主动多激励结构健康监测系统的研制与应用

发布时间：2020-06-12 03:47

【摘要】： 结构健康监测是设备状态监测和故障诊断的基础,而智能材料与结构的应用是进行结构健康监测的重点。压电陶瓷能与基体材料很好结合,具有制备容易、耐热、耐湿、强度高、频响宽等特点,另外它具有正压电效应和逆压电效应,即当它受到机械力变形时,能产生电势,对它施加电压时,能改变其机械尺寸,因此它在智能材料结构中既能用作传感元件又能用作驱动元件。与其它压电陶瓷相比,锆钛酸压电陶瓷(PZT)有较好的机电耦合系数、压电常数、机械品质因数、居里温度和稳定性等,因此,PZT能广泛应用于智能材料结构中。本文研究的目的在于开发一个主动的健康监测系统,用压电激励器和传感器的嵌入网络诊断技术,来检测各向同性板中损伤的位置和尺寸。主动监测系统的基本思想是:采用驱动器在复合材料表面激发主动监测信号,与此同时传感器在同一表面的其他一个或多个地方接收结构响应信号,并对信号进行分析,据此对结构中的损伤进行监测。多激励是指用多个压电陶瓷做为激励源,而且每一个压电陶瓷都可以同时作为激励和响应,可以轮换使用,因此是多点激励,多点响应。多激励监测系统具有以下特点:灵活方便、损伤的定位准确度高,可以进行多点测量,反复定位。因此利用PZT进行做多激励结构健康监测有广阔的应用前景。本文对主动多激励结构健康监测系统进行了应用,对压电陶瓷应用于结构健康监测的原理进行了深入的研究,确定压电陶瓷尺寸和频率的对应关系,确定压电陶瓷的极化方式和电极引出方式。对铝板,复合材料板,支架结构进行了无损伤情况下的试验。对于无损伤情况,利用本系统对铝板结构使用四个传感器进行损伤前不同频率下信号的采集,验证了主动多激励方案的可行性。进行了损伤识别的简单试验,用同一个传感器采集损伤前后的信号,用信号的差异来表征损伤。求出对损伤比较敏感的参数—群速度;群速度的求取可以直接得出铝板的群速度色散曲线,从而把拉姆波分成S0和A0两种模式,S0模式用来检测金属结构表面的裂纹扩展,A0模式对监测复合材料的分层十分有效;由同一块板损伤前后的响应信号,求出了反映损伤的散射波,完成对损伤程度的识别。
【图文】：

激励器,压电元件,压电传感器,风险研究

全的、可靠的、和担负的起的空间利用技术。欧洲航天局（ESA）风险研究和政策表明，健康监测系统（HMS）对降低成本是很有效的，可大程度上减少停飞维修时间。这些系统在那些较小的危险部位成为危急题之前就把它识别出来，是发展更安全，更可靠和更经济的太空运载器要的解决办法[5]。斯坦福大学Fu-Kuo Chang教授开发的多激励信号转换层（SMART层带有分布式压电传感器和激励器（SMART箱），综合激励与传感信息采理，发展了一种创新的结构健康监测方法[6]。其主要功能可以探测结构期的损伤，鉴定损伤大小和位置，，减少制造和维修的费用，增进安全和性。SMART层是一个柔性层，带有分布式排列的压电传感器，使用印路的方法制造的，它能够容易地安装到结构中进行实时监测[7 ～ 10ART层上面的压电元件网络，作为激励器和传感器。压电元件是压电（PZT），它能够作为微型激励器使用，发出诊断波激励结构产生振动断波经过结构传播到临近的传感器。由于诊断波传播经过结构，结构状一些变化将改变传播方式，影响传播信号。这种方法对于检测结构关键部位和螺栓连接处的损伤和失效十分理想[11～17]。

Lamb波,理论频散曲线,复合材料层,板内

阶对称和反对称Lamb波对层合板损伤的最为曲线对于损伤的灵敏度与其传播方向相关，以难以通过Lamb的频散特性来检测结构的损伤[2符合严格定义的Lamb波模态是很难的。在目前传播的应力波看成是Lamb波[30]。Emmanuel M一种可移动式楔形压电传感产生Lamb波并基模态，与有限元的计算结果比较一致[31]。由于振特性, 直接探讨应力波压电阻抗的谐振特性径。置于空气或真空中，如图 1-2 所示，X1、X2坐垂直。板内的纵波与横波相对于X1轴以一定角面不断受到反射并组合形成板中的导波。当板上的波数与横波的波数相等时，由于纵波与横生Lamb波。Lamb波具有一般导波的频散现象，变化，相速度与群速度亦有不一致的现象。根的位移场，可以识别Lamb波的模式[32]。X3
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH17

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