（固体力学专业论文）压电驱动器在结构健康监测中的动态性能研究.pdf

卜。i 二 原创性声明 1 1 1 11 111 1 11 111 1 11 111 1l y 1718 718 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：邑透丝作者签名：趁! 丝k 日期：垃年二月学 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：如上月举 i 舢 摘要 近年来，压电材料广泛应用于现代工业、交通、医疗和航空航天等领域。无 损探伤技术成为该领域中的研究热点，吸引了众多研究者的注意。在新的课题( 基 于智能压电驱动传感一体化技术) 研究中，通过粘附在结构表面的压电晶片在脉 冲电压的作用下产生的高频弹性波，能够在局域范围内识别出结构的早期损伤。 本文基于力电耦合分析，研究了集压电驱动传感一体化技术在结构无损探伤中 的深层机理。本文所取得的成果对结构探伤技术的理论研究有重要的参考价值， 同时对提升压电器件在实际应用中的整体性能具有重要的指导意义。 本文利用三种更为合理的不同结构模式压电驱动器所产生的高频弹性波来 监测弹性结构的损伤问题； 。 ( 1 ) 对于压电驱动器的厚度伸缩模式和厚度剪切模式，给出了这些振动模 式的精确解析解，基于弹性力学的基本理论，运用应变积分求位移特解的方法得 到弹性结构中弹性波的精确解析解，根据位移与应力在压电驱动器与弹性结构接 触界面处的边界条件和连续条件，所产生的弹性波传播问题可以被精确求解。分 析高频弹性波在结构中的传播特性，及高频弹性波损耗量与系统结构几何尺寸、 材料组合、加载频率的影响关系。所得的结果为结构局域范围内的损伤识别提供 判据。 ( 2 ) 对于二维面内波问题，给出压电片结构在p s v 振动模式下的解析解。 建立了用压电片( 驱动器) 监测弹性板损伤的理论模型，用三角级数法进行求解， 计算出阻抗、谐振频率和振型等电学和声学指标，观察并研究了弹性板结构的能 陷现象。这些结果对结构中的损伤监测，尤其是初期微小损伤具有非常重要的理 论意义。 关键词：压电驱动器，振动模式，弹性结构，无损探伤，损耗量 ；ii0；l a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sh a v eb e e nu s e di n m a n y f i e l d s ，s u c ha si n d u s t r y , t r a n s p o r t a t i o n ，h e a l t h c a r e ，a v i a t i o n ，a e r o s p a c ee t c a st h es t u d yh o t p o i n t ，n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nh a sa t t r a c t e dt h e a t t e n t i o no fm a n yr e s e a r c h e r s i nt h en e ws u b je c tr e s e a r c h ( b a s e do n s m a r t p i e z o e l e c t r i c s e n s o r s a c t u a t o r s i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ) ， h i 曲- f r e q u e n c y e l a s t i cw a v ei n a ne l a s t i cs t r u c t u r ei n d u c e d b y s u r f a c e b o n d e dp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ru n d e rh i g h - f r e q u e n c ye l e c t r i cl o a d s ， c a np r o p e r l yc a p t u r et h ec h a n g e si nl o c a ld y n a m i c sd u et o i n c i p i e n t s t r u c t u r a ld a m a g e i nt h i st h e s i s ，b a s e do ne l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g a n a l y s i s ，t h e o r e t i c a la n a l y s e so nt h ee x c i t a t i o na n dd e t e c t i o no fa c o u s