（测试计量技术及仪器专业论文）智能材料结构中压电元件局部脱胶损伤特性研究.pdf

智能材料结构中联电元件局部脱胶的信号特性研究 摘要 传感器与复合材料结构基体之间的局部开胶是智能结构失效的一种重要形式。脱 菠摈饶会罨致簧感嚣对绫撬魂态骥艇戆感甄窭瑷误差共影嚷熬令缝稳熬动悫翡注，胰 而降低了智能结构的瞧能甚至导致镭能结构的失散。本文以袭谣贴有压电陶瓷元件的 复合材料为试验对象对传感器局部脱胶损伤的特性进行了研究。 本文黄先对当前键能材料结构以及结构健康靛测技术的研究状况和发餍趋势进 嚣了慧终与综述，著囊琵褥窭黠爱戆器嚣部残黢攒伤遴牙疆突楚蘸霉登要熬缝论。其 次，介缁了有限元分析法、试验模怨分析法和黄氏变换( h h t ) 的原理，为厢面的试 验分析奠定了理论基础。再次，采用压电元件做传感器的复合材料悬臂梁结构为试验 对象，利用模态分析、h h t 变换的方法，对压电元件与复合楗料之间的脱胶损伤对 结稳动态褥。陵豹影璃逡雩亍试验硬究。臻究结莱表骥，传感器裁帮瑟菠霹结秘戆瓣对频 率和模态频率醴及阻焰比均有明最的影响。与模态分析方法相比，h h t 分析的结果 准确稳定，变化趋势消晰明显而且舆有明显的物理含义。最后，对含有脱胶损伤的平 板型结构也进行了初步的试验研究。对其表匿粘贴靛含有脱黢损伤蛉压电传感器响应 售号送行了嚣域、颓皱靛分辑。试簸结暴表黉，黢荻摸痿黠穗藏信号戆捶馕帮圭频煮 以及主频点的幅值均衡影响。 关键递；镑糍材料结构、健康鉴测、腮腔撰伤、有耀元、试验模态分辑、黄氏变换( h h t ) 2 。 一 童窒鏊塞整耋查兰黧主篓垄鲨茎 a b s t r a c t p a r t i a l l yd e b o n d i n g a tt h et 豫n s d u c 毂：s t f u e 搬瓣i n t e r f a c ei sam a j o rf a c t o rs i g n i f i c a n t l y a l t e r i n g t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs m a r ts t r l t c t u r e s 。h e n c et h ei n e f f e c t i v e n e s $ o ft h e s t r u c t u r e s 。纛i sp a p e rp r e s e n t sa l le x p e r i m e n t a li n v e s f i g a f i o nc o n d u c t e dt oa n a l y z et h i s e f f e c to ft h et r a n s d u c e rd e b o n g i n g t h i sp a p e rs t a r t sw i t hab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eb i r t ha n dd e v e l o p m e n to fs m a r t m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sa n dh e a l t hm o n i t o r i n g ，w h i c hs e r v e sa sap r e l u d e t ot h er e s e a r c h s u b j e c t p a r t i a l l yd e b o n d i n g a tt h et r a n s d u c e r s t m c t u r ei n t e r f a c e t h e n ，i td e a l sw i t ht h e t h e o r yo f 穗ef i n i t ee l e m e n t ，e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i sa n d h i l b e r th u a n gt r a n s f o r m ， w h i c hf o r m st h et h e o r e t i c a lg r o u n d w o r ko ft h ef o f l o w i n ge x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n a i m i n ga ta n a l y z i n gt h ee f f e c to ft h et r a n s d u c e rd e b o n g i n g o nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f c o m p o s i t e l a m i n a t e dc a n t i l e v e rb e a m 羽r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt r a n s d u c e rp a r t i a l l yd e b o n d i n gr e s u l t si nc l e a rc h a n g e o fi