基于压电阻抗的正交异性板与木梁损伤检测研究

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土木工程结构在服役过程中将不可避免地受到周围环境的影响,而这些不利因素将使结构发生损伤和抗力衰减,进而会引起一些重大的工程事故,因此对一些重要的工程结构进行早起的健康监测就显得十分重要。压电阻抗技术(EMI)是一种基于压电材料的新的结构损伤检测与监测技术,它具有高频激励、损伤敏感性高等优点。本文在已有的研究基础上,围绕基于EMI技术的正交异性板疲劳损伤监测和木梁损伤定位中的相关主题,开展了以下几方面的研究:  1、提出一种更加可靠的损伤评判指标---马氏距离指标。研究发现较为常用的损伤评判指标--均方根偏差(RMSD),只能在单一频段内定量地评判结构的损伤程度,然而不同频段的导纳信号的对损伤敏感程度不一致,RMSD可能出现误判的情况,而基于RMSD的马氏距离可以融合多频段的信息,从宏观上衡量不同工况的差异,可以作为结构损伤检测的评判指标。  2、开展了基于EMI技术的正交异性板损伤检测试验研究。研究中将压电阻抗传感器粘贴在正交异性板顶板与U肋交界处附近,并对正交异性板人工切割损伤,通过监测健康状态及损伤状态下粘贴在正交异性板上压电片的导纳曲线变化及计算得到的RMSD、MD指标,发现随着裂纹损伤程度的加深,导纳曲线均逐渐向左移动,与RMSD指标相比,MD指标能够更可靠地识别损伤程度。  3、开展了基于EMI技术的正交异性板疲劳损伤监测试验研究。研究中将压电阻抗传感器粘贴在正交异性板的顶板与U肋的交界处,并对模型施加疲劳荷载,通过监测未加载及加载状态下正交异性板的机电导纳曲线变化,来监测焊缝处的裂纹损伤。研究发现随着疲劳荷载次数的增大,导纳曲线呈现出左移的趋势,并且在初始加载期,导纳曲线变化较小,加载的中后期导纳曲线的变化增大,这与其疲劳损伤破坏的过程是相近的,说明通过识别压电正交异性板的导纳曲线变化可以来监测正交异性板的疲劳损伤。为了进一步判断损伤程度,引入了常规的均方根偏差指标,并建立了马氏距离指标,研究表明,基于RMSD损伤指标对正交异性板疲劳损伤进行定量评估的可靠性不高,MD指标综合多频段的损伤信息,能更加有效地评估结构的疲劳损伤程度。  4、探究了压电传感器在木梁上的传感范围。研究中将多个PZT分布粘贴在木梁表面,并对木梁人工的切割损伤,通过监测压电传感器的导纳信号的变化来判断压电阻抗传感器的传感范围,为了能够定性的判断导纳信号的变化程度,引入了常规的RMSD指标。研究表明,压电阻抗传感器在木梁上的传感范围在1-1.2米左右。  5、开展了基于EMI技术的木梁损伤定位试验研究。研究中将多个PZT分布粘贴在木梁上表面不同位置,然后对木梁人工的切割不同深度的裂纹,通过比较分析损伤前后压电片的导纳变化和计算相应的RMSD及马氏距离指标,来识别裂纹的发生位置。研究表明,接近裂纹的压电传感器对裂纹损伤较为敏感,而远离损伤的传感器受损伤的影响较小,证明了EMI技术的损伤定位能力。
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