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基于压电阻抗健康监测的实验及有限元仿真分析

作　者: 李忠良
导　师: 蔡金标
学　校: 浙江大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 压电阻抗结构健康监测有限元压电片混凝土
分类号: TU317
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来,以压电片作为传感器的压电阻抗技术凭借其对初始损伤敏感、可实时在线监测等优点,依靠压电材料和计算机技术的飞速发展,逐渐成为一种新型的无损检测技术。其原理为：结构损伤会改变结构的机械阻抗,由于压电材料具有机电耦合效应,可通过粘贴在主体结构表面或埋入内部的压电片电阻抗的变化来判断结构的损伤。本文所开展的主要研究工作和取得的主要成果为：(1)为研究及消除温度对阻抗信号的影响,提取压电片在不同水温下的电导纳信号。实验结果表明：随着温度的升高,电导纳频谱将向上移动,峰值对应的频率也随之增大；压电片在10℃-70℃以内可以很好的工作,不会由于高温而影响其性能；提出一种温度补偿方法来消除温度对电导纳信号的影响,并验证了此方法的有效性。(2)对混凝土立方体标准试块裂缝深度的定量发展进行了监测。提取压电片在混凝土试块健康状况和不同损伤工况下的电导纳信号,实验结果表明：随着裂缝损伤的发展,压电片电导纳频谱发生了变化；压电片-粘结层-主体结构耦合系统的共振频率及电导信号峰值能表征混凝土裂缝深度的发展,但其存在稳定性缺陷；研究并证明了MAPD、RMSD和CCD三个传统损伤指标判断结构损伤的有效性。(3)对混凝土梁裂缝位置的变化进行了监测。提取压电片在混凝土梁健康状况和不同损伤工况下的电导纳信号,实验结果表明：随着裂缝位置的变化,压电片电导纳频谱发生了变化；损伤指标CCD值与裂缝的位置几乎成线性关系。(4)利用通用有限元软件ANSYS建立自由压电片、混凝土试块和混凝土梁有限元模型,数值计算结果与实验结果基本吻合,验证了压电阻抗三维有限元模型的有效性。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
1 绪论  11-31
  1.1 课题研究背景及意义  11-14
  1.2 结构健康监测技术的发展及研究现状  14-20
    1.2.1 结构健康监测技术的发展  14-16
    1.2.2 结构健康监测系统的组成  16
    1.2.3 结构健康监测技术的现状与展望  16-20
  1.3 压电阻抗法与传统无损检测方法的比较  20-22
  1.4 基于压电阻抗的结构健康监测技术国内外研究概述  22-29
    1.4.1 压电阻抗技术国外研究现状  22-27
    1.4.2 压电阻抗技术国内研究现状  27-29
  1.5 本文研究的主要内容  29-31
2 压电阻抗技术基本原理  31-40
  2.1 智能材料  31-34
  2.2 压电效应  34-35
  2.3 压电方程  35-36
  2.4 压电元件的主要性能参数  36-39
  2.5 本章小结  39-40
3 温度对阻抗信号影响实验研究  40-55
  3.1 引言  40-41
  3.2 温度对电导纳的影响的基本原理  41
  3.3 实验研究  41-44
  3.4 实验结果及分析  44-49
  3.5 温度对阻抗信号影响的有限元分析  49-51
  3.6 有限元结果分析  51-53
  3.7 本章小结  53-55
4 基于压电阻抗的裂缝发展实验研究  55-76
  4.1 引言  55-56
  4.2 裂缝深度发展实验研究  56-66
    4.2.1 实验研究  56-58
    4.2.2 实验结果及其分析  58-62
    4.2.3 传统损伤指标有效性研究  62-66
  4.3 裂缝深度发展有限元研究  66-68
  4.4 裂缝位置发展实验研究  68-73
    4.4.1 实验材料及装置  68-69
    4.4.2 实验操作  69-70
    4.4.3 实验结果及其分析  70-73
  4.5 裂缝位置发展有限元研究  73-75
  4.6 本章小结  75-76
5 总结与展望  76-79
  5.1 本文总结  76-77
  5.2 研究展望  77-79
参考文献  79-84
附录  84

基于压电阻抗健康监测的实验及有限元仿真分析

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