基于压电导波钢梁损伤检测数值的研究

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要近些年来，土木工程结构损伤检测与健康监测研究已在全世界范围内受到广泛关注。压电陶瓷材料具有正、逆压电效应，而且还具有响应快、成本低等优点，它的出现为结构损伤检测和健康监测提供了新的传感手段。本文将压电陶瓷片（PZT）分别用作驱动器和传感器，基于压电导波技术开展了矩形钢梁损伤识别数值研究。压电导波技术的实现过程为：分别将PZT粘贴在梁的不同位置，并对其中一个（或一对）PZT施加汉宁窗调制的正弦波脉冲激励信号，使梁中产生应力波。波会沿着梁长方向进行传播，当波在传播过程中遇到裂纹、端部时会产生反射。用另一个（或一对）P

2、ZT作为传感器来接收驱动器产生的发射波以及裂纹和端部的反射波，并对接收的波动信号进行分析可以实现裂纹定位和定量识别。论文着重阐述了压电导波有限元分析的要点；对贴有四个压电片的钢梁进行了数值分析，验证了裂纹的出现不改变结构波传播速度的理论；比较了五种不同的激励信号，并确定了本文研究所使用的激励信号。采用选取的激励信号分别对两端自由、一端固定一端自由、两端简支等三种边界条件下有损伤和无损伤矩形钢梁进行损伤检测数值研究。在此基础上，还在不同损伤位置、不同损伤程度以及不同传感器位置情况下开展了压电智能梁的波动分析，进一步验证了压电导波技术的损伤定位

3、与定量识别的能力。数值研究结果发现：利用压电导波技术可以对钢梁裂纹损伤进行定位和定量识别。今后将开展基于压电导波的钢梁损伤识别试验研究以及混凝土结构损伤识别数值与试验研究。关键词：损伤识别钢梁压电导波PZT数值研究I华中科技大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,damagedetectionandhealthmonitoringofstructuresincivilengineeringhasreceivedextensiveattentionallovertheworld.Piezoelectricceramicma

4、terialshavemanyadvantages,notonlypositiveandinversepiezoelectriceffect,butalsofastresponseandlowcost,andtheemergenceprovidesanewsensingmethodforstructuraldamagedetectionandhealthmonitoring.Inthispaper,piezoelectricpatches(PZT)areusedastheactuatorandthesensor,simulationstud

5、yondamageidentificationofrectangularsteelbeambasingonpiezoelectricguidedwavetechnologyhasbeencarriedout.Theimplementationprocessofpiezoelectricguidedwavetechnologyisasfollows:piezoelectricpatchesareattachedondifferentlocationsinthebeamrespectively,andone(orapair)PZTisexcit

6、edbyasignal,whichcontainssinusoidaltoneburstmodulatedbyaHanningwindow.Thenastresswaveappersinthsteelbeam.Wavecanpropagateinthebeamlengthdirection.Thewavecanreflectwhenitmeetacrackortheendoftnebeaminthepropagation.Another(orapair)PZT,asasensor,canreceivethewavelaunchedbythe

7、actuatorandthewavereflectedbytheends,thenthelocalizationandquantificationofdamagecanrealizedaccordingtoanalysingthereceivedwavesignal.Thepaperemphaticallypointsoutkeypointsabouttheguidedwaveinthefiniteelementanalysis;Asteelbeamwithfourpiezoelectricpitchsattachedonthesurfac

8、eissimulatedtovalidateaconclusion,whichistheappearanceofcrackdoesnotchangethewavepropagat