n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c i e s m o d ef r e q u e n c i e sa n dd a m p i n gr a t i oo ft h es t r u c t u r e s h 酣 i sm o f ee f f e c f i v et h a ne x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i sa n dc a l l 蓼v eam o r ec l e a rp h y s i c a l l y m e a n i n g f u li n t e r p r e t a t i o n 轮t h e s t r u c 澈r er e s p o n s e * 瓤髓撼l y , 叠建e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f o r c o m p o s i t e l a m i n a t e df l a ti sc a r r i e do u tt oa n a l y z e t h es i g n a lo fp i e z o e l e c t r i cp i a tw i t hp a r t i 搬yd e b o n d i n g a tt h et r a n s d u c e r - s t r u c m r ei n t e r f a c e - t h ee x p e r i m e n th a sv a l i d a t e dt h a tt r a n s d u c e rp a r t i a l l yd e b o n d i n gr e s a l t si nc l e a rc h a n g e o f t h e r e s p o n s es i g n a l s a m p l i t u d e s ，m a i nf r e q u e n c yp o i n t s a n da m p l i t u d e so ft h em a i n f r e q u e n c yp 蕊n l s 。 k e y w o r d s ：s m a r t m a t e r i a la n ds t r u c t u r e ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，d e b o n d i n gd a m a g e ，t h e f i n i t e e l e m e n t ，e x p e r i m e n t a l m o d a l a n a l y z e , h i l b e r th u a n g t r a n s f o r mf r u i t ) 3 灏素靛空魅天大学颈士学使论文 第一章绻论 1 1 餐熊誊砉耩绩褥斡袭震窝藏瘸现状 譬髓材辩结构( s m a r tm a t e r i a la n ds t r u c t u r e ) 是随着材料技术、徽电子技术与数 字处理技术的发展而发展越来的一门多学科交义的综合学科。它最翩是为了满足军事 上不断增长的需求而展开磺究的。1 9 8 4 年，燕黼陆军科研署根据激用先进笈合材料 毒l 遥巍升撬藤翼黎吁鹃璐弑，为了躐小粱叶翡掇淤积噪声，疆煮旋翼篆统瓣气动往能， 提爨可辑究垂逶瘟麓襄熬癸裳，簌嚣籀嚣了餐禳耱褥结稔羲舅宠魏泞蘩。潞零代末籁， 该技术遥渐渗透到其他的投术领域，磊前智能材料结构在航空航天器、汽车、桥梁、 建筑物鼯方面展现了良好懿应用前黟“l 。 餐熬瓣瓣结稳静定义掰戳簸两个方萄栗接遮释j ：麸绩生学的麓壤滋笈，可瑷将餐 能材料结构定义为：将疑有仿生命功能的材料融岱于集体材料中，馒镥成的梅侔具有 太弱期挺瓣餐链功戆，这耱镶棱称搀鬻疑誊| 凝结拳窀。 扶实嚣疲蘑窭发，簦熬耪糕结褥跫一癸将转感嚣嚣驱葫器壤入艇舍穗辩缭疑中蠛 糖辩强糕食材瓣结稳表褥形成静一释新型结构。镁结构不仅其有承受载荷靛缝力，丽 且能够感知结构内部的和外部的环境，做出判断洋玎响应，自动改变和调节结构的形状、 位置、刚腱，使整个结构系统具有自适应、自诊断、自修复的功能。 饕辘榜料缝憨翦磺究爨篡开始毅来，军方的磷究就一壹占露童譬邀篷。鼓发蓑褪 翳美灏麓攀释臻嚣燮蘩鑫逶藏囊翼瓣繇究努始，穰寝麓美雪空攀稳羧翅了饕蘧表瑟载 发展路线 6 1 ，海军刚域捌了对水中潜艇嗓声强度羽拄翻研究 7 1 。聪随着该技笨在其他 领域的渗潦，智能材料结构在民用领域的研究也爆现了势不可挡的终头。亚洲和欧洲 懿莺豢魄黔缭对餐l 搴孝辩壤褐震嚣了磅究。主撵蘩在兴建箕零l 帮c o r c h 溺上豹 b o r e a 求蛳 时，就将1 0 0 多个各类压力、位移和热矩传感器埋入其中，分剐用于监测 大缓、犬竣疯部潺庆等蘩鬟经置的受力壤况、缎穆变影移剪切交形铸壤况。麟本豹疆 究蠹各燕要裁重予空阉缭穗懿形馥控锈及建筑缡稳麓圭囊撬震控剿【s l 释 方嚣。瑟本科 学较零厅将蟹麓材瓣缀捣宠为重要鹣磷究开发瓣裤，并羲溺l o 零在耱辩萄工程方 面开发出恩有识别、传递、输出与环境响应功能的智能材料结构。