壓電智能結(jié)構(gòu)沖擊荷載及損傷識別方法的研究.pdf

1、本文從航空航天等領(lǐng)域利用壓電智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的工程背景出發(fā),對壓電智能材料結(jié)構(gòu)承受低能量沖擊荷載及損傷的識別問題進(jìn)行了研究,重點(diǎn)對壓電智能材料結(jié)構(gòu)的荷載識別方法進(jìn)行了較廣泛、深入的研究.基于有限元逆分析方法對壓電薄板智能結(jié)構(gòu)的荷載識別問題進(jìn)行了研究.從對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元逆分析入手,直接以壓電元件的電荷響應(yīng)為參數(shù),提出采用阻尼最小二乘法逼近荷載真值的有限元算法,算法的迭代初值采用單位荷載法選取.該算法不受結(jié)構(gòu)的幾何特性和邊界條件限制

2、,數(shù)值算例表明了該方法的有效性,可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)不確定未知荷載的識別,較好地解決了壓電智能結(jié)構(gòu)的荷載識別問題.利用Hilbert變換在計(jì)算原時(shí)間序列瞬態(tài)屬性方面的特性,把沖擊應(yīng)力波的時(shí)域信號變?yōu)檫B續(xù)的瞬態(tài)時(shí)序信號,提取與沖擊定位相關(guān)的特征信息訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)沖擊位置的自動(dòng)識別.實(shí)驗(yàn)表明,以應(yīng)力波信號的起始時(shí)間、峰值以及到達(dá)峰值的時(shí)間為特征向量具有較高的沖擊定位精度,該方法可用于結(jié)構(gòu)受低速、小能量沖擊時(shí)的在線健康監(jiān)測.基于對智能層合板

3、結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,提出由結(jié)構(gòu)的壓電模態(tài)響應(yīng)反演瞬態(tài)荷載時(shí)間歷程的有限元方法.介紹了壓電模態(tài)傳感器的實(shí)現(xiàn)原理,并給出了由實(shí)測壓電單元輸出得到結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)的計(jì)算公式.采用無條件穩(wěn)定的精細(xì)逐步積分法求解結(jié)構(gòu)的模態(tài)動(dòng)力學(xué)微分方程,構(gòu)造了通過結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)直接反求荷載列陣的迭代算法.該方法迭代過程簡單可靠、計(jì)算速度快、識別精度高,適用于任意形狀和邊界條件的復(fù)雜智能結(jié)構(gòu).實(shí)例表明了該方法的可行性.從理論上分析了板中Lamb波信號的傳播特性.針對表面粘

4、貼壓電元件的層合板智能結(jié)構(gòu),建立了包含Lamb波諧振模式的壓電阻抗計(jì)算模型.通過沖擊損傷試件的實(shí)驗(yàn)分析表明,由于結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)壓電阻抗譜中的模態(tài)頻率及其阻抗幅值等特征信息將發(fā)生變化.據(jù)此引入應(yīng)力波損傷因子,可以對結(jié)構(gòu)沖擊損傷的存在和程度進(jìn)行初步評價(jià).該方法基于結(jié)構(gòu)的機(jī)-電動(dòng)態(tài)阻抗特性,不受結(jié)構(gòu)的幾何形狀限制,測試用的壓電元件成本低、方法簡單可行,有望在智能結(jié)構(gòu)的健康診斷方面獲得應(yīng)用.本文的研究得到了國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金(50135030