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基于含金属芯压电纤维与Lamb波的结构健康监测技术研究

刘建  
【摘要】:含金属芯压电纤维(MPF)是一种新型压电驱动器与传感器,其结构细小,粘贴在基体结构表面,不会对结构性能产生影响;易于埋入到复合材料中,而不会对基体材料产生影响。因此MPF非常适宜用作基于Lamb波的结构健康监测中的传感与驱动元件。本文提出采用MPF作为超声Lamb波传感器与驱动器,研究了MPF传感、激励Lamb波的机理,建立了MPF传感Lamb波模型;同时把MPF作为Lamb波传感器分别在一维、二维结构中进行了结构健康监测应用研究。本文的主要工作和创新点主要有: (1)建立了圆柱坐标系下MPF的压电方程。根据MPF的压电方程,推导了粘贴在结构表面的MPF的应变响应电压公式。并根据MPF的应变传感响应原理,推导了MPF对圆形压电片激励Lamb波的响应电压模型,并进行了实验验证;进行了MPF和圆形压电片分别传感Lamb波的对比实验研究,研究结果表明MPF可以用来传感超声Lamb波信号。 (2)分别采用幅值和小波变换能量因子的方法对MPF传感超声Lamb波的方向性特性进行了研究。以A0模式Lamb波为例,推导了MPF对圆形压电片激励Lamb波的传感灵敏度系数随Lamb波入射角度变化的函数表达式。同时对推导结果进行了实验验证。研究结果表明MPF传感Lamb波具有很强的方向性,采用小波变换能量因子进行传感方向性表征更能体现出MPF对Lamb波的方向性传感特性。 (3)研究了MPF激励Lamb波的机理,建立了基于MPF的激励、传感系统,并进行了实验研究,分析了MPF激励、传感单一模式Lamb波的可行性。同时,还分别基于幅值方法和小波变换能量因子的方法研究了MPF激励Lamb波的方向性。 (4)研究了MPF传感的Lamb波信号在不同损伤形式(结构承受载荷,可移除污迹,结构通孔损伤)下的变化情况,进而研究了Lamb波对不同损伤形式的敏感性。同时采用BP神经网络对三种损伤状态及健康状态进行了辨识。 (5)利用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟的原理,把MPF作为Lamb波传感器,在一维结构中进行了损伤定位研究,损伤定位精度较高。 (6)采用类似应变花的原理,提出了一种基于MPF花形组合单元的二维结构损伤定位方法,该方法无需知道Lamb波在介质材料中的传播速度,只需要测量MPF响应Lamb波的幅值。分别在铝板中进行了二维结构被动监测实验(模拟声源定位实验)与主动监测实验(载荷定位实验和通孔定位实验),定位精度较高,验证了MPF花形组合单元定位方法在二维结构损伤定位中的可行性。


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