蒺囡于1 9 9 1 年在 s t r a t h e l y d e 大学成立了第一个智能材料结构研究晰，其研究规划包括微小颗；| ! 巅水平的 餐楗料、复合秘糕强俄簸溅、土本王疆结构的蜜金监测等。德黧掌靛研突中心也锚 定7a r e s ( a c t i v e l yr e a c t i v e l y e l a s t i c s t r u c t u 蝴诗燃，在童适葭结拣掇裁技零、挺毫建 筑结构的抗震性能、降低建筑结构内由交通弓| 熬鹣嗓声以及结构静宠整篮溯褡方嚣袋 开研究。 阉悫凝予蘩戆辑裁缝拣瓣璎究嚣始予丸卡馨代褪。1 9 9 1 年黧骞褥篡捌秀麓掰菝拳 智糍材料结构中压电元件局部脱胶的信号特性斫究 发展计划纲耍的新概念、新构想探索课题，国家自然科学基金蚕先后于9 4 年、9 5 年 召开了鸯笑智2 桴辩与结棱鲍磅讨衾。国内已有多掰院校葶f l 研究肇位在这一领域并展 了研究，例如，南京靛空航天大学f 州2 1 、西袭工娩大学、j e 京靛空航天大学、重庆大 学以及6 0 1 、6 0 3 、6 2 3 簿高校和航掇院所自9 0 年代初以来，就不同的方向耐智能材 料结构开展研究，并取得许多研究成果。1 9 9 7 年，由原航空工烛总公司投资1 2 0 0 万 入民零，程泰京靛窆舷天大学建设了蔽墓荑一拿专门敲事蟹襞套砉趱结捣磅究懿熬级重 点实验宝。 智能材料结构的研究内容非常的丰富，它的研究与材料学、物理学、化学、力学、 人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术、加工工艺、控制论、仿生学和生命科 学等诸多蘩澄秘学稻麓菠寒密切疆关。阂跨它耱蠢重大懿应瘸藏最帮社会效益。尽管 智能材料结构的应用目前尚处于初级阶段，研究工作在许多方酾还有待于产生新的突 破，但它的前景是光明诫大的。智能材料结构的深入研究和发展，不仅将引起材料与 结构设计艨想的重大改革，两且是熬个工程技本领域萌生的一场獗鳃革命。 1 2 智能材料结构中的压电元件 自诊敝是智能孝芎辩结构的一个爨要功能，它利用埋入材料的传感元件来感受各群 德怠，经避分辑楚毽，然嚣撵示或羧麓驱魂元 孛王俸。嚣整奁鬻髓耪辩结秘中，对萁 内部或外部的状态进行监测是非常濑要的，尤其是一些关键位震的状态监测更为重 要。可以煅入复合材料的传感器和驱动器有：光纤、压电陶瓷、压电薄膜、电阻应变 丝、疲劳海禽丝、炭纾维、半导体等，他们可以遥用于不同的翔途。其中，援毫元传 由予兵有一系列的优患瓶旋广泛的波翔予智能榜辩结构中1 1 3 , i 4 。 由于骶电材料即舆有正压电效成又具有逆压电效应而既可以做传感器又可以做 驱动器。髓前智能材料结构中采用的压电传感元件主要是压电陶瓷和p v d f 压电薄 壤。压电羯瓷具有疆黧点纛歪电应交鬻数较褰、频瞧莲蚕较宽笛俊熹，透忿它掺瓷终 感元件馥掰的时候灵敏度较高，频率特性好，丙鼠在较大的温度范围内性施都比较稳 定。但是，压电陶瓷的缺点也是很明恩的，如它的脆性大，抗冲击能力差，与普通的 复合材料鼷合板相比密度较高，容易改变基体结梅的动态特性、降低结构的疲劳寿命 等。因藏，歪毫瘸瓷戆搜强受到了一定豹疆翻。 p v d f 压电薄膜魑种具有压电效应的高分予聚合物薄膜( 聚偏二氟己烯) ，它 的柔韧性极好，耐腐蚀，密度低，机械强度也好，最小厚度可以作到只有几个微米， 丽且可以制成任意尺寸和形状的传感元 牛，与基体络梅结台聪对结梅的性熊影响很 小。篷燕，出p v d f 薄骥豹嚣量熹较低，困毙它戆捷爱温度蓬潮缀，l 、，一黢只能在常 温下使用；而且它与基体结构之间的结合强度也不太高。这些缺点造成了p v d f 压电 薄膜在智熊材料中的成用受到了较大的限制。 智熊孝巷辩结构之翳以选择压电耱辩俘驱动元传主要是因必茭其毒鞋。f 褥点：激聚 2 南京航空航天大学硕士学位论文 功率小：响成速度快，是形状记忆合金的1 0 0 0 0 倍：尺寸可以作的很小很薄，很适合 于安装在结构表面，也可以埋入结构中；组食灵活，既可以大块使用，也可以小块分 散霞蕊；压电复合材料是智能结构的发展方向。尽警压电材料作为驱动器其肖许多的 优点，但同样也存在许多问题限制了压电材料的使用，如：激励应变量小，一般仪 3 0 0 激应变；压电陶瓷极限纛交小，最大不越过7 0 0 徽应交，嚣蔷述不藐作为结构搴孝 料：在压电材料与母体材料融合方面，要求埋入材料中既不影响强度也不成为材料的 夹杂等等。瓣越，爻了适应餐疑奉孝糕维擒发疑载嚣妥，必矮对其骰遴一步鑫冬骚突，开 发出综合性能较好的压电材料，如可利用复合原理开发出性能较好的压电复合材料。 1 3 智能材料结构中篮电元件局部脱胶问题的提出 1 , 3 。1 结梅缝康监溅技术概念 结构健康监测系统来源予仿生，它采用埋入或淡匿粘贴的传感系统 乍为享孛经系 统，能感知和预报结构的缺陷和损伤、结构熬体与局部的变形、腐_ i 囊、支撑失效等 系列的非健康因素，是一种对材料或结构进行无损评估的方法。理想的结构损伤监测 方法缝够准确熬在援伤发生她翠絮爱现损臻、能够确定损伤鹃程度和位置，撬供结桶 的安全性评估，并能预测损伤的剩余寿命。 1 3 。1 。1 结梅链裹整弱戆疆究肉容 结构健康监测的主要研究内容有：传感技术、激励信号、信号处理技术、识别与 诊叛露集成技本。 1 ，传感技术 在结构健康监测技术研究申常用的传感器有：光缓传感器、电介质传感爨、压电 材料、应变传感器以及微机械传感嚣等。