t i c w a v e si na ne l a s t i cs t r u c t u r et od e t e c tt h ec r e a t i o na n de v o l u t i o r io f s t r u c t u r a id e f e c t sw i t h p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r sa r ee s t a b l i s h e d t h e v a l u a b l er e s u l t so b t a i n e dh a v e i n s t r u c t i o n a l s i g n i f i c a n c e o n n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ( n d e ) a n de n h a n c i n gt h ei n t e g r a lp e r f o r m a n c e o ft h e s em o d e l sd u r i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h e o r e t i c a la n a l y s e so nt h ee x c i t a t i o na n dd e t e c t i o no f a c o u s t i cw a v e si na ne l a s t i cs t r u c t u r et od e t e c tt h ec r e a t i o na n de v o l u t i o n o fs t r u c t u r a ld e f e c t sw i t hp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r su n d e rt h r e em o r er e a l i s t i c d i f f e r e n ts t r u c t u r a lm o d e sw e r ee s t a b l i s h e d ( 1 ) b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fe l a s t i c i t y , t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o nt o e l a s t i cw a v ei na ne l a s t i cs t r u c t u r ei n d u c e db yp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rc a n b eo b t a i n e db yi n t e g r a t i o no ft h en o r m a ls t r a i n ，a n dt h ed i s p l a c e m e n ta n d t r a c t i o ns h a l lb ec o n t i n u o u s a c c o r d i n gt o t h ec o n t i n u i t yc o n d i t i o n s b e t w e e nt h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ra n dt h ee l a s t i cs t r u c t u r e ，t h e n ，t h e e l a s t i cw a v ep r o p a g a t i o np r o b l e mc a nb ed e a l e dw i t hi nf u r t h e rd e g r e e p r o p a g a t i o np r o p e r t yo fh i g h f r e q u e n c ye l a s t i cw a v ei n a ne l a s t i c s t r u c t u r ei n d u c e db ys u r f a c e - b o n d e dp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ra r ea n a l y z e d a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，m a t e r i a lc o m b i n a t i o n ， l o a d i n gf r e q u e n c ya n dt h ew a s t a