壓電激勵的無損及裂紋梁系統(tǒng)的力電特性研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)中裂紋的存在及其不斷的擴(kuò)展，對結(jié)構(gòu)安全性構(gòu)成了重大的威脅。利用主動式壓電傳感器的力電轉(zhuǎn)換特性，將其集成在結(jié)構(gòu)中，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測。然而，結(jié)構(gòu)中的裂紋對壓電傳感器的電阻抗的影響規(guī)律尚不十分清楚。因此，開展壓電單元激勵的完整或含裂紋結(jié)構(gòu)的力電特性的深入研究，具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。本文主要采用解析的分析方法，并結(jié)合有限元方法和實驗研究方法，系統(tǒng)研究壓電單元與無損梁或裂紋梁的相互作用，分析梁系統(tǒng)的力電特性。獲得的主要研究成果

2、有：
　　 (1)在阻抗法和等效電路法的基礎(chǔ)上，提出有限阻抗單元法，將其應(yīng)用于梁形壓電智能結(jié)構(gòu)的解析分析。用本文方法計算智能梁的動態(tài)響應(yīng)，并將計算結(jié)果與用阻抗法得到的結(jié)果或有限元結(jié)果比較，表明了本文方法可以有效描述壓電片和壓電柱激勵的直梁系統(tǒng)的力電動態(tài)特性，拓展了阻抗法和等效電路法的應(yīng)用范圍。
　　 (2)基于有限阻抗單元法和裂紋的等效彈簧模型，導(dǎo)出了壓電激勵的含裂紋的梁系統(tǒng)的壓電阻抗函數(shù)，并據(jù)此分析了裂紋及其他參數(shù)對系

3、統(tǒng)電阻抗的影響。然后，通過實驗研究了不同裂紋深度、不同裂紋位置以及不同的裂紋形式等對梁系統(tǒng)的電阻抗的影響規(guī)律。分析與實驗結(jié)果均表明：對于單邊或雙邊對稱裂紋，當(dāng)裂紋位于梁的某階位移模態(tài)節(jié)點上時，盡管裂紋深度不斷增加，這階模態(tài)的頻率并不發(fā)生變化，而其他階數(shù)的模態(tài)的頻率會逐漸減小；當(dāng)裂紋位于梁的某階位移模態(tài)反節(jié)點上時，隨著裂紋深度的增加，比較于前后相鄰的兩個模態(tài)的頻率，此階模態(tài)的頻率明顯減少。以上研究為利用主動式壓電傳感器進(jìn)行直梁結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測

4、提供了理論參考。
　　 (3)基于小曲率曲梁理論和等效單層方式，建立了壓電層對稱布置的夾層圓形曲梁的動態(tài)控制方程，得到了代表夾層梁動態(tài)特性的7×7等效阻抗矩陣。將智能直梁中的有限阻抗單元法拓展到智能曲梁中，用有限個夾層梁阻抗單元和彈性梁阻抗單元來分析壓電驅(qū)動的圓形曲梁或圓環(huán)的動態(tài)力電特性。用本文方法計算圓形曲梁或圓環(huán)智能結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，并將計算結(jié)果與有限元結(jié)果或已有的實驗結(jié)果進(jìn)行比較，表明了本文方法可以有效分析對稱壓電單元驅(qū)動的

5、圓形曲梁或圓環(huán)的動態(tài)特性。比較于早期的兩種解析方法-阻抗法和靜態(tài)模型，此方法不僅可以考慮壓電單元慣性、剛度和曲率，而且可以分析多種智能曲梁結(jié)構(gòu)。
　　 (4)針對壓電片的單面非對稱和雙面對稱兩種布置方式，提出用于分析壓電單元激勵的圓形曲梁的靜態(tài)響應(yīng)的解析方法。首先建立了相應(yīng)的壓電夾層梁的靜態(tài)控制方程，然后導(dǎo)出夾層懸臂梁和帶分布式壓電單元的節(jié)式懸臂梁徑向位移響應(yīng)的解析表達(dá)式。采用本文方法計算出的智能梁的移移響應(yīng)與有限元結(jié)果吻合，表

6、明了本文提出的方法的合理性和導(dǎo)出的解析表達(dá)式的正確性。以圓形曲梁靜態(tài)響應(yīng)分析為基礎(chǔ)，進(jìn)一步進(jìn)行了參數(shù)研究和位移控制研究。對壓電單元相關(guān)參數(shù)的研究顯示：對于節(jié)式懸臂梁，自由端徑向位移響應(yīng)與梁長所對應(yīng)的圓心角和標(biāo)識激勵器位置的圓心角密切相關(guān)。梁的圓心角的臨界值僅取決于給定的激勵器的圓心角大小。對懸臂式夾層梁位移控制研究表明：當(dāng)控制懸臂夾層梁的自由端徑向位移響應(yīng)為零時，隨著集中力載荷的位置變化和梁長的變化，最優(yōu)控制電壓將出現(xiàn)峰值和反號。以上研