（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）应用pvdf压电材料测量结构应力和应力强度因子.pdf

坠! ! ! 些! ! ! 堕! ! 望! ! 塑! 堕! 堡! 竖塑! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 墅 摘要 结构构件中的裂纹会降低结构系统的安全性，甚至导致整个系统的失效。因此，对 存在裂纹的构件进行强度分析尤为重要。 根据线弹性断裂力学得到的应力强度因子是评估裂纹结构强度的一个重要参数。应 力强度因子可以通过数值计算来得到，比如有限元法和边界元法。但这些数值方法在应 用到大型实际结构中时会遇到一些困难。比如结构所承受的外载荷以及其它边界条件很 难确定；建立精确的裂纹结构的有限元模型也将花费大量的时间和精力。 本论文提出了应用p v d f 压电材料和非接触型静电电压表测量裂纹尖端应力分布和 i ，i i 类型裂纹的应力强度因子的实验方法。 首先，推导了p v d f 压电材料的输出电压和它所受到的应力应变之间的关系。关系式 中的参数可以通过实验确定。通过施加已知载荷和测得的电压来确定参数。 其次，利用p v d f 开发制作了一种各向同性压电元件。将同样尺寸的两层p v d f 薄膜 以重叠的方式贴在结构表面，而且它们的延伸方向相互垂直，那么从这两层p v d f 薄膜上 输出的电压将显示出各向同性。 再次，利用p v d f 压电材料和非接触型电压表测量裂纹尖端的应力分布。通过对试验 结果和有限元数值计算比较，p v d f 压电材料可以应用在实际的应力测量中，并且有良好 的精度。 最后，提出了一种应用p v d f 压电材料测量结构裂纹应力强度因子的两种方法。特别 是在表示裂纹尖端附近应力分布的展开式中增加考虑了第二项来提高该方法的估算精 度。实验结果以及数值分析表明该方法可以应用于实际结构裂纹的应力强度因子的测量， 并具有很高的工程精度。 关键词：p v d f 压电材料，非接触型静电电压表，裂纹尖端，应力强度因子，有限元法 s t r e s sa n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o rm e a s u r e m e n to f s t r u c t u r a lm e m b e r s u s i n g p v d ff i l m s t r e s sa n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o rm e a s u r e m e n to f s t r u c t u r a lm e m b e r s u s i n g p v d ff i l m a b s t r a c t c r a c k se x i s t i n gi ns t r u c t u r a lm e m b e r s m a y a f f e c tt h es a f e t yo fas t r u c t u r ea n d m a y c a u s ea c a t a s t r o p h i c 雠l u r eo f t h es t r u c t u r e t h e r e f o r e s t r e n g t ho ft h ec r a c k e dm e m b e ri si m p o r t a n t m a t t e ro fc o n c e mw h e nm a i n t a i n i n gs t r u c t u r e s s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ( s w ) h a so r e nb e e n e m p l o y e d f o rt h es t r e n g t he v a l u a t i o no f c r a c k si n d u c e di ns t r u c t u r e s t h es f f e s si n t e n s i t yf a c t o r s o fc r a c k e dm e m b e r sa r cu s u a l l yo b t a i n e d b y n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ss u c ha sf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) o rb o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ( b e m ) h o w e v e r ，n u m e r i c a lm e t h o d ss o m e t i m e s m e e tp r o b l e m st h a tc a n n o tb ee a s i l yr e s o l v e d s u c h 嬲t h ed i 瓶c u l t i e sd u et o c o m p l i c a t e d b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n de x t e r n a ll o a d sa p p l i e dt ot h es t r u c t u r e ，t h ec o m p l e x i t yo fs t r u c t u r a l c o n f i g u r a t i o na n d t h ec r a c ks h a p e i nt h i st h e s i s o n em e t h o dt om e a s u r et h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n do n em e t h o d t om e a s l 1 et h e s i f so fm o d eia n dm o d ei ic r a c k s u s i n gp v d ff i l m sa n da ne l e c t r o s t a t i cv o l t m e t e ro f n o n - c o n t a c t t y p e a r ep r o p o s e d e x p e r i m e n t sw e r e p e r f o r m e d t ov a l i d a t et h o s em e t h o d s f i r s t , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u tv o l t a g eo fp v d ff i l m sa n da p p l i e ds t r a i n sa n d s t r e s s e st h a tt h e ys u f f e rw a s a n a l y t i c a l l yd e d u c e d p a r a m e t e r si nt h er e l a t i o n s h i pw e r ei d e n t i f i e d w i t ha n e x p e r i m e n t s e c o n d ，ak i n do f i s o t r o p i cp i e z o e l e c t r i ce l e m e n tw a sd e v e l o p e d o n ep i e c eo f p v d ff i l m w a s t i g h t l y a d h e r e dt oa n o t h e ro n ei nt h es a m es i z ew i t ht h e i r s t r e t c h i n gd i r e c t i o n sp e r p e n d i c u l a r t oe a c ho t h e r a ne x p e r i m e n tt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yt or e a la p p h c a t i o no