g eo fw a v ep r o p a g a t i o ni sa l s od i s c u s s e d ， w h i c hc a np r o v i d ec r i t e r i o nf o rd a m a g ei d e n t if i c a t i o ni nl o c a ls t r u c t u r e ( 2 ) f o rt h et w od i m e n s i o n a l ( 2 - d ) i n p l a n e ( p - s v ) p r o b l e m ，t h e a n a l y t i c a ls o l u t i o nt op i e z o e l e c t r i cs t r i pi sp r e s e n t e d t h e o r e t i c a lm o d e l f o rt h ee x c i t a t i o na n dd e t e c t i o no fa c o u s t i cw a v e si na ne l a s t i cp l a t et o d e t e c tt h ec r e a t i o na n de v o l u t i o no fs t r u c t u r a ld e f e c t sw i t hp i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r si se s t a b l i s h e d b a s i ce l e c t r i ca n da c o u s t i cp r o p e r t i e si n c l u d i n g i m p e d a n c e ，r e s o n a n tf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e sa r ec a l c u l a t e d e n e r g y t r a p p i n g ，a ni m p o r t a n tp h e n o m e n o nw h i c hh a p p e n si nt h ep l a c ec o n f i n e d t ob eu n d e ra n dc l o s et ot h ea c t u a t o r s i so b s e r v e da n de x a m i n e d t h e r e s u l t so b t a i n e da r eh e l p f u lf o rt h es t r u c t u r a ld a m a g ed e t e c t i o n ，e s p e c i a l l y t h ed e t e c t i o no fi n c i p i e n tm i n i m a ls t r u c t u r a ld a m a g e k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r , v i b r a t i o nm o d e ，e l a s t i cs t r u c t u r e ， n o n d e s t r u c t i v ee v a lu a t i o n ( n d e ) ，w a s t a g e 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状5 1 3 本论文研究内容6 1 4 课题来源7 第二章压电阻抗技术用于结构健康监测中的基础理论8 2 1 压电陶瓷8 2 1 1 压电陶瓷的发展史8 2 1 2 压电效应9 2 2 机电阻抗技术1 0 2 2 1 机电阻抗技术的发展史1 0 2 2 2 机电阻抗技术的优势1 0 2 2 3 机电阻抗技术用于结构探伤机理1 1 2 2 4 机电阻抗技术的使用范围1 2 2 3 压电系统中的弹性波传播1 2 2 4 边界条件和连续条件1 3 第三章厚伸压电驱动器在结构健康监测中动态性能研究1 6 3 1 引言1 6 3 2 系统结构图1 7 3 3 理论分析l7 3 3 1 压电驱动器17 3 - 3 2 弹性体1 9 3 3 3 边界条件和连续条件2 0 3 4 数值算例与其结果分析2 0 3 5 小结2 8 第四章厚剪压电驱动器在结构健康监测中的动态性能研究3 0 4 1 引。言3 0 4 2 系统结构图3 0 4 - 3 理论分析3l 4 3 1 压电驱动器3l 4 3 2 弹性体3 3 4 3 3 边界条件和连续条件3 4 4 4 数值算例与其结果分析3 4 4 5 小结4 3 第五章p s v 振动压电驱动器在弹性板健康监测中的动态性能研究4 5 5 1 引。