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SMA传感、驱动性能及其结构健康监测技术研究

邱自学  
【摘要】: 结构健康监测是近年迅速发展的一项应用技术,涉及结构的连续监测、检查以及损伤探测。最终目的是增加结构的可靠性和安全性,降低结构维修的成本。可广泛应用于大型骨干设备的关键部件、桥梁、水坝、民用建筑、航空航天设备、化工容器、电力领域等实现运行状态监测。 本文正是针对上述工程需要,主要研究基于形状记忆合金(SMA)传感和驱动性能的结构健康监测技术,目的是探索SMA传感与驱动一体化,提供一种较简单、经济和可行的技术方法,用于对工程重要结构的在线监测。 全文的研究工作主要分为四个方面: 首先,在对SMA形状记忆效应和超弹性行为分析的基础上,系统研究和测试了SMA的传感和驱动性能。研究选择NiTi形状记忆合金丝材和Cu基记忆合金螺旋弹簧。对NiTi记忆丝及超弹性丝在恒温拉伸卸载、恒载变温以及形状回复过程中的应力-应变-电阻-温度之间的关系进行了系统的测试和分析;对Cu基螺旋弹簧在三种基本使用状态下的驱动特性进行了研究。实验结果表明,纯马氏体态、纯奥氏体态NiTi记忆丝及超弹丝具有应变传感性能,约束回复中的SMA与自然回复过程中的超弹丝具有力驱动性能,一定状态的SMA可实现自传感驱动;NiTi超弹性丝可用作结构健康监测的应变传感元件。 第二,研究基于超弹性形状记忆合金的复合材料结构冲击响应的监测。将一定规格的NiTi超弹性丝埋入复合材料结构,制作典型的实验构件。总结和分析了纤维增强复合材料冲击动力学行为及理论。通过低速冲击实验,研究利用SMA超弹性特性所具有的大应变及电特性实现结构健康监测的方法和可行性。研究表明,以一定方式埋入结构的超弹性传感元件可较好地实现对结构冲击位置和程度等响应的监测。 第三,研究埋入NiTi超弹性传感元件的复合材料结构强度的监测。设计和制作了用于拉伸、弯曲试验的实验构件。对含孔洞的典型构件进行拉伸试验,对方板构件进行弯曲模拟受载试验,实时采集结构中传感元件的输出,以实验的方法监测结构宏观力学行为。实验结果表明,埋入的超弹性传感元件可对结构的裂纹、断裂特性及强度等进行监测。 第四,研制完成用于材料冲击试验的多参数动态性能试验机和健康监测微弱信号调理与放大仪,完成了结构健康监测的实验系统。为了能实现对埋入NiTi传感元件的复合构件进行低速冲击试验,进行各参数的测试,研究自制了低速冲击试验机。该试验设备可实现对冲击力、冲击初始速度、冲击能量等参数的测量。研制完成用于超弹性传感元件监测的多路微弱信号调理与放大仪,构建了16路并行数据采集与分析 摘要 博士论文 仪,从而完成了结构健康监测的实验系统,成功用于结构健康监测。


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