EMI結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，其基本思想是利用粘貼在被檢測結(jié)構(gòu)表面的壓電片來施加高頻激勵(lì)并提取壓電阻抗信號，以識別結(jié)構(gòu)中的損傷。由于電阻抗信號的波長很短，所以對結(jié)構(gòu)中早期出現(xiàn)的局部細(xì)小損傷非常敏感。但是，由于有損傷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的復(fù)雜性和高頻振動(dòng)分析的困難性，傳統(tǒng)的EMI技術(shù)無法將電阻抗譜的變化同被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的物理和幾何參數(shù)有機(jī)地聯(lián)系起來，因而無法對結(jié)構(gòu)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(shù)存在的缺陷，本文建立了更為精確的EMI模型。在假設(shè)壓電片與主體結(jié)構(gòu)之間通過層間剪力進(jìn)行應(yīng)力傳遞的基礎(chǔ)上，引入剪滯模型來模擬壓電片與主體結(jié)構(gòu)之間的界面特性，并且考慮了壓電片的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。 采用傳遞矩陣法(TMM)對有損傷的一維桿精確EMI模型進(jìn)行了定量分析，推導(dǎo)了包含損傷信息的壓電阻抗解析表達(dá)式，數(shù)值計(jì)算表明利用電阻抗信號的變化在理論上可以成功識別結(jié)構(gòu)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(gòu)件的高頻振動(dòng)時(shí)存在嚴(yán)重的數(shù)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(shù)的結(jié)構(gòu)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(dòng)分析方法，相關(guān)的數(shù)值模擬還顯示采用上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)有損傷結(jié)構(gòu)的EMI精確定量分析。 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)/譜分析儀對鋼制梁、板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)驗(yàn)研究

4、。通過對由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的損傷指標(biāo)的分析，可以定量地識別損傷的程度和損傷的擴(kuò)展趨勢；通過實(shí)驗(yàn)研究還表明采用EMI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在不同溫度環(huán)境下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；最后，通過理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比研究，驗(yàn)證了本文所采用的EMI技術(shù)結(jié)合RMM方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷定量分析的可行性。 推導(dǎo)了含裂縫連續(xù)梁和有損傷平面框架結(jié)構(gòu)的壓電阻抗(電導(dǎo)納)的解析表達(dá)式。研究表明采用EMI技術(shù)能夠很好地識別結(jié)構(gòu)的損傷，通過對壓電片弱粘結(jié)的研究得到了弱

5、界面對EMI信號的影響。 弱界面是層合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的粘結(jié)特性。首先，從彈性力學(xué)基本方程出發(fā)，得到了一些簡單平面結(jié)構(gòu)的與時(shí)間有關(guān)的彈性力學(xué)精確解。其次，采用狀態(tài)空間法和冪級數(shù)展開技術(shù)，對較為復(fù)雜的層合結(jié)構(gòu)(智能結(jié)構(gòu))進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)分析；同時(shí)，通過構(gòu)造時(shí)間域內(nèi)的狀態(tài)方程，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間域內(nèi)的精確求解，兩種方法得到的計(jì)算結(jié)果能夠很好地吻合。最后，采用狀態(tài)空間法和EMI技術(shù)