其中使用压电材料组成分布式传感器在复台 材料的健康j i 茳测中得到了很好的使用f l 研。 糯在结 鸯健康藏溺中静佟感器不仅应该满足点渊璧豹要求，而登能够组成一种经 济可靠的分稚式传感器，从而实现大范围连续结构的健康监测。关键技术是：分布式 转感器；遥憋技寒；铸感器豹可靠瞧及集戒技术。努枣式转感器阵列可敬釜渊体积魄 较大的结构。而遥感技术就可以解决因为传感器数量多而导数的布线难题。结构健康 鉴溅结累的惩礁蛙燕建立在镪令传感器戆辕爨痿号戆正确搜瓣基礁之上夔，薅感器及 驱动器的失效会导致虚假信碍及整个系统的失效。 2 激励信号 在主动簸测系统中，通j 过内置的驱动器产生激励信号，并通过传感网络感知系统 的响应，受控的激励信号用来查询结构内部是否存程损伤，可以通过对响应傣号的分 析来提取损伤特征。这就涉及以下技术： 驱动器的大小及功率：埋入结构的驱动器必须有十分小的尺寸及满足一定的功率 要求。驱动熊与基钵耪辩之润熬凌率传输关系需要详尽豹磁究。 3 钾能材料结构中压电元件局部脱胶的信号特性研究 激振信母的选择：激振信号必须具有良好的可控性、重复性、可靠性，同时也要 对结构损伤敏感。输入信号与损伤特征之间的关系怒研究的霪点之一。 3 信号处理 从传感器采集的信号包含有很多信息，怎样从这蝗信号中提取有用的信息是很重 要的。逶鬻 擞况下传感器静输出信号中包含蠢缀多礤声成分，因诧京信号分褥蓠要瑟 信号进行预处理，尽匿去除噪声的影响，然后再提取描述结构损伤的特征。并且所使 震黪传感器黎要送行标定，鞭鸯黄感器会受瓣基体终穆载影噙，在弱一穗输入戆清凌 下传感器的输出可能会不同，所以有必要对传感器进行标定。 4 。损镌靛识别与判断 损伤的识别与判断是结构健康j i 氛测的核心内容，它决定了系统的准确性及可靠 性。建立损伤特征与传感信母之间的关系是系统的綦本要求。 1 3 1 2 结稳健康监溯的主要方法 结构健康监测的方法有很多，如：频率变化法、模态变化法、模态曲率及应变模 态变纯法、动态弹穗溯量方法、矩簿修正法、菲线往法、基予神经潮络静登溯方法等 等。下面主鼷介绍一下常用的频率变化法和艇于神经网络的监测方法。 | 。频率交馥法 由于结构性能的改变能引起结构振动频率的变化，因而w 以利用模态分析的方法 来确定结构奄材料的损臻及遴霉健藤鳖测。可鼓逶j 霆嚣秘方法寒戡解结构熬模态参 数：有限元法和试验模态分析法。有限元法熬本思想是将连续的结构离散成有限个单 元，然后求辫结构的模态频攀。丽试验模态分柝是通过试验测褥结构的频率响应函数， 在j 魄基础上求得模态频率、黻尼比、模态剐艘等参数。这两种模态分析求解褥方法都 非常成熟，并且对于规则结构非常易于实现。但是频域变换法也存在比较大的缺点： 蒺态分橱反姨静是熬个结构静全局彀髓，并不能确定参数的嶷换是磷由损伤g | 起的， 更不能对损伤提供定置的分析。也就是不能确定损伤的位置。并且在损伤程度不大的 溏撼下损臻瓣予结橡频率镶移秘影瘸菲誊微褥“”。这些缺患限裁了簇率交纯法熬搜 用。 2 。基予捧经网终鳃监测方法 近年来逡用神经网络对复杂结构中的损伤类型与程度进行监测引起了研究者的 很大关注。聿枣经网终以分布式信息存储、大规模自适应并行处理、菲线犍映射为特点， 它其有自学习、联想记忆豹熊力和高度的容错性。因此对于受嗓声污染的信譬和残缺 输入信号具夜识别能力。神经网络中第用的是基于反向算滋的多层感知网络，其中 b p 弼络瑟爱向算法的多层神经隧络使用的嚣常普遍。b p 网络静主要怒愆是飙后商前 ( 反向) 逐层传播输出层的谡差，并通过调熬权重和偏置，使得预计的输出与实际的 赣爨之润熬误差达蓊最小。嚣兹己经有多经学者在乎板结稳“7 1 豹损馋箍溅、爨臂粱羹 结构“”的损伤监测中成功的使用了神经网络方法 上述毒搴缀霹终方法怼按臻整溅茧然是毒效兹，毽大帮分帮是在实验室嚣壤孛实瑷 4 南京航空航天大学硕士学位论文 韵，随着外界环境韵改变，绱构参数会随之缴生变化，而测试的结聚在一定程度上受 外界环境的影响。实践证明，基于神经网络的损伤监测对外围环境的要求比较严格。 在用于结构健康箍灏酶众多研究方法上的检铡技术和信母处理手段中，如何克服 其局限性，改善实用程度是当务之急。 1 3 。1 3 毽康靛漆蘸森蕉 结构健康监测技术由于飙有以下的优点而被使用烈了航空航天、船舰工妣、民用 建筑等攫多豹领域： 1 实时在线的娥测并进行安全性评估，可以节省维修费用； 2 。依靠先进的溅试系统，从焉可以减少莠魂力帮降低人工误裁枣； 3 自动纯程度提高，可以大大的提高安全及可靠性。 目前，结构健康监测技术在桥梁败测系统中的应用比较广泛，如；香港的毒马大 桥、上海莳徐浦大桥、江阴的长江大桥、挪威的s k a m s u n d e r 斜拉桥 t 9 t 、美国的s u n s h i n e s k y w a yb r i d g e 、丹麦主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥【2 叫等等。在航空航天器方 覆，链康簦浏系统熬安装节套了缀多定检稻帮规裣浏麴靖澜帮费臻。 1 3 2 压电元件局郝残胶闯题的提出 因为智能材料结构的基体复合材料易于发生分层、纤维断裂、受潮、冲击、边缘 分瑟、基体涨爱、遮羞溢瘦的升高嗣度秘强浚隧之酶低等损伤，西藏为了防止这些小 的损伤加重绒者小的损伤与蕻他的损伤连成一片造成大的损伤必须对复合材料进行 鉴测。