基于压电阻抗技术的焊接结构健康监测研究

论文摘要

随着科学技术的发展以及人们安全意识和安全需求的逐步提高,对于服役中的重要工程结构,如何有效、便捷地对其进行健康监测显得尤为重要。目前的工程结构中,焊接是重要的连接方法,然而焊接结构却不断地在发生断裂事故,因此对焊接结构进行健康监测具有广阔的工程应用背景。压电阻抗技术是一种新型的结构损伤检测技术,把压电片作为传感元件,并将其粘贴在被检测结构表面后施加高频激励并提取压电阻抗信号,通过分析损伤前后的阻抗频谱可识别结构中的损伤。本文首先给出了压电阻抗技术的基本原理并对其进行了仿真分析,然后在此基础上对铝合金焊接结构中的裂纹损伤进行试验分析,最后结合人工神经网络对损伤进行了定位研究。主要研究内容如下:1.对结构的机械阻抗和PZT的机电耦合特性进行了理论分析,详细推导了包含结构机械阻抗的PZT耦合电导纳公式,得到了应用压电阻抗技术进行结构健康监测的理论根据。2.用ANSYS软件对焊接结构在无损和有损时进行仿真,并对PZT在离损伤不同的位置处进行压电阻抗谐响应分析。结果表明:压电阻抗不仅敏感微小损伤的出现,而且对位置的变化也是敏感的。3.确定被检测结构主体材料,制作焊接实验板和裂纹损伤,搭建实验平台。设计PZT布置方案并分析了不同频段和不同位置的压电导纳频谱,提出应用压电阻抗技术进行损伤定位的可能性。4.合理地选取和组织了样本并将BP神经网络应用于焊接损伤的定位,在MATLAB环境下设计了BP神经网络,成功地判断了裂纹损伤的位置。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 传统的结构健康监测方法
• 1.2.1 全局损伤识别技术
• 1.2.2 局部损伤识别技术
• 1.3 压电阻抗技术在结构健康监测中的研究现状
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.3.3 压电阻抗技术在焊接结构健康监测中的应用
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 基本理论研究
• 2.1 结构机械阻抗
• 2.2 压电效应和压电方程
• 2.3 压电片驱动响应分析
• 2.3.1 PZT 静态驱动响应分析
• 2.3.2 PZT 动态驱动响应分析
• 2.4 耦合电阻抗分析
• 2.4.1 PZT 驱动SMD 模型的耦合电阻抗分析
• 2.4.2 PZT 驱动梁结构的耦合电阻抗分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 仿真研究
• 3.1 有限元分析方法
• 3.1.1 有限元法概述
• 3.1.2 ANSYS 软件及功能介绍
• 3.1.3 本文ANSYS 分析步骤
• 3.2 压电分析
• 3.2.1 压电材料单元选择
• 3.2.2 压电材料基本耦合公式
• 3.2.3 材料模型建立
• 3.2.3.1 介电常数矩阵
• 3.2.3.2 压电常数矩阵
• 3.2.3.3 弹性系数矩阵
• 3.3 压电阻抗的仿真与数值分析
• 3.3.1 仿真与数值分析的目的
• 3.3.2 模态分析
• 3.3.2.1 单片PZT 模态分析
• 3.3.2.2 带压电片焊接结构模态分析
• 3.4 压电阻抗谐响应分析
• 3.4.1 电压激励作用下的谐响应分析方法
• 3.4.2 电压激励作用下压电阻抗定位分析
• 3.4.3 电压激励作用下损伤程度的压电阻抗分析
• 3.5 结构健康指数
• 3.5.1 结构健康状况的判定方法
• 3.5.2 结构健康判定结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验研究
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验总体方案
• 4.2.1 实验仪器
• 4.2.2 实验材料
• 4.2.2.1 主体结构材料的选择
• 4.2.2.2 压电元件的选择
• 4.2.2.3 胶粘剂的选择
• 4.2.3 PZT 的粘贴及实验平台搭建
• 4.2.3.1 PZT 粘贴方式
• 4.2.3.2 实验平台搭建
• 4.3 焊缝损伤定位研究
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 不同频段压电导纳对损伤的敏感性分析
• 4.3.3 不同位置PZT 压电导纳对损伤的敏感性分析
• 4.3.4 不同位置PZT 健康指数分析
• 4.4 应用神经网络实现裂纹定位
• 4.4.1 人工神经网络概述
• 4.4.2 神经网络定位方案
• 4.4.3 神经网络结构设计
• 4.4.4 神经网络输入向量组织
• 4.4.5 定位网络的训练及测试结果分析
• 4.4.6 定位网络参数调试分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 存在的问题与研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文