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基于主动Lamb波结构健康监测的应用研究

作 者: 申晓月
导 师: 丁克勤
学 校: 中北大学
专 业: 电子与通信工程
关键词: Lamb监测 频散性 损伤定位 钢板结构
分类号: TP274
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
下 载: 9次
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内容摘要


目前结构健康监测技术已经广泛应用在监测航空航天、建筑、航海、机械等大型的设施结构监测,本课题中基于主动Lamb波监测也是结构健康监测中一种重要而且有效的监测方法。本课题主要通过Lamb波的基本原理来实现主动Lamb波在动态应力结构变化中的监测,在实验中通过对监测结构的表面处理,粘贴压电陶瓷传感器来产生所需的激励波形。通过对激励信号一系列的处理,最终采集有效的响应信号,进而对响应信号进行模态分析以及频谱分析,通过把散射波随着时间变化的能量分布情况和每个像素点对应,得出直观的损伤能量图像,根据这种方法实现结构平面应力变化对损伤的影响。通过对实验室模拟双梁起重机小车的运动以及单梁裂纹进行模拟实验,采用主动Lamb波实时监测,分析在运动过程中Lamb波采集数据的变化,分析大型模拟式样的损伤变化过程。在本课题中做了以下工作:首先,阐述了Lamb波在钢板中传播的基本特性,分别依据Lamb波的基本原理公式、传播的频散特性,依据频率和厚度乘积的关系绘制出了相应的频散曲线,分析研究了在实验中在进行监测实验的最佳激励信号参数。并依据常见监测中压电元件存在的问题设计了多点式压电传感器。其次,以实验室钢板结构中的损伤状态来分析Lamb波的传播模态变化,计算出S0和A0的速度和理论分析之对比;通过规则板结构和不规则板结构的不同形状损伤的状态进行了监测,采用压电传感轮换做激励的激发Lamb波的方式,初步对静态板结构损伤进一步分析实验。最后通过实验室大型模拟式样主梁结构小车运动以及是否加载重物的方法,实时监测应力变化对Lamb波监测的影响;并在单梁大型试件上进行裂纹监测,通过计算和得到的能量图判断结构产生损伤的准确位置。本文基于Lamb波对钢板损伤监测的基础上进行模拟实验,依据实验所得到的散射信号波包到达的时间等相关量来判断损伤位置和内部变化情况。经过实验分析,基于Lamb波的板结构监测技术,能够实时的对起重机械等规则的板结构初期损伤状态监测定位。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 研究的背景和意义  11-13
    1.1.1 结构健康监测的背景  11-12
    1.1.2 结构健康监测技术  12-13
  1.2 基于主动LAMB波的结构健康监测的研究现状  13-15
    1.2.1 国外研究现状  13-15
    1.2.2 国内研究现状  15
  1.3 本课题主要研究内容  15-17
第二章 LAMB波的基础理论  17-26
  2.1 LAMB波的概述及应用  17-18
  2.2 LAMB波的概念  18-20
  2.3 LAMB波的频散特性  20-23
    2.3.1 Lamb波的相速度和群速度  20-22
    2.3.2 Lamb波频散特性  22-23
  2.4 LAMB波激励信号的选择  23-25
    2.4.1 Lamb波的激励方法  23-24
    2.4.2 中心频率的选择  24-25
    2.4.3 激励电压的选择  25
    2.4.4 激励信号周期数的选择  25
  2.5 本章小结  25-26
第三章 基于主动LAMB波监测中压电传感器的设计  26-38
  3.1 压电元件  26-32
    3.1.1 压电效应  26-27
    3.1.2 压电方程  27-29
    3.1.3 常见压电元件的性能分析  29-32
  3.2 压电传感器的设计和布置  32-36
    3.2.1 压电元件的设计  32-35
    3.2.2 压电元件的布置  35-36
  3.3 压电元件在结构监测中的应用  36-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章 基于主动LAMB的结构健康监测系统  38-48
  4.1 系统的总体结构介绍  38-39
  4.2 监测系统硬件模块结构  39-43
    4.2.1 电荷放大模块  39-41
    4.2.2 低通滤波器  41-42
    4.2.3 电压放大器  42-43
  4.3 监测系统软件模块结构  43-47
    4.3.1 传感器网络管理及激励信号输出  43-45
    4.3.2 多通道扫查  45-46
    4.3.3 响应信号控制  46-47
  4.4 本章小结  47-48
第五章 基于主动LAMB监测系统实验及应用  48-80
  5.1 测试实验  48-71
    5.1.1 实验目的  48
    5.1.2 实验器材  48-49
    5.1.3 实验步骤  49-50
    5.1.4 实验过程  50-70
    5.1.5 实验结果分析  70-71
  5.2 应用实验  71-78
    5.2.1 实验目的  71
    5.2.2 实验一  71-76
    5.2.3 实验二  76-78
  5.3 本章小结  78-80
第六章 总结与展望  80-82
  6.1 总结  80-81
  6.2 展望  81-82
参考文献  82-87
致谢  87-88
攻读硕士学位期间发表的论文  88-89

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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