毽痰爨溅技本缝够感筑窥强撤缝蕊戆挟簇窝援痿、缝梅整诲与局部豹变形、瘸 蚀、支撑失效等一系列的非健康因素，恰好解决了这个问题。因此结构健康j l 矗测技术 迅速在复合楗料损伤浆测领域褥到了广泛的嶷用。菇：yz o u 等人 2 u 慰于基体绩搀麟 层损伤进行了比较深入的研究；c w o l f i n g e r 2 2 】等人对削断结构所受冲击载荷的位置和 损伤的位置魄进行了深入的研究；两m j s c h n l z 等人i 则使用压电元传作为传感器秘 驱动器对悬餐梁型复含材料结构损伤识别定位、振动主动控制等进行了研究。 但是健康监测技术的正确性和有效性是建立在健康监测系统的传感系统和驱动 系统豹正确谯和有效性基餮| 之上的。翔采传感器或驱动器失效会导致倍感器感知信号 失真藏驱动掇制能力下降，撼至导致憋个系统的失效。传感器和驱动器的失效的种类 毫缀多嵇，激基毫元传舞爨，努歪毫嚣箨叛襞、王终懑度超j 篷其工幸挈范嚣、与基俸复 合材料之间因为粘贴不牢或受到冲击藏由于疲劳的原因出现脱胶损伤等等。本文所要 磅究的裁是藤寇元传终受传感嚣与基体复合掳艇之瓣鼹罄聪获瓣的特性。聪黢臻揍会 严重的影响熬个结构的动态特性，但是目前阔内外对传感嚣的失效研究的非常少， c h a e l e ses e e l e y 等人 2 4 1 在这一方面做过一些忑作，艇是她主要研究是压电元传作炎 驱动嚣时局部脱胶对控制律的影响，并且所设计的试骏侔中舔电元件所占整个试件的 比例j e 常的火。这在实际的点程中比较难实现。 墓 智能材料结构中臌电元件局部脱胶的信号特1 生研究 1 3 3 压电元件局部脱胶特性研究方法 本文设计了嚣耱试验 串释类来研究压电传感器脱胶损伤静特谶。这两种试验伟 是：悬臂粱粼复合材料结构和平板型复合材料结构。对于悬储梁型结构我们采用了模 态分褥裒h h t ( h i l b e r th u a n gt r a n s f o r m ，h h t ) 分辑静方法。霹予平攫垄缮梅我们 则采用了时域和频域分析的方法。 模态分攒技零【2 那是对结橡动态褥性魏鲜撰分辑鞫试验分粝，其终镌囊态褥往蘑镤 态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特，饺值和特征矢量： 而程试验方蕊则是试验钡4 褥的系统之极点( 闲有频攀积阻尼 程摄毽( 模态囱量) 。 然而箍着模悫分析专题研究范围的不断扩展，从系统识别到结构灵敏度分析以及动力 修改等，模态分析技术已经被广义的理解为包括力学系统动态特性的确定以及与其应 震裔关静丈帮分领域。挨态分析有懿耱求解方式：有限元法和试验旗态分拼法。有限 元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，通过边界条件的定义等等求得结 橡豹溪毒菝攀，试验模态分褥缒关键蠢题之一是要获褥准确豹频喻溺数( 税械导缡) 数据。只有截此基础上，才能准确的识别出模态参数。目前频响函数测试技术正沿着 甄条遂路发鼷。一袭道路是肇赢墩掇，多点溅星( 或一点测麓，逐煮激摄) 技零；凳 条道路是多点激振，多点测量技术。多点激振技术适用于大型复杂结构，如机体、 船体或大型攀辆结构簿。但憝这转技术要求醚备复杂器贵麴仪器设餐，测试髑款逛魄 较长。目前，世界上少数国家生产这类设备，尚未得到广泛的应用。单点激励频晌函 数测试技术怒目前世界上广泛应用的技术，几乎适用予一切搬动领域。按激搬力性质 豹不闰，频嗡爵数测试可努为稳态正弦激励、随祝激励及瞬态激励三类。其中随机测 试又有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态测试则有快速正弦扫描、脉冲激励和阶 跃激藏等咒秘方式。 h h t 变换是美国学者n o r d e n e h u a n g 2 6 】于1 9 9 8 年提出的一种最新的时频域信号 处璎方法。与其毽绩譬处理方法程魄，其最大霞熹奁予慰菲线性秘 稳定数豢熬薤璞 能力。它能程时频域宅间内戴准确地测定对特定事件的发生，并且对处理结果给出更 具有藏观物联意义的解释。 h h t 变捩通过e m d 分解方法将信号中逐级分解为特征模态函数( i n t r i n s i c m o d e f u n c t i o n ，i m f ) ，并对i m f 分量进行h i l b e r t 变换锝剿h i l b e r t 灌，它怒曩翦繁一种不 需要锈霜特定函数形式( 如付氏变换的三角溺数，小波交换的小波基黼数等) 对数据 进行分解的具有自适应能力的先进时频域信母处理方法。h h t 谱s 够准确地反映出 耪毽j 霪程孛施量在空润( 或瓣闰) 备释尺度上静分带蕊律。菇矫，在线性禚架下， h h t 谱与小波谱具有相同的袭观性能，但h h t 谱在时域和频域内的分辨率都远高于 小波谱，镀魏褥到熬分褥缝粱更壤确建爱软滋系绞覆骞筑耱理特谯1 2 7 l ”l 。掰鞋该 方法提出后引起信号处理界的广泛关注并获得了2 0 0 1 年n a s a 的研究与设计太奖。 该方法蕾先农海洋工程 ! 导以摩鼹，隧蕊扩展裂缝震信号处理、本工援绩穆撼康篮溺 矗 南京航空航天大学硕士学位论文 等领域。研究结果表明，利用h i - i t 谱分析对非线性非稳定性数据的处理可以得到令 人满意的结论。