本文从航空航天等领域利用压电智能结构进行结构健康监控的工程背景出发,对压电智能材料结构承受低能量冲击荷载及损伤的识别问题进行了研究,重点对压电智能材料结构的荷载识别方法进行了较广泛、深入的研究。 基于有限元逆分析方法对压电薄板智能结构的荷载识别问题进行了研究。从对结构进行有限元逆分析入手,直接以压电元件的电荷响应为参数,提出采用阻尼最小二乘法逼近荷载真值的有限元算法,算法的迭代初值采用单位荷载法选取。该算法不受结构的几何特性和边界条件限制,数值算例表明了该方法的有效性,可用于复杂结构不确定未知荷载的识别,较好地解决了压电智能结构的荷载识别问题。 利用 Hilbert 变换在计算原时间序列瞬态属性方面的特性,把冲击应力波的时域信号变为连续的瞬态时序信号,提取与冲击定位相关的特征信息训练人工神经网络,实现冲击位置的自动识别。实验表明,以应力波信号的起始时间、峰值以及到达峰值的时间为特征向量具有较高的冲击定位精度,该方法可用于结构受低速、小能量冲击时的在线健康监测。 基于对智能层合板结构的模态分析,提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理,并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程,构造了通过结构的模态响应直接反求荷载列阵的迭代算法。该方法迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度高,适用于任意形状和边界条件的复杂智能结构。实例表明了该方法的可行性。 从理论上分析了板中 Lamb 波信号的传播特性。针对表面粘贴压电元件的层合板智能结构,建立了包含 Lamb 波谐振模式的压电阻抗计算模型。通过冲击损伤试件的实验分析表明,由于结构损伤的出现压电阻抗谱中的模态频率及其阻抗幅值等特征信息将发生变化。据此引入应力波损伤因子,可以对结构冲击损伤的存在和程度进行初步评价。该方法基于结构的机-电动态阻抗特性,不受结构的几何形状限制,测试用的压电元件成本低、方法简单可行,有望在智能结构的健康诊断方面获得应用。 本文的研究得到了国家自然科学重点基金(50135030)的资助。