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基于光纤—压电智能材料的化工设备健康监测技术研究

周攀  
【摘要】:结构健康监测技术是一个新兴研究领域,在工程领域有着广泛的应用,在智能材料结构领域占有重要的位置。光纤压点智能材料是一种新型的智能材料有广泛的应用前景。本文首先介绍了结构健康监测技术的一些研究及发展最新情况和趋势,其次分析了压电阻抗理论,将最新压电材料与化工设备研究结合在一起,能克服化工设备在高温、腐蚀性、毒性等恶劣工作环境,达到对化工设备进行状态的监测。接着实验分析了压电阻抗技术在螺栓松动上的应用,对压电材料的模态频率进行仿真分析得出其固有频率的大小,最后运用lamb方法对材料的损伤位置进行了定位研究。 本文主要研究内容包括: 一.本文根据压电陶瓷(PZT)的电阻抗与结构的机械阻抗有机耦合关系,推导出了压电陶瓷片的电阻抗与结构机械阻抗之间的函数关系。因而使得运用压电阻抗技术对结构健康监测有了一定的理论基础。 二.根据压电陶瓷片的压电阻抗技术基本理论,在一块铝板上运用压电阻抗健康诊断技术对螺栓松动情况进行了相关的试验研究,确定了螺栓松动的位置和损伤指数。在化工设备中,螺栓松弛是典型的损伤形式之一,压电阻抗实验对螺栓松弛进行了有效的监测。由此实验论证了在结构健康监测中,压电陶瓷传感器在一般工作条件下展现出优良的特性,具有线性范围大,响应速度快,重量轻以及具有长期的稳定性。 三.介绍了有限元分析方法及与其相关分析软件ANSYS在压电响应分析中的运用。通过仿真计算和比较了压电陶瓷片在不同模态频率激励下的固有频率,使得我们找到了结构损伤较为敏感的激励频带。 四.探究了机械振动理论,设计了振动实验系统,通过实验及仿真确定了结构的固有谐振频率,能对损伤进行初步的估计。运用Lamb波方法对结构损伤进行了进一步的定位分析,对损伤位置进行了定位。在化工设备中,裂纹是其典型损伤形式,实验中Lamb波方法对裂纹进行了定位,实现了对结构的健康监测。


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