言4 5 5 2 结构示意图4 5 5 3 控制方程4 6 1 v 5 3 1 弹性板的方程：4 6 5 3 2 压电驱动器的方程4 6 5 3 3 边界条件和连续条件4 7 5 4 三角级数展丌解4 8 5 5 数值算例及其结果分析5 5 5 6 ，j 、结6 4 第六章结论与展望6 5 6 1 结论6 5 6 2 展望6 6 参考文献6 7 攻读学位期间主要的研究成果7 6 致谢7 7 v 硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 近年来，我国土木工程事故的频繁发生，造成了生命财产的巨大损失。原因 之一是由于结构中存在着肉眼不可见的潜在缺陷。环境侵蚀，材料老化，荷载的 长期效应、疲劳效应以及突变效应等不利因素的耦合作用，常会造成结构和系统 中不可避免的损伤累积和抗力衰减，使得结构抵抗自然灾害、甚至正常环境作用 的能力下降，极端情况下可能引发灾难性突发事故【l 】。例如：1 9 9 6 年1 2 月2 0 同广东韶关公路大桥坍塌，造成3 2 人死亡，5 9 人受伤；1 9 9 7 年，广西柳州公路 大桥人行道坍陷，造成一名正在欣赏风景的小女孩当场摔死，多人摔成重伤；1 9 9 8 年1 0 月，辽宁沈大高速公路青洋河大桥，由于局部塌陷造成恶性重大交通事故， 2 人死亡，2 人重伤；1 9 9 9 年1 月4 同重庆綦江县彩虹桥因拱架钢管焊接存在严 重缺陷而坍塌，造成4 0 人死亡，1 4 人受伤，直接经济损失6 3 1 万元，如图1 1 所示；2 0 0 0 年8 月2 7 日发生在台湾省的高屏大桥断裂是我国发生的又一起塌桥 事件，造成1 6 辆汽车坠入河中，2 2 人受伤，如图1 2 所示；2 0 0 1 年1 1 月7 几 秒。t 。 ： 。 ，一 ，。二 “： “ z ，“。 ； w ：。 一 ， ， 。|，t t ，! ，r ：”曩。 ： ， 。 一一，* k。 乏 ”一2 。 。 图1 - 1 重庆綦江县彩虹桥坍塌 硕 学位论文第一章绪论 四川宜宾市南门大桥在建成1 0 年后因为两端4 对共8 根短吊杆在与横粱联结部 位突然发生断裂导致两端桥面坍落，导致2 人死亡，2 受伤，如图1 3 所示；2 0 0 2 年5 月2 5r 台湾中华航空公司的一架波音b 7 4 7 2 0 0 客机在三力多英尺的高空解 体，通过分析找到的飞机残骸，专家们估计导致飞机解体最可能的原因是金属因 图1 - 2 台湾高屏大桥断裂 图1 3 四川宜宾金沙江南门大桥跨中断塌 2 硕十学位论文第一章绪论 表面损伤而蔓延成金属疲劳，导致结构破裂。2 0 0 3 年辽宁盘棉大桥由于牛腿断 裂，造成桥梁断裂。2 0 0 4 年四川成温邛公路会马河上的三渡水大桥新老桥均突 然下陷；2 0 0 7 年5 月9 日1 2 时5 0 分左右，江西省铅山县鹅湖镇傍罗大桥瞬间 轰然倒塌，桥面和桥墩成了乱石堆；2 0 0 7 年5 月1 4 同，江苏常州公路大桥突然 倒塌，事故发生前，在桥面上也没有发现裂缝；2 0 0 7 年8 月1 3 日，湖南湘西凤 凰县的凤凰公路桥，在竣工前夕轰然垮塌，造成4 7 余入死亡，2 2 人重伤的严重 事故，损失惨重。上述这些数字表明，这些事故不仅造成重大的人员伤亡和财产 损失，而且造成恶劣的社会影响。因此，及时而又准确地对这些结构( 特别是薄 弱结构) 进行健康监测，有助于实现结构的状态监测和故障诊断的快速性、准确 性、实时性，也能及时发现早期故障，还能对故障进行分类和定位，从而有效地 保证建筑结构的安全性，具有十分重要的社会和经济价值。 无论是混凝土结构还是钢结构，在服役阶段损伤通常以萌生裂纹的形式出 现，在长期受力、长期环境腐蚀情况下会逐渐扩展，最终破坏。然而在损伤发展 的早期，这种局部的裂纹对整体结构的安全性影响不大，具用很强的隐秘性。因 此如何尽早的发现它们并准确地定位它们，又如何观测出它们的扩展速率是结构 工程安全监测的主要内容。目前结构工程界所普遍采用的检测手段有整体性方法 和局部性方法。整体性方法又分静态技术和动态技术。静态技术包括整体静态位 移技术、静态应变技术等。它们力图通过测量结构的静力学响应来判断结构的损 伤状态。然而，对服役结构进行大载荷作用下的变形或应变测量是非常不实际的， 所以这两项技术不适用于对结构的实时在线监测。相比较静态技术，整体动态技 术，包括模态分析法、频率分析法、模态应变能法、刚度分析法、柔度分析法等， 尽管证明较为有效，但它们也有重要的缺陷。首先模念数据受测量误差和提取误 差影响很大，其次基于结构动力学模态振动理论，尤其严重依赖整体结构的少数 低频激振，但是许多实验都证明结构低频振动对局部损伤不敏感，特别是以裂纹 形式出现的结构早期损伤。例如，大部分基于振动方法的检测技术都是使用频率 的变化或模态形状的变化来评定结构损伤的。但许多实验研究显示：结构即使是 处于严重损伤时，固有频率的漂移或模念形状的变化也是很小的。