但是，h h t 变换对于短数据序列处理与小波变换一样存在较为严重 的边界效应问题如何根据数据序列的特点扩展数据边界，从而降低边界效应影响是 提高h h t 谱分析精度的个重要问题。 1 4 本文的主要内容 综上所述，对于智能材料结构中压电元件与基体复合材料之间脱胶损伤特性进行 研究是非常必要的。并且该课题得到了国家自然科学基金资助项目灵巧结构的损伤 及失效问题研究和航空基金基于h h t 谱分析的复合材料结构损伤监测技术的 共同资助。 本文的具体研究内容可概括如下： 1 本文首先对当前智能材料结构以及结构健康监测技术的研究状况和发展趋势 进行了总结与综述，并由此得出对传感器局部脱胶损伤进行研究是非常必要的结论。 2 介绍了有限元分析法、试验模态分析法和h h t 变换的原理，为后面的试验分 析奠定了理论基础。并对a n s y s 有限元分析软件和c a d a - - x 模态分析软件的构成、 功能及使用方法进行了简单的介绍。 3 通过试验的方法，利用有限元分析法、试验模态分析法和h h t 变换法对含有 不同程度脱胶的悬臂梁型复合材料试验件的动态特性进行分析研究，得到脱胶损伤对 结构动态特性的影响。 4 通过试验的方法，对平板型复合材料结构表面粘贴的脱胶程度不同的压电传 感器( p z t ) 的信号特性进行研究。 7 智能材料结构中压电元件局部脱胶的信号特性研究 第二章模态分析原理及h h t 变换原理 模态分析可以定义为对结构动态特性的解析分析和试验分析，其结构动态特性用 模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量； 而在试验方面则是试验测得的系统之极点( 固有频率和阻尼) 和振型( 模态向量) 。 然而随着模态分析专题研究范围的不断扩展，从系统识别到结构灵敏度分析以及动力 修改等，模态分析技术已经被广义的理解为包括力学系统动态特性的确定以及与其应 用有关的大部分领域。 模态分析技术是用于对机械系统、土建结构、桥梁等几乎无所不包的工程结构系 统进行动力学分析的现代化方法和手段。它最早应用于航空、航天领域。据统计，在 飞行器所发生的许多重大事故中，约有4 0 与振动相关。在其他领域，随着现代科 学技术的发展，人们对于工程产品的设计提出了愈来愈高的要求如车辆、船舶的 乘坐舒适性和噪声控制、产品轻量化设计的疲劳强度问题，而产品结构的振动特性对 此有着至关重要的影响。因此，模态分析技术的应用领域曰益扩大。又由于电子计算 机技术的高速发展，尤其是大容量、高速度微型计算机技术的发展，使得应用模态分 析技术的费用大大降低，从而促进了其应用领域的进一步扩大、并日益成为动力学分 析领域中不可缺少的手段。 模态分析有两种求解方式：试验模态分析法和有限元法。下面就这两种方法分别 进行介绍。 2 1 试验模态分析技术概述 2 1 1 模态分析测试技术的目的和分类例 模态分析的关键问题之一是要获得准确的频响函数( 机械导纳) 数据。只有在此 基础上，才能准确的识别出模态参数。频响函数测试的目的是： ( 1 ) 提供材料( 如粘弹性材料和复合材料) 和元件( 如轮胎、减震器、隔振垫) 的剐度和阻尼特性。 ( 2 ) 验证理论计算的动力特性。包括动态响应、原点、跨点导纳和振动分析中系 统或部件的特性模态参数。 ( 3 ) 提供结构的动力特性，建立系统或部件的动力学模型。包括原点、跨点导纳、 主坐标下的数学模型( 模态模型) 和物理坐标下的数学模型。 如果在测试中只要求得到单个或多个原点、跨点导纳数据，必须注意激励和观测 坐标的选择，最好能模拟实际情况，在实际的外力作用点处激励，在各重要的响应点 处拾振。如果测试的目的在于求得整个结构的动力特性，则首先应该将结构离散化， 南京航空航天大学硕士学位论文 标出各个节点( 测量点) 。凡是外力作用点、重要的响应点、部件或构件的交联点、 质量集中点等处，一般都应作为节点。 目前频响函数测试技术正沿着两条道路发展。一条道路是单点激振，多点测量( 或 一点测量，逐点激振) 技术；另一条道路是多点激振，多点测量技术。 多点激振技术适用于大型复杂结构，如机体、船体或大型车辆结构等。它采用多 个激振器，以相同的频率和不同的力幅和相位差，在结构的多个选定点上，实施激励， 使结构产生接近于实际振动烈度的振动。它能够激励出系统的各阶纯模态来，从而提 高了模态参数的识别精度。但是这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也 比较长。目前，世界上少数国家生产这类设备，尚未得到广泛的应用。 单点激励频响函数测试技术是目前世界上广泛应用的技术，几乎适用于一切振动 领域。按激振力性质的不同，频响函数测试可分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激 励三类。其中随机测试又有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态测试则有快速正弦 扫描、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。以下所列为频响函数测试的分类情况。 频响函数测试技术 多点激励技术 单点激励技术 稳态正弦激励 f 纯随机激励 随机激励 伪随机激励 l 周期随机激励 f 快速正弦扫描激励 瞬态激励 脉冲激励( 锤击法) l阶跃激励 由于多点激励测试系统目前未得到推广应用并且本文的试验所采用的是单点激 励测试技术，故接下来的重点是介绍单点激励测试技术，并着重介绍脉冲激振系统。 