基于压电阻抗技术的层合板损伤检测数值分析和实验研究

发布时间：2017-10-26 14:10

  本文关键词：基于压电阻抗技术的层合板损伤检测数值分析和实验研究

  更多相关文章： 复合材料 损伤检测 压电阻抗 机械阻抗 有限元法 互相关系数

【摘要】：复合材料因其优良特性,如较高的比强度和比刚度以及良好的热稳定性、抗疲劳性和耐腐蚀性,在航空航天等领域得到了广泛的应用。复合材料结构在其成型以及使用过程中,由于受到各种工艺和工作环境的影响,往往会产生诸多的缺陷和损伤,这将严重影响复合材料结构的整体性能。鉴于此种情况,复合材料损伤检测技术已成为复合材料技术研究的重要方向。本文主要针对压电阻抗技术在复合材料层合板损伤检测方面的应用进行了研究。首先,本文对复合材料力学知识和压电阻抗技术进行了相关理论介绍和分析,得出了PZT-结构耦合系统中PZT电阻抗与结构机械阻抗之间的关系,分析了影响PZT耦合电导纳的因素,为压电阻抗技术进行结构损伤检测提供了理论依据。其次,利用有限元软件ANSYS对基于压电阻抗技术的复合材料层合板损伤检测进行了数值分析。建立了层合板损伤检测三维有限元模型,分别建立了双压电片检测系统和三压电片检测系统模型,对不同损伤工况下各压电片的电导曲线进行了对比,分析了结构损伤对压电片的影响,并结合互相关系数的损伤判定准则对结构损伤进行了判定和评估。通过有限元分析的方法从理论上验证了压电阻抗技术对复合材料层合板进行损伤检测的有效性和可行性,为后续的实验提供了重要的参考价值。最后,利用精密阻抗分析仪WK6500B对复合材料层合板进行了损伤检测实验研究。在数值分析的基础上,对含有不同位置和程度损伤的层合板进行了损伤检测,通过对不同工况下电导曲线的对比和分析,验证了实验分析结论和数值分析结论具有一致性,也验证了压电阻抗法能够成功检测出复合材料层合板损伤的情况。同时,对层合板损伤进行定位分析与研究,验证了采用分布式压电片进行损伤检测可以对结构损伤进行初步定位。
【关键词】：复合材料 损伤检测 压电阻抗 机械阻抗 有限元法 互相关系数
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB302.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 压电阻抗技术与传统检测技术的比较12-13
• 1.3 压电阻抗技术的国内外研究现状13-17
• 1.3.1 压电阻抗技术的国外研究现状14-16
• 1.3.2 压电阻抗技术的国内研究现状16-17
• 1.4 本文的主要内容17-19
• 2 基于压电阻抗技术的复合材料损伤检测的基本理论19-32
• 2.1 引言19
• 2.2 复合材料力学理论19-24
• 2.2.1 各向异性材料的力学基本方程19-22
• 2.2.2 正交各向异性材料的应力与应变关系22-24
• 2.3 压电阻抗技术的基础理论24-31
• 2.3.1 压电效应和压电方程24-26
• 2.3.2 结构系统耦合电阻抗理论26-30
• 2.3.2.1 结构的机械阻抗26-28
• 2.3.2.2 PZT-结构系统耦合电阻抗28-30
• 2.3.3 损伤判定准则30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 3 基于压电阻抗技术的层合板损伤检测的数值分析32-57
• 3.1 有限元软件ANSYS的概述32-33
• 3.2 ANSYS中的压电分析33-38
• 3.2.1 压电本构关系的有限元模型33
• 3.2.2 压电材料的ANSYS建模33-36
• 3.2.2.1 压电单元的选择33-34
• 3.2.2.2 ANSYS中压电材料参数的分析34-36
• 3.2.3 压电阻抗法ANSYS分析步骤36-38
• 3.3 层合板损伤检测三维有限元分析38-56
• 3.3.1 双压电片检测系统模型分析38-45
• 3.3.1.1 双压电片检测系统几何模型38-40
• 3.3.1.2 双压电片检测系统有限元建模40-42
• 3.3.1.3 结果分析42-45
• 3.3.2 三压电片检测系统模型分析45-56
• 3.3.2.1 三压电片检测系统几何模型45-46
• 3.3.2.2 三压电片检测系统有限元建模46-47
• 3.3.2.3 结果分析47-56
• 3.4 本章小结56-57
• 4 基于压电阻抗技术的层合板损伤检测的实验研究57-75
• 4.1 实验目的57
• 4.2 压电阻抗法的实验设备与材料57-58
• 4.3 实验方案设计58-60
• 4.4 自由压电片的测试60-61
• 4.5 双压电片检测实验分析61-65
• 4.6 三压电片检测实验分析65-71
• 4.6.1 三压电片检测设置65-66
• 4.6.2 实验结果分析66-71
• 4.6.2.1 不同损伤位置情况下结果分析66-69
• 4.6.2.2 不同损伤程度下结果分析69-71
• 4.7 层合板损伤定位研究71-73
• 4.8 本章小结73-75
• 5 总结与展望75-77
• 5.1 总结75-76
• 5.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果81-82
• 致谢82

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