ft h i sd e v e l o p e d i s o t r o p i cp i e z o e l e c t r i ce l e m e n t w a sc a r r i e do u t 1 1 削，a ne x p e r i m e n tt om e a s u r es t r e s sd i s t r i b u t i o nn e a rac r a c kt i du s i n gp v d ff i l m sw a s p e r f o r m e d ，a n df e n u m e r i c a lc a l c u l 撕o nw a s c o m p l e t e d 1 1 1 er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw e r e c o m p a r e d ，a n d s h o w e d g o o da g r e e m e n t l a s t ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r so fm o d eia n dm o d e1 1c r a c k so fat w o d i m e n s i o n a ls t e e l s p e c i m e nw e r em e a s u r e d b o t hm e t h o d sw i t ho rw i t h o u tc o n s i d e r a t i o no ft h es e c o n dc o n s t a n t t e r mi nt h es e r i e sd e s c r i b i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na r o u n dac r a c k t i pw e r ee m p l o y e d m e t h o d 、i t hc o n s i d e r a t i o no ft 1 1 es e c o n dc o n s t a n tt e r ms h o w e dm o r es u f f i c i e n t a c c u r a c yt h a nt h a t w i t h o u tt h ec o n s i d e r a t i o na c c o r d i n gt oc o m p a r i s o nt ot h er e s u l t so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i n a d d i t i o n ，t h ec o m p a r i s o nt on u m e r i c a lc a l c u l a t i o nv a l i d a t e st h ea p p l i c a t i o no f t h e p r o p o s es l r e s s i n t e n s i t y f a c t o r sm e a s u r e m e n tm e t h o d k e y w o r d s ：p v d f f d m ，e l e c t r o s t a t i cv o l t m e t e ro f n o n - c o n t a c t t y p e ，c r a c kt i p ， s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , f e m i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：遮 日期：趁堕：墨! 兰； 坚! ! 塑! ! ! 塑垫! ! 望! 墅! 旦! ! 坚堡! 塑堕! ! ! ! ! ! ! ! 婴 1i n t r o d u c t i o n 1 1b a c k g r o u n d c r a c k se x i s t i n gi ns t r u c t u r a lm e m b e r s m a y a f f e c tt h es a f e t yo f t h es t r u c t u r ea n d m a y c a u s ea c a t a s t r o p h i cf a i l u r eo f t h es t r u c t u r e s t h e r e f o r e ，s t r e n g t ho ft h ec r a c k e dm e m b e ri s i m p o r t a n t m a t t e ro f c o n c e mw h e n m a i n t a i n i n gs t r u c t u r e s s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r s ( s i f s ) ，w h i c ha r ea p p r a i s a lp a r a m e t e r sb a s e do dl i n e a re l a s t i cf r a c t u r e m e c h a n i c s ( l f m ) ，a sw e l la st h es t r e s s d i s t r i b u t i o na r o u n dt h ec r a c kt i p ，h a v eo f t e nb e e n e m p l o y e df o rt h es t r e n g t he v a l u a t i o no fc r a c k si n d u c e di ns t r u c t u r e s n l e s o fc r a c k e d m e m b e r si su s u a l l yo b t a i n e db yn u m e r i c a la n a l y s i ss u c ha sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) o r b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ( b e m ) h o w e v e r , a n a l y t i c a l m e t h o d ss o m e f i m e sm e e tt h ef o l l o w i n g d i f f i c u l t i e s i no r d e rt oo b t a i nt h es i fa c c u r a t e l y ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o na tt h es u r r o u n d i n g b o u n d a r i e so ft h ec r a c k e dm e m b e rm u s tb eg i v e na c c u r a t e l y b u t ，i ti sn o ta ne a s yt a s kt o e s t i m a t et h es t r e s sd i s t r i b u t i o na tr e a ls t r u c t u r e sd u et ot h ec o m p l e x i t yo fl o a d sa p p l i e dt ot h e s t r u c t u r e ，t h ec o m p l e x i t yo f s t r u c t u r a lc o n f i g u r a t i o na n d t h ec o m p l e x i t yo f c r a c k s h a p e i f t h e r ei sas i m p l em e a s u r e m e mm e t h o dt h a ti sa b l et om e a s u r et h es i fo f ac r a c ke x i s t i n g i n ar e a ls t r u c t u r e u n d e r f