EMI結構健康監(jiān)測技術與定量化分析.pdf

1、壓電阻抗(EMI)法是近十年來發(fā)展起來的一種全新的結構健康監(jiān)測技術，其基本思想是利用粘貼在被檢測結構表面的壓電片來施加高頻激勵并提取壓電阻抗信號，以識別結構中的損傷。由于電阻抗信號的波長很短，所以對結構中早期出現的局部細小損傷非常敏感。但是，由于有損傷結構力學模型的復雜性和高頻振動分析的困難性，傳統(tǒng)的EMI技術無法將電阻抗譜的變化同被監(jiān)測結構的物理和幾何參數有機地聯系起來，因而無法對結構損傷的程度、損傷的發(fā)展趨勢和損傷的位置作出精確的判

2、斷。 為了克服傳統(tǒng)EMI技術存在的缺陷，本文建立了更為精確的EMI模型。在假設壓電片與主體結構之間通過層間剪力進行應力傳遞的基礎上，引入剪滯模型來模擬壓電片與主體結構之間的界面特性，并且考慮了壓電片的動態(tài)效應。 采用傳遞矩陣法(TMM)對有損傷的一維桿精確EMI模型進行了定量分析，推導了包含損傷信息的壓電阻抗解析表達式，數值計算表明利用電阻抗信號的變化在理論上可以成功識別結構中存在的損傷。但是，對高階Mindlin-He

3、rrmann桿、Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁的研究表明，采用TMM分析這些構件的高頻振動時存在嚴重的數值不穩(wěn)定問題。為此，本文將回傳矩陣法(RMM)引入到基于EMI技術的結構損傷檢測分析中。通過與TMM以及其它方法的對比研究，表明RMM是一種精確有效的高頻振動分析方法，相關的數值模擬還顯示采用上述方法能夠實現有損傷結構的EMI精確定量分析。 應用網絡/譜分析儀對鋼制梁、板等結構進行了結構損傷的實驗研究

4、。通過對由實驗數據得到的損傷指標的分析，可以定量地識別損傷的程度和損傷的擴展趨勢；通過實驗研究還表明采用EMI技術可以實現在不同溫度環(huán)境下對結構進行實時在線監(jiān)測；最后，通過理論計算結果與實驗結果的對比研究，驗證了本文所采用的EMI技術結合RMM方法進行結構損傷定量分析的可行性。 推導了含裂縫連續(xù)梁和有損傷平面框架結構的壓電阻抗(電導納)的解析表達式。研究表明采用EMI技術能夠很好地識別結構的損傷，通過對壓電片弱粘結的研究得到了弱

5、界面對EMI信號的影響。 弱界面是層合結構的的主要損傷形式之一。本文采用Kelvin-Voigt粘彈性模型來模擬層合結構的粘結特性。首先，從彈性力學基本方程出發(fā)，得到了一些簡單平面結構的與時間有關的彈性力學精確解。其次，采用狀態(tài)空間法和冪級數展開技術，對較為復雜的層合結構(智能結構)進行了準靜態(tài)分析；同時，通過構造時間域內的狀態(tài)方程，實現了時間域內的精確求解，兩種方法得到的計算結果能夠很好地吻合。最后，采用狀態(tài)空間法和EMI技術