基于压电阻抗损伤识别技术的有限元研究

论文摘要

近几年来,自然灾害频频发生,灾后的各种机械设备损伤程度检测技术也接受了很大的挑战,在实际生活中,因设备的隐性损伤而导致的事故屡见不鲜,因此,人们对安全的需求也越来越高,结构的的损伤识别和健康监测技术也越来越被人们重视。目前,基于压电阻抗的损伤识别和健康监测技术在国内外已经有很多学者做过相关的研究,本文在前人的研究基础上,通过理论推导、有限元分析、实验验证以及数据处理等方法进行该技术的进一步研究,研究内容及成果有如下几点：1.介绍了压电材料的基本信息,从理论上分析了压电-结构耦合系统的电阻抗理论,并详细推导压电耦合电阻抗/电导纳公式,分析压电-结构耦合电阻抗与结构机械阻抗之间的关系。2.理论上推导铝梁机械阻抗公式,从有限元的角度进一步分析了压电耦合电阻抗与机械阻抗之间的联系,利用实验验证了有限元结果的正确性,结果表明：压电耦合电阻抗和机械阻抗在共振频率点和振型上基本一致,确定了压电耦合电阻抗与机械阻抗的关系,即压电耦合电阻抗的变化是机械阻抗变化的直观反映。3.分析了单片PZT的压电阻抗理论,应用ANSYS有限元软件对其进行仿真分析,通过实验测量其压电阻抗/导纳,与有限元结果比较分析PZT片的线性工作频率范围,在线性工作频率范围内选择合适的频率区间,以自由铝梁的裂纹数目、裂纹深度、裂纹位置以及PZT片的位置对压电耦合电阻抗的影响为分析对象,进行PZT-铝梁的耦合电阻抗有限元分析,结果表明：对于裂纹数目的增多,在阻抗谱的变化上较为明显,但利用数据识别方法较难以识别,对于裂纹位置、裂纹深度以及PZT片的位置识别效果较好,随着裂纹深度的增加,损伤指数增高,PZT片距裂纹越近,识别效果越好。4.搭建实验平台,利用英国WK6500B阻抗分析仪进行实验研究,验证有限元损伤识别分析结果的有效性,结果表明：实验损伤识别结果与有限元仿真识别结果基本一致,这为损伤的定量和定位识别提供了有效的研究手段。图66表11参82

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 课题来源和背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 压电阻抗的结构损伤识别与健康监测技术研究现状
• 1.2.1 国外现状
• 1.2.2 国内现状
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.3.1 论文主要研究内容
• 1.3.2 论文结构安排
• 2 压电阻抗技术用于结构健康诊断的基础理论
• 2.1 压电材料基础理论
• 2.1.1 压电陶瓷材料
• 2.1.2 压电效应及压电方程
• 2.2 结构压电耦合电阻抗理论
• 2.2.1 SMD系统
• 2.2.2 结构压电耦合电阻抗
• 2.3 本章小结
• 3 PZT自由振动电阻抗分析
• 3.1 PZT自由振动电阻抗理论分析
• 3.2 压电材料有限元分析基本简介
• 3.2.1 有限元法的基本思想
• 3.2.2 压电分析软件的选择
• 3.2.3 ANSYS压电分析
• 3.3 PZT的有限元分析
• 3.3.1 压电陶瓷材料参数在ANSYS中的输入方法分析
• 3.3.2 PZT的选择
• 3.3.3 PZT的静态分析
• 3.3.4 PZT的压电阻抗分析
• 3.3.5 不同贴片方式以及不同形状压电陶瓷片的受力状态分析
• 3.4 本章总结
• 4 梁机械阻抗与压电耦合电阻抗
• 4.1 梁的机械阻抗研究
• 4.1.1 梁机械阻抗理论
• 4.1.2 梁机械阻抗的有限元分析
• 4.2 压电耦合电阻抗研究
• 4.2.1 PZT与梁耦合阻抗理论
• 4.2.2 ANSYS压电耦合电阻抗模拟
• 4.2.3 压电耦合电阻抗实验分析
• 4.3 本章小结
• 5 应用压电耦合电阻抗分析对梁损伤的识别
• 5.1 结构损伤识别的定量数学处理方法
• 5.2 梁压电耦合电阻抗损伤识别有限元分析
• 5.2.1 裂纹对压电耦合电阻抗的影响
• 5.2.2 贴片位置对压电耦合电阻抗的影响
• 5.3 梁压电耦合电阻抗损伤识别实验分析
• 5.3.1 实验目的及方案
• 5.3.2 裂纹对压电耦合电阻抗的影响
• 5.3.3 贴片位置对压电耦合电阻抗的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果