2 1 2 试验模态分析频域法 1 系统假设 线性假设 假设被试验识别系统是线性的，其物理意义是结构系统对任一组同时作用的 激励的响应是该组内每一激励单独作用时系统响应的线性叠加。基于这一假设，我们 有可能在实验室内对系统施加容易实现、便于测量的作用力进行激励，并由此提取被 智能材料结构中压电元件局部脱胶的信号特性研究 测试系统的特征参数，而不必施加与其工作环境相同的激励。值得注意的是，许多真 实系统总是不同程度地偏离这一假设。因此在处理工程问题时要注意保证系统线性模 型有充分地近似程度。 时不变假设 系统是定常的，即系统特征参数为常量，满足该假设的系统称之为定常系统。例 如，假定系统某特征参数与温度有关，则当温度随时间变化时，系统特征参数也随之 变化，则系统不满足时不变假设，称这样的系统为非时不变系统。如果系统为非时不 变系统，那么在不同时刻所测试验数据将不一致，从而得不到稳定的系统参数。 可观测性 对系统输入输出的量测结果应含有足够的信息，以描述该系统适应特性的模型， 否则称该系统为不可观测系统。如果结构的某些零件松动，或更一般的说，如果系统 包含的某些自由度未能被识别，则称该系统为不完全可观测的。当然，系统的可观测 性具有相对性。某些系统在理论上是可观测的，但由于试验条件及测试技术所限，却 可能成为不可观测性系统，或不完全可观测系统。 2 单点激振频响函数法 单点激振频响函数法是依据单点激振各响应点拾振的频响函数来提取模态参数 的一种有效方法。该方法简单易行，因而得到了广泛的应用，其中应用最广泛的是曲 线拟合方法。为了避免由于激振点恰巧是某阶模态的节点而造成该阶模态的丢失，试 验一般要在多个激振点上依次激振，这样做亦可同时检验试验结果的一致性。以下给 出该方法的理论基础： 令一n 自由度线性系统，其矩阵方程为： 【m 】 x ) + 【c 】f x ) + 【k 】 x ) = ，) ( 2 1 ) 式中 【c 卜一为粘性阻尼矩阵，其他阻尼可以通过周期耗散能相等原则转化为等 效粘性阻尼。 m 】- 一质量矩阵 【k 】刚度矩阵 ，l 力矩阵 设零初始条件，并对( 3 1 ) 式进行拉氏变换，得： ( j2 m 】+ s c 】+ 【k i ) x ( s ) ) = ( ，( j ) ) ( 2 2 ) 令【b ( j ) 】( 5 2 m 】+ s c 】+ 【k 】) ， 曰( j ) 】为系统矩阵，则有【b ( 5 ) ( x ( 5 ) ) = f ( j ) 。 又令 】_ 【耶) 】_ 1 = 踹 ( 2 - 3 ) 则有 x ( j ) l = 日( j ) 】 ，( j ) ( 2 - 4 ) 1 0 囊衰航空靛天大学璞士学经论文 式中，【d 0 ) 】为【8 ( 5 ) 】的伴随矩阵，d e t b ( s ) 】为【露( s ) 】的判别式。我们知道，伴随矩 阵之元索及d e t b ( s ) 均为s 的多项式，故【( s ) 】中各元素圩。可表示成如下有理公式： 蹦= 篙筹篙笋 q s ， 设系统瓷欠阻趸系统登爨蠢攀重蔽，鬟投点麓复数量共辘残辩誉鬻。_ l 逄靖，黉递交数 可表示为： ( s ) 】= 步( 盟+ 盟) ( 2 - - 6 ) 一i = 1 s s is 一5 1 式中，s 。为系统的极点，且墨= o i + 豇0 。其中，o - i 为阻尼因子，为i 阶模态宥 疆怒爨然频率。e 鸯荚辍德弩，【曩】舞整数戆臻。 无阻照强有频率峨，和蛾满足： ( 0 0 ，= 口j + 2 ( 2 - - 7 ) 相对阻尼系数为： 妻=土(2-8) 吃； 模态矢爨可用【野( s ) 】静锌隧矩阵【d ( 。) 】来描述。 艿( s ) 】 b ( j ) 】= 【，( 2 - - 9 ) 将( 2 3 ) 带入上式，脊： f 嚣( s ) 】 d ( s ) 】= d e t 嚣( s ) 】( j 】 ( 2 一1 0 ) 将系缓簸任意特征鬏带入( 2 1 0 ) ，d e t b ( s ) 为零，予是： 【嚣( 5 ) 】f d ( s ) 】= 0 ( 2 1 1 ) 上式可对应于伴随矩阵的任何一列( j 列) ，敞有 【四( j ) d ( j ) ) = ( 0 ( 2 - - 1 2 ) 式( 2 - - 1 2 ) 和( 2 - - 2 ) 式究全同构，因此 d ( 粥是对应于某极点的特征向量。于 是俘隧矩薄【d s ) 】酶j 捌怒瓣应该除援点模态必薰验售计。显然，瓣j 列豹结论适鼹 予律麓矩薄f d s ) 】豹任搿一鳓。因魏裰据( 2 3 ) 式可戮谈为传递蕊数矩阵在任意s 值上就等于伴随矩阵与一常数相乘。当s 的襄鄢为零时，传递函数瓶阵即转化为频率 响应函数矩阵。测量频率相_ 陂函数矩阵的一列，即可对模态矢量进行估计。由m a x w e l l - - b e t t i 驻易定理可知，频率响应函数矩阵为对称阵，矩阵的一行冗索同样也具有模 态矢黛的全部信息。 囊焱( 2 1 2 ) 式蜀叛瓣燕，获嫠夔矩簿戆一藤或者一行鹭甏彳霉裂对摸态矢量懿 估计。此模态矢量可以乘叛任何常数，而该常数麴确定取决于如秘对横态参数正剩纯。 旗干式( 2 6 ) 的频率响应函数矩阵的表达式，矩阵的任一元索h 。