基于压电陶瓷的木结构健康监测与损伤识别研究

【摘要】：近年来,基于压电的传感器和技术在各种金属和混凝土结构的结构健康监测和损伤评估方面取得了重大进展。随着研究的深入,基于压电陶瓷传感器的主动监测技术已广泛应用于土木工程中的结构损伤检测和健康监测。木材是一种资源丰富且可再生的材料,在许多国家被广泛用作建筑材料,但基于压电的传感器和技术还缺乏对木结构损伤检测和健康监测的研究。本文基于压电陶瓷传感器主动监测技术对木结构的损伤检测和健康监测进行研究,主要研究内容如下:(1)基于压电陶瓷的主动监测方法对木材无损实时定量监测含水量的可行性进行研究,通过在木材表面贴装一对锆钛酸铅(PZT)贴片实现含水量监测,一个压电陶瓷片作为驱动器产生设计的定向应力波信号,而另一个压电陶瓷片作为传感器接收传播的应力波信号。木试件的含水量从0%逐渐增加到60%,增量为10%。木材的材料特性随着含水量的不同相应地发生变化,导致不同试件应力波的能量衰减率呈现出可测量的差异。结果表明,木试件接收的能量信号和含水量之间呈抛物线关系,讨论了该方法用于监测木材含水量的可行性和可靠性。(2)基于压电陶瓷的主动监测方法,利用在木结构表面贴装压电片进行木材损伤检测的可行性研究,以及对木结构中的表面裂缝和孔洞等典型损伤模式进行研究。在主动监测方法中,一个压电陶瓷传感器作为驱动器产生沿着木结构表面传播的应力波,而其他压电陶瓷传感器作为接收器检测传播的应力波。诸如裂缝或孔洞等缺陷导致应力波传播的衰减,利用此方法提出基于小波包的损伤指数(RMSD)检测结构缺陷,从而验证其对木材实时损伤检测的可行性。(3)采用有限元分析软件ABAQUS建立压电陶瓷与木材的机-电多物理场耦合模型,在木结构梁表面贴装PZT贴片激发与接收应力波进行数值模拟,研究应力波在介质中的传播过程及基于压电陶瓷的主动监测法对木结构损伤识别的机理,其中考虑木结构中木材多向异性的影响,压电陶瓷和木结构之间的接触关系等,通过采用隐式分析和显式分析结合的方法考虑了损伤模式的影响。(4)将建立的压电陶瓷和木结构不同损伤状态的有限元多物理场耦合模型计算结果与木结构损伤监测试验结果进行对比,试验数据对有限元模型的精确度进行验证,验证所建立的有限元模型对基于压电陶瓷的木结构健康监测和损伤评估模拟的有效性和可靠性。综上所述,将基于压电陶瓷的主动监测技术应用于木结构的损伤检测和健康监测是可行的,基于此方法可以有效的监测木结构的健康状况和损伤程度。