i e l dc o n d i t i o n s ，i ts h o u l d b ev e r y u s e f u l f o r t h e j u d g m e n t s o f s t r u c t u r a l s a f e t y i no r d e rt o o b t a i nt h es i fb yt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s ，r a l t l a ns p e c t r o s c o p y m e t h o d s ，t h e r m o e l a s t i c s t r e s sm e t h o d s ，c a u s t i cm e t h o d s ，p h o t oe l a s t i cm e t h o d s ，a n ds t r a i n g a u g em e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e d a m o n gt h e m , r a m a ns p e c t r o s c o p ym e t h o d sa r es u i t a b l e f o rt h ei n v e s t i g a t i o no f m i c r o s c o p i cn a t u l ea tac r a c kt i p h o w e v e r , i ti sn o t v e r yc o n v e n i e n t t o m e a s u r et h es i fo fac r a c k c a u s t i cm e t h o d sa n d p h o t oe l a s t i cm e t h o d sn e e do p t i c a la p p a r a t u s a n d h i g h - s p e e dp h o t o g r a p h i cr e c o r d i n gs y s t e m t h e m f u r e t h e s em e t h o d s a r er a t h e rs u i t a b l et o t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t su s i n gt e s tc o u p o n s t h e r m o - e l a s t i cs t r e s sm e t h o d sa n ds t r a i ng a u g e m e t h o d sm a yb ea p p l i c a b l et ot h ef i e l dm e a s u r e m e mo fr e a ls t r u c t u r e s a tp r e s e m ，h o w e v e r , t h e r r n oe l a s t i cs t r e s sm e t h o d ss t i l lh a v es o m e p m b l e m sr e l a t e d t ot h e r m a l r e s o l u t i o n ， t e m p e r a t u r eo f a i ra n dw i n d i nt h es t 血r lg a u g em e t h o d st h ep r o c e d u r e so fs i fa n a l y s i sa n d e x p e r i m e n ta r es h o w no n l y f o ram o d eic r a c k o n eo ft h em o s ta t t r a c t i v eu s e so fp i e z o e l e c t r i cp o l y m e r si s a p p l i c a t i o na s as e n s o rf o r s t r a i n so rs t r a i n - r a t e si nm e c h a n i c a la n ds t r u c t u r a lc o m p o n e n t sb a s e do nt h e i re l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n ge f f e c t s ，w h i c ha l s oc o n s t i t u t e sam a j o rs u b j e c to f c u r r e n tr e s e a r c hm g a r d i n gs o c a l l e d s m a r tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s i ti sac o m m o n p r a c t i c e t oa t t a c ha p i e z o e l e c t r i cp o l y m e r f i l mo n t h es t r u c t u r es u r f a c ea n dd e t e c tt h es l r a i n - i n d u c e de l e c t r i c c h a r g eo rt h ec u r r e n tv i am e t a l e l e c t r o d e s n l ei n f o r m a t i o ng a i n e di su s e dt oe s t i m a t ec e r t a i nm e c h a n i c a la sw e l la sd y n a m i c s t a t e st om o n i t o rs t r u c t u r a li n t e g r i t y s t r e s sa n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o rm e a s u r e m e n to f s t r u c t u r a lm e m b e r su s i n gp v d ff i l m 1 2s t u d yc o n t e n t sa n dr e s e a r c hs t r a t e g y t h ep u r p o s eo ft h ep i e z o e l e c t r i cs e n s o ri st oj u d g et h es a f e t yo fac r a c k e dm e m b e ri na n e x i s t i n gs t r u c t u r ei n s t a n t l yu n d e rf i e l dc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r ，ap i e z o e l e c t r i cs e n s o rw i l lb e d e v e l o p e df o rt h em e a s u r e m e mo f s t r e s sa n ds i fo f t w o d i m e n s i o n a lc r a c k s p v d fi sam e l tp r o c e s s a b l ef l u o r o p l a s t i c i ti ss t i f f e ra n dr e s i s t sc o l df l o wb e t t e rt h a np t f e ， f e pa n dp f ah o w e v e r ，i t sc h e m i c a lr e s i s t a n c e ，a n t i s t i c kp r o p e r t i e s ，l u b f i c i t y ，e l e c t r i c a l p r o p e r t i e sa n du s e f u lt e m p e r a t u r er a n g ea r el o w e rt h a np t f e ，f e pa n dp f a p