基于PVDF压电传感阵列的悬臂梁结构健康监测技术研究

【摘要】：悬臂梁作为一种很常见的结构件,被广泛应用于机械,航空航天,能源,土木工程等领域。在长期服役过程中,通常会受到复杂载荷的作用,令其内部或表面容易产生裂纹,甚至可能导致重大事故的发生。因此,对于悬臂梁结构件的结构健康监测是当前工程应用领域的研究重点和热点。在众多的结构健康监测方法中,基于结构的频率等振动参数进行健康监测,具有快捷、高效和无破坏性等优点,被得到广泛应用。然而,单一采用上述各种振动特征信息,不论是从实时测量到信号特征提取以及损伤识别均存在一定的局限性,无法满足实际需求。因此,本文利用PVDF压电传感阵列结合悬臂梁振动特征提出了新的结构健康监测方法,具体分为两步:第一步,利用悬臂梁损伤前后归一化应变模态差来实现对裂纹位置及数量的识别,第二步,利用BP神经网络模型实现对悬臂梁结构损伤程度的识别。首先,将悬臂梁结构表面裂纹用扭转弹簧来替代,建立了含裂纹悬臂梁的数学模型,推导了悬臂梁结构损伤前后归一化应变模态差与裂纹参数之间的关系,利用该关系来实现对裂纹位置及数量的识别。在此基础上,将悬臂梁结构损伤前后模态频率变化量作为BP神经网络的输入参数,损伤程度作为输出参数,实现对悬臂梁结构的损伤程度的识别。其次,以等截面铝合金悬臂梁为研究对象,通过对单裂纹和双裂纹悬臂梁进行模拟计算,得到了归一化应变模态差与裂纹参数之间的关系,同时建立了等截面悬臂梁的BP神经网络模型。为了进一步验证本文基于归一化应变模态差与神经网络的两步法在实际工程中的有效性,利用PVDF压电传感器阵列进行了铝合金悬臂梁结构单裂纹与双裂纹损伤识别实验研究,将本文的两步法识别结果与传递矩阵法识别结果作对比。结果表明,本文所提出的两步法具有以下优势:第一,不论是单裂纹损伤程度识别,还是双裂纹损伤程度的识别,本文两步法识别精度均高于传递矩阵方程法;第二,传递矩阵方程法原理是建立在数学模型基础上,因此只适合于比较规则、可以建立数学方程的结构,复杂结构一般很难建立相关的数学模型,因此传递矩阵方程法无法识别复杂的结构,本文提出的两步法脱离了数学模型的制约,对于规则结构和复杂结构同样适用,具有更好的工程应用前景;第三,本文所提出的两步法计算代价更小,耗时更少。最后,以小型风力机叶片为研究对象,进一步研究本文所提出的两步法对于复杂实际结构健康监测的有效性。基于Wilson模型,利用MTALAB优化函数修正了小型风力机叶片各叶素平面弦长和扭角,对不同损伤状态下的叶片进行仿真模态分析。利用模态分析提取的叶片损伤前后的模态频率变化建立相应的BP神经网络模型。进而利用PVDF压电薄膜传感器阵列对小型风力机叶片进行实验模态分析。实验结果表明,本文所提出的两步法对于复杂结构小型风机叶片损伤识别同样有效。