基于压电传感机械阻抗的结构损伤识别方法研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:huangwj03
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运用压电陶瓷传感器/驱动器(PZT)识别结构损伤的压电阻抗方法在结构损伤识别与健康监测领域展现出了巨大潜力,但在实际工程应用的过程中,进一步提高监测信号的损伤敏感度、扩大PZT的监测范围、降低PZT的损伤概率、排除PZT自身损伤的干扰以及减少环境因素的影响等仍是需要解决的关键科学问题。基于此,论文提出并系统研究了基于压电传感机械阻抗的结构损伤识别方法,主要研究成果如下:  (1)基于机械阻抗理论,利用考虑粘结层的PZT与结构耦合一维模型的理论和数值分析,得到结构、传感器、粘结层等不同类别损伤引起的导纳信号变化特征。通过试验验证利用电导信号特征诊断PZT损伤的有效性,综合提出了基于电导信号特征的PZT损伤诊断方法,并应用于钢梁结构和隧道管片结构的损伤识别试验研究。研究表明,提出的诊断方法能在结构损伤识别前和监测过程中有效区分PZT、粘结层和结构损伤,且能有效诊断PZT性能恶化。  (2)基于电导信号特征和均方根偏差量化指标,分别以钢梁结构为例和以混凝土隧道管片结构为例,定性和定量地评估了PZT损伤及环境温度变化对结构损伤识别的影响。通过对比健康PZT的研究表明,不同程度的PZT破损及脱粘会造成电导信号谐振特征明显变化,并导致PZT识别结构损伤的能力下降。对隧道管片结构的长期监测研究表明,PZT性能恶化和环境温度变化对电导曲线的影响较大,因而严重干扰结构损伤识别。  (3)基于PZT与结构机械阻抗的耦合与分离两种假设,提出了基于PZT与结构联合机械阻抗的结构损伤识别方法。从PZT与结构耦合一维模型中分别提取PZT与结构的联合机械阻抗及结构机械阻抗,通过对比导纳信号,定性和定量地评估不同信号的损伤敏感度。应用于钢结构锈蚀监测的试验研究表明,机械阻抗信号比导纳信号对结构损伤更敏感,有效监测范围更广。相比结构机械阻抗,联合机械阻抗具有更高的损伤敏感度。  (4)基于有效机械阻抗理论,推导了可提取机械阻抗的植入式PZT与结构耦合二维模型,提出了基于植入式PZT与结构耦合二维模型有效机械阻抗的结构损伤识别方法。通过理论计算、数值模拟和试验验证了该方法的有效性。通过在混凝土梁结构冲击损伤试验中对比粘贴式PZT的研究表明,植入式PZT损伤概率更低,该方法能有效降低外部冲击对植入式PZT的影响。对比电导和一维模型机械阻抗,提取的有效机械阻抗信号对结构损伤的识别精度更高。
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