基于嵌入式阻抗模型和谱元法的压电结构健康监测

• 作 者: 宋宏远
• 机 构: 华中科技大学
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 土木工程结构 健康监测 压电结构 嵌入式阻抗模型 谱元法

由于环境荷载、疲劳效应、材料老化和腐蚀等因素的影响，土木工程结构将不可避免地产生各种问题。因此，采用合理、有效的方法对这些结构进行健康监测就显得越发重要。本文提出了基于嵌入式阻抗模型和谱元法的压电结构健康监测方法，并在以下几个方面取得了一些研究成果：　　(1)本文构造了三维有效阻抗模型，来对内部嵌入PZT的结构进行分析。结合压电方程和PZT振动方程，推导得到了压电结构的电阻抗公式。分析了PZT形状、贴片形式、结构形式等条件对结构阻抗模型的影响。　　(2)本文将结构的电阻抗公式分解为被动部分和主动部分，并推导得到了主动部分中机械阻抗的表达式。研究发现：机械阻抗的相关系数变化更明显，表明使用机械阻抗进行结构健康监测比直接使用电阻抗的效果更好。　　(3)使用有限元软件ANSYS构造了混凝土试块的数值模型，来和三维有效阻抗法的分析结果进行对比。分析了混凝土试块强度监测基本步骤：首先，利用阻抗分析仪测量嵌入混凝土试块中的PZT的导纳曲线；其次，用三维有效阻抗法推导得到混凝土试块机械导纳，并用相关系数进行数据处理；最后，根据指标与强度之间的拟合关系对结构强度变化情况进行预测。　　(4)本文结合谱单元模型和压电阻抗技术，构造了压电梁的谱单元模型。其中裂纹用弹簧模型进行模拟。考虑了梁在轴向方向的振动，以及粘结层对结构振动的影响。将荷载施加在结构上，求出结构的振动响应之后，就可以求出压电阻抗响应。　　(5)以带裂纹的压电钢梁为研究对象，进行了理论和试验结果的对比。研究发现：当损伤发生时，压电片距离损伤越近，其测量的阻抗曲线的相关系数变化量越大；当在结构上粘贴多个压电片时，通过相关系数的变化值可以判断出损伤的大致位置，同时也可以定性地识别损伤的程度。