( s ) 与模态参 磐戆耪裁缝掏串压电元薛裁帮藏骏懿售号褥洼骚究 数育如f 芙系， = 等= 姜c 盟$ - - s i + 去，( 2 - - 1 3 ) 式中，下标t ，p 分别表示掺振电与激振点黔序号，熬h 。( s ) 是对应予p 点激振，f 点 拾强瓣传递函数或频穗爨数；矗蛳是对应予辍赢s 。豹警数，它与撑：；互为共辘。由赘 数的定义，函数，( z ) 关于菜一阶极点z 。的留数为； + 民 ，( z ) ；z o 】- 尘翌 ( z z o ) ，( z ) 】 ( 2 1 4 ) 则 a 缸；= h ( 5 ) 0 一岛) b ( 2 - - 1 5 ) 或 = 器k 。 岱蛳：掣盟一晚谴一s ) 羹镳一s 施一s ： 】 蓦 式中，d4 ( j ) 为d ( s ) 的阶导数。 如前所述，留数中包宙有模态矢量的信息，留数求出后便可求模态矢量。 2 1 3 脉冲激励测试技术( 锤击试验) 躲渖激融是一静赛颥带激励，箕力匏频谱较宽，一次激聚可以丽对激融出多除摸 态，因此是一种快速测试披术，其所需测试时间是正弦激励测试的酉分之一。同时由 于它测试设备简单，灵活性大，特别适合于现场测试，因此，近几年来此方法的研究 和应用得到了广泛的重视和发展。从信号分析的角度看 它与隧枫激威法无多大原则 生区别，都应阉时采集力和 晌褒镶譬，鄯器要终簿立跨交换蠢餮率谱分掇。必捉毒 测试精度丽采取的措施也大同小异。除了上述熬同点外， 脉冲激励测试技术也有萁囱身的特点，本节将对这些特 点作蝗补充。 脉冲激励法是用带键力传感器的手锤敲獭试件，给 试伴一辣；孛力。用装在试传上豹翔速度诗或绽移转感器 溺羹溺寝，弱磁带氍弱莎键象力移璃应蓿号或豢援整这 两个信号送入结构动态分析仪中，作f f t 分析，求出频 懿2 - i 模态试验系统 响函数，进而进行模态参数识别。测试原理如阉2 一l 所示。 脉冲激励可分为单点敲击多点测量和多点敲击单点测量两种。前者是求出频响函 鸯隶靛空靛天大学骥士学位论文 数矩眸中的莱一列，后者怒求出频响函数矩阵的菜一行。根据频响濒数矩阵的对称性， 其分析究全相同。对于轻小试件，为了减小传感器对试件附加质量的影响，常采用单 点测徽多点敲击方法。对于大试件可在各测点上同时安装传感器，在一点激励，这样 一次馒w 记录激励及所有响虚点的信号，然嚣研一一求得各点的颡响函数。 赫狰激振戆缺熹是测试穰凄不及委弦激麓滚离，不谩在薄壁绫褥上溅试。瑟努， 频率分辨率受f f t 分拆仪的限裁，不会狠商。 2 1 4 试验模态分析的试验过程 试骚模态分析主要趋通过模态试验，测鬟系统的振动响应信号，或同时测量系统 戆激激壤号、穗斑售号，钛溺萋到豹售号孛，浚到 描述系统动力特征的有关参数。识剐的主要内容有 以下两种： ( 1 ) 物理参数识别，包括质量矩阵、刚度矩阵和 阻尼矩阵； ( 2 ) 模态参数识爨，像旗霹有频率、衰减系数、 摸杰灸蘧、模态嚣l 瘦弱穰悫阻尼。 测试的基本步骤如下，流程图见图2 2 ： ( 1 ) 确定试验模型，将试验结构支撑起来( 边界 条件的确定) 。 ( 2 ) 模态试验，激励试验结构( 本章试验用镶击 法 ，劳记录原点及冬溅杰懿激聚、睫应时越爨程。 ( 3 ) 辩各测点懿薅凌掰獠羽记录数据透行数字信 号处溅，利用f f t 求出各测点的传递函数，并缀成 传递函数矩阵。 ( 4 ) 进行参数识别。 ( 5 ) 避行动画显示。 2 2l m s c a d a 。x 横态分析软锌篱介 图2 2 模态试验流程 在本文中使用l m s 公司的c a d a - - x 模态分析软件进行模态试验分析。配合h p - - b 2 0 0 0 工作站和h p v x 嫩1 4 0 0 数据采集前端的使用，c a d a x 软件完成了从数据 采集到频响函数的生成，到缀后的模态分析褥到模态参数的所有功熊。下面就来简要 奔缓下该较 孛懿缝残每囊葵魂戆。 l m s 公司的c a d a - - x 软件库是由一系列的程序模块组成酌。箕中有一个控制模 块或者应用管理器和许多的操作环境，每一个操作环境适合于不同渤态测试和分析情 智能糖攀毒缝擒申疆毫元搏鼹郝瓣荻楚信号特蛙研究 圈2 3c a d a i x 软件示意图 况的需要。整个软件库的结构如图2 3 所示。 1 _ 墨控模块 c a d a - - x 的主模块怒蒎铆模块或管理器，强弱户一开始进入系统的时候接魅劐鹊 就是该模块。该模块主饕管理以下几个方面： 预定操作环境。 操作环境在图2 3 中可以看到，一旦打歼一个工程以后就可以进行该操作。 肇位定义。 躅声可强禳握工程豹嚣蘩来定义一缓孳爱。翔户可菠在饪嚣撵黪臻麓中速耩一缎 单位，但只能在主界面上定义单位。 输出数据。 c a d a - - x 软件与其他的很多平台之间是可以传输数据的。 2 模态分析中的主要功能模块 死嚣建模( g e o m e t r y ) c a d a - - x 几何建谈模块跫一个操作环境，研馥跌c a d a - - x 主疲翔管理器中颈是。 在该环境中可以对要进彳亍分析的模型进行几何建模。在该环境中提供了几何建模所有 的功能，如各种坐标系的选择、各种线条的选择等等。并且可以在d i s p l a y 窗口中实 1 4 舞京簸空靛天大学矮士筝霞论文 时的观察所建模型的状态。其几何建模的功能非常的强大。在c a d a - - x 主模块