i p ea n df i t t i n g so f p v d fa r eo n eo ft h em o s te c o n o m i c a la n dc h e m i c a lr e s i s t a n t ，h i g ht e m p e r a t u r es o l i dp i p e s y s t e m sa v a i l a b l e n l ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t , d i s c o v e r e di n1 8 8 0b yj a c q u e sa n dp i e r r ec u r i ei nf r a n c e p r o v i d e s al i n kb e t w e e ne l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a le n e r g y ap i e z o e l e c l f i cm a t e r i a li so n et h a td e v e l o p s ap o t e n t i a ld i f f e r e n c ea c r o s si t st e r m i n a l sw h e ns u b j e c t e dt oam e c h a n i c a lf o r c e t h i se f f e c ti s k n o w na st h ed i r e c tp i e z o e l e c t r i ce f f e c t c o n v e r s e l y ，w h e nap i e z o e l e c t r i cm a t e r i a li ss u b j e c t e d t oa ne l e c t r i cf i e l d , i tu n d e r g o e ss o m em e c h a n i c a ld e f o r m a t i o n p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sc a nb e u s e di n s i t u a t i o n sw h e r et h e r en e e d st ob eac o n v e r s i o nb e t w e e ne l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a l e n e r g y f i g 1 1p i e z o e l e c t r i ce f f t 图1 i 压电效应示意图 p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a lp o s s e s s e sap r o p e r t yt h a tg e n e r a t e se l e c t r i cc h a r g eo ni t ss u r f a c eb ya n a p p l i e ds t r e s s u s i n gt h i sp r o p e r t yi ti sp o s s i b l et oc a r r yo u ts t r e s sm e a s u r e m e n t so ns t r u c t u r e s a s e n s i n gt e c h n i q u ef o rs u r f a c es t r a i nd i s t r i b u t i o n so f as t r u c t u r a lc o m p o n e n tu s i n gp i e z o e l e c t r i c p o l y m e rf i l m si sd e m o n s t r a t e d ap i e z o e l e c t r i cp o l y m e r ( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ，p v d f ) f i l mi s m o u n t e do nt h es t r u c t u r es u r f a c e ，a n dt h ee l e c t r i cp o t e n t i a li n d u c e db yt h es u r f a c ed e f o r m a t i o n c a nb em e a s u r e dw i t ht h ea i do fan o n - c o n t a c te l e c t r o s t a t i cv o l t m e t e r n l em e 姗e dp o t e n t i a l s a r ec o n v e r t e di n t os u r f a c es t r a i nc o m p o n e n t su s i n gat h e o r e t i c a lf o r m u l ad e r i v e do nt h eb a s i so f l i n e a rp i e z o e l e c t r i c i t y 2 ! 墅! ! ! ! ! ! ! ! 塑! ! 望! ! ! ! 旦! 生! 垡塑! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 婴 h ，ot y p e so fs t r e s sm e 姗e m e mm e t h o d sh a v eb e e nd e v e l o p e db yt h el l s eo f p i e z o e l e c t r i c e l e m e n t ss u c ha sp z ta n dp v d ff i l m o n eo f t h e s em e t h o d si st oa t t a c ht h ee l e c t r i ct e r m i n a lt ot h eu p p e ra n dl o w e rs u r f a c e so f t h e p i e z o e l e c t r i ce l e m e n t , a n dc o n n e c tt h et e r m i n a l st oa ni n t e g r a t i o nc i r c u i tb ye l e c 仃i c a lw i r ea s s h o w ni nf i g 12 ( a ) e l e c t r i cc u r r e n tr t l n si nt h ew i r ea c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h ee l e c t r i c c h a r g eg e n e r a t e do nt h es u r f a c eo ft h ee l e m e n t 1 1 1 eo u t p u tv o l t a g ef r o mt h ei n t e g r a t i o nc i r c u i t b e c o m e sp m p o n i o n a lt ot h ea p p l i e ds 姐i 1 1o ft h es t r u c t u r a lm e m b e r t h o u g ht h i sm e t h o di s u s e f u lf o rt h ep z t i ti sn o tu s e f u lf o rt h ep v d ff i l m ，s i n c et h ee l e c t r i cc u l t c n tg e n e r a t e df r o m t h ep v d ff i l mi sv e r ys m a l l n 硷o t h e rm e t h o di st om e a s u r ee l e c t r i cp o t e n t i a lo fp o l a r i z e ds u r f a c eo fap i e z o e l e c t r