如s t u b b s 等【2 j 发现：从破坏强度的6 5 j i 载到7 0 ，频率漂移仅仅1 2 ，而模念形状的变化 则更是难以测量。p a n d e y 等1 3 】发现：一个简支梁中心区的弹性模量降低5 0 后， 它的一阶固有频率仅仅降低3 。f a r r a r 等1 4 j 对桥梁的损伤监测表明：无论是频率 还是模念都不是一个好的损伤显示的指标。即使这样，目前此类基于振动理论的 监测方法也只主要应用在像梁或桁架等的简单结构上，对更复杂的结构还少有见 报道。此外，不管是静态监测技术还是动态监测技术都需要大量实验数据和计算 过程，许多研究人员还需要结合人工神经网络技术的配合无参数预测结构的损 3 硕十学位论文 第一章绪论 伤。经验显示：损伤是一个局部现象，不足以用低频模念加以识别。只有当损伤 足够大时，它才对低阶模态有足够的影响，而此时结构已经处于危险状态了。局 部损伤探测技术，它包括：超声波传播技术、声发射技术、冲击回弹技术等。在 超声传播技术中，损伤定位的监测是通过高频弹性波反射的时间差来确定的。比 较整体技术，尽管它显示出对损伤很高的敏感性，但此类设备往往体积庞大和贵 重，不仅操作不便，而且在测试阶段影响结构的j 下常使用。另外，由于获取的数 据是在时间域里面，还需要大量的数据处理和长时间的实验观察才能对损伤细节 有所了解。再者，由于超声不能在与结构表面成定的角度上发射，它不能用来 监测横观的表面裂纹。还有，它需要有经验的技术人员来解释这些实验数据。因 此，超声传播技术不能自动在线监测损伤。在声发射技术中，弹性波是由结构内 部的塑性变形、运动位错和脱粘等应力活动成生的。它的主要问题是从源到传感 器存在多路经传播，以及周围机械噪声的污染等都弱化了声发射信号的质量。在 冲击回弹技术中，裂纹的定位是通过反射波来分析和测量的。它对大尺寸损伤很 有效，但对小尺寸损伤却很不敏感【5 j 。这些局部技术的普遍缺点是其探测装置需 要在结构表面上运动，记录实验数据。它不仅难以实现自动化，而且使用起来也 很不方便。这些缺点使得它们不可能做到在线监测结构，尤其是大型的工程结构。 从以上分析可以看出：传统的工程结构监测手段有一些先天的缺陷和不足，难以 对服役结构实现实时的损伤在线监测。 正如前面所指出的：相比较局部探伤技术，整体动态监测技术更适合用来作 为结构损伤检测的手段，但它主要的不足在于使用了较低阶的振动模态，导致结 构早期损伤难以得到确定。但正如d o e b l i n g 等【6 j 研究指出的：如果改用高频模态， 则这些限制就可以克服。然而，传统的方法很难激振出结构的高频响应。并且从 试验的角度来说，确定高频模态也是不可能的，因为它需要大量的传感器来测量 响应。最近二十年，随着智能材料技术的发展，人们发现压电陶瓷材料( p z t ) 是 非常有潜力的结构激振和感应材料。例如，在交变电压( 1v o l tr m s ) 的作用下， 一块尺寸在2 0 m m 2 0 m m 0 2 m m 的压电陶瓷晶片能够在高频范围( 3 0 4 0 0 k h z ) 有效地局部激振结构。更为重要的是，由于压电陶瓷的机电耦合性能，它同时还 能接受结构返回的小尺度损伤信息【7 8 】。因此，基于智能材料的损伤监测技术已 成为结构健康监测领域的研究前沿【9 j4 1 ，并且可发展出集压电驱动传感一体化技 术的、主动的结构实时在线安全监测系统。 压电陶瓷材料之所以能成为智能结构系统材料研究所关注的主要焦点，那是 因为压电陶瓷材料具有将电能转化为机械能的性能，反之亦然，压电材料的这些 性能即可作为压电驱动器和压电传感器的运作功能f 。引。所谓一体化压电传感器 驱动器系统的可靠性和有效性优化，需要我们对传感驱动进程及整个结构所产 4 硕十学位论文 第一章绪论 生的机电响应有一个清晰的理解。此外，压电传感器驱动器和主结构问的粘接 状况对压电传感器驱动器的性能也存在一定的影响【1 9 之2 1 。因此，通过对这些压 电传感器驱动器的耦合机电特性的研究来合理探讨结构实测信号和局部机械变 形的关系已成为我们所面临的一个重要课题。 1 2 国内外研究现状 在以往国内外研究集压电驱动传感一体化的结构探伤技术理论 2 3 - 2 7 】过程 中，一般都是采用一个压电驱动器，在横向剪切模式( s h ) 下产生超声波，超 声波通过一个弹性板或圆柱壳，大部分振动被限制在驱动器下面或附近( 能陷现 象) ，但也有一部分会分布在整个弹性板或壳体中；特别是在高阶模态下，散射 到弹性壳体中的波，可以探测到弹性板壳罩面的微小裂纹，特别是初始裂纹，这 些裂纹产生的响应，返回到压电驱动器上，造成机电阻抗( 电导纳) 的变化，这 就构成了一个结构探伤的过程。 在结构损伤发展的早期，局部的裂纹对整体结构的安全性影响不大，具有很 强的隐蔽性。因此如何尽早的发现并准确地定位它们，又如何观测出它们的扩展 速率是结构工程安全监测的主要内容。