温度对压电机电阻抗损伤识别的影响及补偿研究

作     者：詹阳磊 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：屈文忠

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：结构健康监测 螺栓松动 机电阻抗方法 温度补偿 自损伤诊断 

摘      要：结构健康监测是近年来的研究热点,在重大工程领域具有良好应用前景。为了适应现代工业更高的安全标准,结构健康监测正朝着敏感性更高、精确性更优、适用范围更广等方向发展。压电元件(如锆钛酸铅压电陶瓷等)具有体积小、易安装、对结构局部缺陷敏感、可同时用作传感器和驱动器等优点,使得基于智能压电传感器的机电阻抗(EMI,electromechanical impedance)方法能够对复杂系统进行无损、实时、在线监测。机电阻抗方法在实际应用时会受温度等环境因素的干扰,容易引起损伤误报,造成严重经济损失。针对此现象,本文通过仿真与实验研究了温度变化对导纳(阻抗倒数)信号的影响,提出了基于信号互相关迭代算法分段补偿导纳信号的思想,通过相关实验验证了该方法的正确性及其在损伤识别中的有效性。实际工况中,结构中薄而脆的压电元件在循环载荷、环境侵蚀等因素的作用下容易受到损伤,使得结构健康监测系统判断失误,造成不必要的损失。本文以一维机电耦合导纳公式为基础,通过加入压电元件破坏与脱粘的损伤因子来修正导纳模型,结合数值算法计算得到损伤因子数值,根据损伤因子大小直观判断压电元件的损伤程度,并进行了相关实验,验证了修改后的导纳模型在压电元件自损伤诊断中的有效性。本文的主要研究内容包括:第一,介绍了基于机电阻抗方法的结构健康监测技术的研究背景及国内外研究现状,详细介绍了本文的主要工作。第二,以正、逆压电方程为基础,推导了压电元件与结构机电耦合后的一维电导纳公式。该导纳公式表明:当压电片的材料参数及性能恒定时,主体结构的机械阻抗唯一决定了压电片电导纳的大小,可通过测量压电片的电导纳信号来间接反映结构的健康状况。第三,简单介绍了压电阻抗有限元分析的基本步骤,模拟了不同类型的损伤,对压电片-铝板机电耦合结构进行了有限元分析。结果表明:铝板上的局部刚度减小与贯穿型孔洞损伤均对导纳曲线的峰值频率与幅值产生了较大影响,通过计算相应损伤指标的大小量化表征了损伤程度,且损伤部位离压电片越近,压电片对其越敏感;同时进行了温度影响导纳信号的数值仿真,发现温度变化使导纳曲线产生显著偏移,容易引起损伤误报。因此,需采取合适的补偿措施,消除温度影响,避免不必要的损失。第四,分析了温度对导纳信号的影响机理,以螺栓组连接的铝板为实验对象,研究了温度变化对导纳信号的影响,分析了导纳频谱图中各峰值频率随频率区间的变化情况,提出基于信号互相关迭代算法分段温度补偿的思想,对导纳信号进行了分段补偿,大幅降低了损伤指标,验证了温度补偿算法的正确性;进行了温变工况下的螺栓松动损伤识别实验,通过该温度补偿算法以及控制变量的思想,消除了温度影响,成功识别出各工况下的螺栓松动损伤,提高了EMI方法对于螺栓松动损伤识别的敏感程度。第五,以一维机电耦合导纳公式为基础,引入了压电片破裂、脱粘损伤因子,建立了压电元件自损伤模型。以悬臂铝梁为实验对象,进行了压电元件自损伤诊断的相关实验,利用修正后的导纳模型与损伤信号构造目标函数,结合数值算法求出目标函数的极值及其所对应的损伤因子大小,通过损伤因子直观判断压电元件的健康状况。结果表明,通过修正的导纳模型与相应数值算法相结合,可成功识别出压电片的破裂、脱粘损伤。最后,对全文进行了总结,阐述了研究过程中的不足,并对未来的研究方向进行了展望。