观相变理论
• 3.2.1 钙钛矿型铁电材料的晶体结构及微观相变理论
• 3.2.2 压电体的宏观相变理论
• 3.3 压电方程和压电元件的等效电路
• 3.3.1 四类压电方程及方程中各系数的关系
• 3.4 小结
• 4 埋入混凝土中压电陶瓷特性的理论研究
• 4.1 概述
• 4.2 埋入混凝土中压电陶瓷压电方程及等效模型
• 4.2.1 不考虑损耗时等效模型的建立
• 4.2.2 考虑能量损耗的等效模型
• 4.2.3 利用耗散因子对压电陶瓷内部能量损失进行描述
• 4.3 小结
• 5 混凝土凝固过程中 PZT 压电陶瓷特性的实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 PZT 压电陶瓷在应力作用下物理特性变化的机理分析
• 5.3 混凝土凝固过程中压电陶瓷特性实验研究
• 5.3.1 混凝土试件的制备和PZT 压电陶瓷的埋入条件
• 5.3.2 凝固过程中不同埋入深度下的两种PZT 压电陶瓷等效电路参数
• 5.3.3 凝固过程中覆盖不同厚度橡胶层的PZT 压电陶瓷等效电路参数
• 5.4 小结
• 6 埋入混凝土中 PZT 压电陶瓷应力特性的实验研究
• 6.1 概述
• 6.2 压电－混凝土机敏模块应力特性分析
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 利用有限元方法分析PZT 压电陶瓷在混凝土试件中的应力特性
• 6.3 压电陶瓷及机敏模块应力特性实验研究
• 6.3.1 沿PZT 压电陶瓷轴向的载荷对等效电路参数的影响
• 6.3.2 沿PZT 压电陶瓷径向载荷对等效电路参数的影响
• 6.3.3 连续加载卸载循环中各等效电路参数变化的迟滞特性
• 6.3.4 外载荷作用下埋入混凝土中压电陶瓷的能量损失
• 6.4 小结
• 7 埋入混凝土中 PZT 压电陶瓷温度特性的实验研究
• 7.1 概述
• 7.2 PZT 压电陶瓷温度特性的实验研究
• 7.2.1 覆盖不同厚度橡胶层的PZT 压电陶瓷的温度特性实验研究
• 7.2.2 不同埋入深度下两种PZT 压电陶瓷的温度特性
• 7.3 小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书