目前结构工程界所普遍采用的监测手段有 整体性方法和局部性方法1 2 引，但是对于结构早期损伤的诊断，这两种方法都有一 定的局限性1 2 邺引。 压电陶瓷除了具有力电耦合性能外，它同时还能接收结构返回的小尺度损伤 信。息1 2 8 , 2 9 j ，因此，基于智能材料的损伤监测技术己成为结构健康监测领域的研究 前沿，并且有可能发展出集压电驱动传感一体化技术的、主动的结构实时在线 安全监测系统。目前，在这一类现代结构损伤监测技术当中，最具潜力的就是机 电阻抗方法( e m i ) 1 3 2 , 3 5 1 。机械阻抗法最初由s u n 等在对复合精架结构的健康 监测中提出。 t s e n g 等【37 j 利用压电陶瓷换能器对铝板上模拟的不同损伤进行监测，将p z t 换能器的机械阻抗值作为损伤因子，对不同方位的模拟开孔损伤进行监测，通过 计算p z t 换能器的导纳来确定损伤的位置、程度和大小：r i t d u m r o n g k u l 等【3 8 】 提出一种基于阻抗法的模态识别技术。采用压电陶瓷，应用该方法对一含有裂纹 的铝板结构进行监测，准确的识别出了结构上的裂缝的位置和深度；c r a w l e y 等 p 州研究了- , b 片粘贴在梁结构表面和预埋在梁结构内部的压电晶片，及压电晶片 和梁结构问荷载传递。并且在压电晶片中的轴应力被假定为沿厚度均匀分布。赵 晓燕等”o j 基于压电陶瓷的结构健康监测与损伤诊断进行了相关研究。 5 硕十学位论文第一章绪论 p a r k 等【4 i 】应用压电陶发现并记录了结构的机械阻抗信息：r e d d y 等【4 2 础1 用板 壳结构来建立压电结构的机电特性模型。c h a u d h r y 等1 4 9 j 利用压电陶瓷传感器对 航天飞机结构的局部损伤进行健康监测；w a n g 等1 5 0 j 通过研究粘贴在无限弹性体 表面的薄压电晶片附件静态局部应力场来分析压电晶片和主体结构之间的荷载 传递及应力集中问题。z h a n g 等【5 l ，5 2 l 通过考虑界面应力和正应力来确定粘贴于弹 性结构表面压电晶片的静态机电特性；b h a l l a 等1 5 3 】利用贴于结构表面的p z t 来 获取结构的机械阻抗信号，综合利用监测信号的实部和虚部信息，提出定量分析 损伤的振动状态，由其激励所产生的应力波波长较短，因而阻抗法能够监测到结 构中的微小损伤。 g i u r g i u t i u 等【5 4 l 利用压电陶瓷贴片所测到的结构机械阻抗的谱特征，探测到 结构产生初始裂缝的时刻。a n d e r s o n 等1 5 5 】建立一个粘贴在梁结构表面的薄压电 晶片b e m o u l l i - - e u l e r 模型，通过考虑沿压电晶片厚度线性应力分布来对该模型 进行分析。y a n g 等【珏5 8 】在理论上分析了用压电驱动器激发超声波监测弹性板和 圆柱壳中的损伤问题。 1 3 本论文研究内容 本文研究思路基于压电激发超声波在无损探伤中的应用为背景，这是压电领 域研究的热点问题。本文运用力电耦合分析方法，重点在于运用压电片( 驱动器) 监测弹性板的损伤问题，由此建立了压电驱动传感一体化的无损探伤的理论模 型，并给出了数值算例；这些工作，对无损探伤技术的理论研究方面提供有力的 理论支持。本文具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在第一章中，阐述了课题的研究背景及意义，综述了用于结构健康监 测的压电阻抗技术的国内外研究现状，然后介绍本文的主要研究内容和课题来 源。 ( 2 ) 在第二章中，介绍压电陶瓷材料的发展史和压电效应及存在压电效应 的条件；介绍了机电阻抗技术的发展史，与传统的整体振动技术相比其在技术上 的优势，同时对于机电阻抗技术的使用范围和用于结构探伤机理做了详细的阐 述；分析了压电驱动器所产生的高频弹性波在结构损伤监测中传播的波场；最后 对运用于压电驱动器和主结构之间的边界条件和连续条件进行了全面介绍。 ( 3 ) 在第三章中，理论上分析了用厚度伸缩压电驱动器激发超声波监测弹 性体的损伤问题。首先给出了压电驱动器在厚度伸缩振动模式下的解析解；建立 了用压电片( 驱动器) 监测弹性体损伤的理论模型，接着通过数值计算详细研究 6 硕十学位论文第一章绪论 高频弹性波在结构中的传播特性，及高频弹性波损耗量与系统结构几何尺寸、材 料组合、加载频率的影响关系。 ( 4 ) 在第四章中，理论上分析了用厚度剪切压电驱动器激发超声波监测弹 性体的损伤问题。首先给出了厚度剪切振动模式下压电驱动器的精确解析解，接 着基于弹性力学的基本理论，运用应变积分求位移特解的方法得到弹性结构中弹 性波的精确解析解，根据位移与应力在压电驱动器与弹性结构接触界面处的边界 条件和连续条件，所产生的弹性波传播问题可以被精确求解。最后通过数值计算 分析了系统结构几何尺寸、材料组合、加载频率与高频弹性波在结构中的传播特 性和损耗量的影响关系。 ( 5 ) 在第五章中，给出压电片( 驱动器) 结构在p s v 振动模式下的解析解。 建立了用压电片( 驱动器) 监测弹性板损伤的理论模型，用三角级数法进行求解， 计算出阻抗、谐振频率和振型等电学和声学指标，观察并研究了弹性板结构的能 陷现象。 ( 6 ) 在第六章中，对全文工作进行了总结，并对今后研究工作提出了若干展 望。 1 4 课题来源 本课题是在国家自然科学基金( 5 0 7 7 8 1 7 9 ) ：“集压电驱动传感一体化技术 的结构在线健康监测的研究”的支持下进行。 7 硕十学位论文第二章压电阻抗技术h j 丁结构健康监测中的基础理论 第二章压电阻抗技术用于结构健康监测中的基础理论 2 1 压电陶瓷 2 1 1 压电陶瓷的发展史 1 8 8 0 年，法国物理学家p 居罩和j 居里兄弟发现，将重物放在石英晶体上， 晶体某些表面会产生电荷，其电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。 然而，居罩兄弟却没有预测到压电材料的逆压电效应。只有到1 8 8 1 年，g a b r i e l l i p p m a n n 才通过基本热力学原理数学推导出压电材料存在逆压电效应。随即， 居里兄弟通过实验证实了压电材料逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生 变形。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生 形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏 观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材 料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化 时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振 动( 声波) 和交流电的互相转换。 压电器件早期被用来作为致动器。第一次世界大战期| 日j ，压电器件第一次被 运用到声纳当中。l a n g e v i n 通过在钢板问夹薄的石英晶体来生产一个致动器。 通过压电器件就能够产生超声，接着由一个水下传声器就能够进行监测。通过监 测所得到的超声脉冲的时间就能精确地确定想要的空间距离。 第二次世界大战期间，美国、俄罗斯、日本的自主研究小组发现了一类新型 的人造压电材料，即现在所谓的铁电材料，它的压电常数是自然压电材料的好几 倍。自从居里兄弟发现压电效应以后，压电材料的应用已经扩展到许多领域1 5 9 ，6 0 j ， 铅锆钛( 压电) 陶瓷发现于1 9 5 4 年，它取代了钛酸钡陶瓷，广泛应用于各种压 电器件中，成为当今世界压电市场的主导材料【6 卜6 引。对比于自然的压电晶体，这 些最新发现和发展的压电陶瓷材料更加通用，能够被专用于具体的应用当中。 在过去的几十年问，压电陶瓷材料作为传感器和驱动器运用在结构健康监测 和智能结构等等已非常显著瞄。7 。非常典型的是压电陶瓷材料被用来作为驱动器 及聚合压电薄膜被用来作为传感材料。对于自感压电驱动器来说，压电陶瓷材料 能被用作为传感和驱动【7 2 1 。除此之外，这样的传感器驱动器还拥有其他的优势， 如频响范围宽、响应速度较快、线性关系好、功耗低、可以与其它材料互相嵌入 构成复合材料等优点1 7 3 1 。 8 硕十学位论文 第二章压电阻抗技术刚丁i 结构健康监测中的基础理论 2 1 2 压电效应 当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电 荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电效应或压电效 应，如图2 1 所示。利用压电效应可以将压电材料制成传感器束感知结构物的变 形。 - - + 极 化 方 向 + 图2 - 1 正压电效应示意图 反之，当在压电晶体上施加一电场作用时，不仅产生了极化，同时还产生了 形变。这种由于电场作用产生形变的现象称为逆压电效应，如图2 2 所示。逆压 + _ - 极 化 方 向 + 图2 - 2 逆压电效应示意图 电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力 称为压电应力，通过它的作用产生压电应变。利用逆压电效应可以将压电材料制 成驱动器来控制结构物的变形【7 4 1 。 压电效应只能出现于构造上不存在对称中心的异极晶体中7 5 1 ，普通陶瓷通常 是各向同性材料，结构上具有球面对称的特征，故不具有压电效应。原始的压电 陶瓷体内具有类似铁畴材料磁畴结构的“电畴”结构【7 6 1 。可以看出，未经过极化 的压电陶瓷中电畴内的自发极化方向是任意的，这使得压电陶瓷在宏观上不表现 压电性。