i c e l e m e n tb ya l le l e c t r o s t a t i cv o l t m e t e ro f n o n c o n t a c tt y p ea ss h o w ni nf i g 1 2 c o ) n l ep r o b eo f t h ev o l t m e t e ri sf i x e dc l o s e l yt ot h es t 硼a c eo ft h ep i e z o e l e c t r i cd e m e n t n l eg a pb e t w e e nt h e p r o b ea n dt h es u r f a c eo ft h ee l e m e n ti su s u a l l y1 e s st h a naf e wm i l l i m e t e r s i nt h i sm e t h o d t h e m e a s u r e de l e c t r i cp o t e n t i a li sp r o p o r t i o n a lt ot h ea p p l i e ds t r a i no f t h es t r u c t u r em e m b e r a st h e e l e c t r i cp o t e n t i a li sn o ti n f l u e n c e db yt h es i z eo ft h ep i e z o e l e c t r i ce l e m e n t , t h i sm e t h o dc a nb e a p p l i e dt ob o t hp z t a n dp v d ff i l m 自n 。i 。t ”d 。 r i - c i n c 8 二! 一、_ i 曼l ! 曼，一 s tr u c t u r eme m b er “e ar t he n d 似) 图1 2 两种常用应力测量方法 3 s t r e s sa n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o rm e a s u r e m e n to f s t r u c t u r a lm e m b e r su s i n gp v d f f i l m 1 3l i t e r a t u r er e v i e w i no r d e rt og a i nt h es t r e s sn e a rac r a c k 卸a n do b t a i nt h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ( s 球) ，ag r e a t d e a lo fa n a l y t i c a lm e t h o d s ，n u m e r i c a lm e t h o d sa n de x p e r i m e n t a lm e t h o d sw e r ed e v e l o p e d b a s e do nl i n e a re l a s t i cf r a c t u r e ( l e f ) m e c h a n i c s ，l i n e a re l a s t i c p l a s t i cf r a c t u r e ( l e p f ) m e c h a n i c s ，o r e v e nm o r e c o m p l i c a t e d m e c h a n i c s h o w e v e r ，t h e r ea r eg r e a td i f f i c u l t i e sf o ra n a l y t i c a lm e t h o d sa n d n u m e r i c a lm e t h o d s t og e t a c c u r a t es i f ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o na tt h es u r r o u n d i n gb o u n d a r i e so f t h ec r a c k e dm e m b e r m u s t b eg i v e np r e c i s e l y b u t ，i ti sn o ta ne a s yt a s kt oe s t i m a t et h es 仃e s sd i s t r i b u t i o na tr e a ls t r u c t u r e s d u et ot h ec o m p l e x i t yo fl o a d i n gc o n d i t i o n st ot h es t r u c t u r e ，t h e c o m p l i c a t e d s t r u c t u r e g e o m e t r i c a ls h a p ea n d t h ec o m p l e x i t yo fc r a c ks h a p e a st oe x p e r i m e n tm e a s u r e m e n t ，m a n y e f f i c i e n tm e t h o d s ，i n c l u d i n gs t r a i ng a u g em e t h o d s ，r a m a ns p e c t r o s c o p y ，t h e r m o e l a s t i cs t r e s s m e t h o d s ，c a u s t i cm e t h o d sp h o t o e l a s t i cm e t h o d s ，a n du l t r a s o n i cm e t h o d s ，a r ee m p l o y e dt o e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t r a i ng a u g e s ，i n c l u d i n gi n t e l l i g e n tm a t e r i a ls e n s o r ss u c ha ss e n s o r sm a d ef r o mp v d f ，p z t ， a r ew i d e l ya p p l i e dt os t r e s sm e a s u r e m e n ti ne n g i n e e r i n gf i e l d a n ds u a i ng a u g e sm a yb e a p p l i c a b l et o r e a lf i e l dm e a s u r e m e n t ，b u tt h el i m i t a t i o no ft h i sm e t h o di st h a ti tc a no n l y m e a s u r et h em o d eic r a c ka n dm u s tu s e a m p l i f i e r t oe n l a r g et h ed e f o r m a t i o no f s t r u c t u r e sd u et o t h et o os m a l ls t r a i no f s t r u c t u r e i nt h e 1 9 6 0 s ，c a p a c i t i v e s t r a i ns e n s o r sw e r e d e v e l o p e d t om e a s u r es t r a i n sa t h i g h t e m p e r a t u r e s w i t hg o o dl o n g - t e r ms t a b i l i t y ，s i n c ei tw a sn o tp o s s i b l ew i t hb o n d e ds t r a i n g a u g e s t h em a i na p p l i c a t i o n so fc a p a c i t i v es t r a i ns e n s o rw e r ei nt h ea e