当对压电陶瓷施加强直流电场时，电畴的极性会转向极化电场的方向。 类似于铁磁物质的磁场磁化现象，当电场取消后，压电陶瓷内部仍存在着很强的 剩余极化强度。剩余极化强度在压电陶瓷内部所建立的电场使其表面出现异号束 9 硕十学位论文 第二章压电阻抗技术州丁结构健康监测中的基础理论 缚电荷，由于束缚电荷被其从外界吸引来的表面电荷层屏蔽，使得极化后的压电 陶瓷在自由状态下不显电性。对极化后的压电陶瓷施加外力，其由于形体的改变 而使得剩余极化强度发生变化，引起陶瓷表面吸附地自由电荷的数量发生变化， 形成充放电现象，这就是压电陶瓷所表现出地正压电效应。 当对极化后的压电陶瓷施加与极化方向平行的电场时，剩余极化强度随电场 强度的改变而相应地变大或减小，即陶瓷内部束缚电荷问的距离发生变化，使压 电陶瓷产生了形变。这就是压电陶瓷所表现出来的逆压电效应。即当压电陶瓷用 作驱动器时，可以利用外加电场使其收缩和伸张，实现结构的振动控制。 根据正压电效应和逆压电效应，压电器件可分为四大类，即：发电机、传感 器、驱动器和换能器。发电机和传感器利用正压电效应，即机械能转化为电能， 驱动器工作恰恰与之相反，通过逆压电效应将电能转化为机械能，换能器则为在 同一个设备里，两种压电效应同时存在。 2 2 机电阻抗技术 2 2 1 机电阻抗技术的发展史 近年来，压电阻抗技术在结构健康诊断中应用的研究越来越多。s u n 等1 7 7 瑙i 是压电阻抗技术的丌拓者，并将压电阻抗技术成功用于组装衍架的结构健康诊断 中被认为是压电阻抗技术在结构健康诊断领域应用的开始1 7 引。接着，c h a u d h r y 等【8 0 , 8 1 】通过对不同结构早期损伤阻抗频谱的对比分析来运用机电阻抗技术对结 构进行健康监测。q u i n n 和l o p e svj r 等 8 2 , 8 3 利用新型方法来分析机电阻抗谱及 研究结构损伤的识别。机电阻抗技术是非模态分析技术，近十年开始向工程领域 展开应用。比如用于监测钢桥结构【矧、混凝土强度【8 5 1 、焊接节点【8 6 1 、地下管线 结构蚓等，钢筋混凝土桥梁结构【8 8 , 8 9 】等。它显示出在超声频率范围对结构早期损 伤非常有效，而这些早期损伤对传统的低频振动方法来说，是微不足道，以至于 对结构整体性能没有影响。机电阻抗方法( e m i ) 表现出对结构早期损伤高的敏感 性证明它更适合用作结构损伤的识别。尽管阻抗方法与模态方法类似，但与模态 方法依赖于低频模念相反，阻抗方法依靠高频模态，它能识别出局部的、微小的 结构状态的变化。 2 2 2 机电阻抗技术的优势 与传统的整体振动技术相比，e m i 技术的优点还在于： 1 0 硕十学位论文 第二章压电阻抗技术川丁结构健康监测中的基础理论 1 ) 压电阻抗技术中常使用的压电材料p z t ( 锆钛酸铅压电陶瓷) 有体积小， 结构简单工作可靠。 2 ) 它能够长期现场测试，压电晶片价格便宜，且能够永久地粘贴在结构表 面上。 3 ) 数据分析简单，机电阻抗分析技术之所以是定量的是因为不同类型的损 伤像裂纹、腐蚀、脱胶、或连接松动等都将相似地改变结构的机械阻抗。 4 ) 在频率域中研究损伤，可以在共振区附近，提取非常有限的频率响应。 和模态数据相比较，在希望的频率范围内，频率响应数据能够提供更多的损伤信 息【9 0 1 。 5 ) 能源要求低、不受噪声影响，实验设备简单，并且可以实现自动的、实 时的、远距离的和在线的监测。 此外，e m i 技术还满足了现代无损探伤技术要求尽可能地探测出结构早期最 小的损伤，而这类损伤既不影响结构的整体性，也不影响结构的工作性能，但此 时的修复是最便宜的、结构的安全性得到提高、结构的寿命得到延长，进而在不 降低结构安全的条件下，对结构进行了服役期中的二次优化设计。 2 2 3 机电阻抗技术用于结构探伤机理 机电阻抗技术主要利用了压电材料的机电耦合特性。使用p z t 进行结构健 康监测的基本原理为：将p z t 片粘贴于结构表面，当结构被测处的应力和应变发 生变化时，结构对p z t 的机械阻抗随着结构材料的变化而不断改变，虽然该参数无 法直接测量，但可通过测量p z t 电阻抗的变化来判断结构中的损伤状态。机电耦 合模型定量描述了p z t - 副 1 - 部结构相互作用关系，如图2 3 所示【9 1 ，9 2 l ： v 图2 3p z t 与结构之间的机电耦合 硕十：学位论文第一二章压电阻抗技术i j 丁结构健康监测中的基础理论 2 2 4 机电阻抗技术的使用范围 压电阻抗技术的敏感区域是压电传感器的领域范围，有助于分离出结构整体 的质量加载、结构刚度和边界条件变化与p z t 附近结构损伤对测量结果的影响， 而直接确定损伤。换句话说，这种技术是对远场边界条件不敏感的，因此它非常 适合用于监测和定位高度集成的结构损伤。同时，这种技术还适用于跟踪监测那 些对结构完整性要求严格或是对结构寿命影响很