基于电力阻抗法的壳体结构健康监测

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电力(EM)阻抗法对健康监测和系统识别研究来说,是一种行之有效的方法。本文主要研究基于EM阻抗法的圆锥壳和圆柱壳结构的健康监测,研究工作主要分为以下三个部分:理论分析、实验测量方法和有限元模拟。 理论分析部分,利用Hamilton原理,采用Love薄壳简化假设[1],得到圆锥壳和圆柱壳结构的基本动力学方程。设位移为多项式形式,从而得到与位移相关的动力学方程。在得到结构的位移响应之后,通过EM阻抗法,采用二维压电片-主结构相互作用模型,得到壳体结构的力学阻抗以及压电片的电力阻抗。 在实验部分,基于EM阻抗法,使用HP4192A型阻抗分析仪分别测量了由PZT片激励的铝制圆锥壳和圆柱壳试件的响应。 在有限元模拟部分,采用商用有限元分析软件ANSYS建立了圆锥壳和圆柱壳结构的分析模型,分别模拟了健康的壳体结构以及挖去一个洞的损伤结构的模型。 最后本文对圆锥壳和圆柱壳采用理论方法,实验测量和有限元数值模拟三种方法进行了数值计算,并对数值结果进行了讨论。首先比较上述的三种方法得到的阻抗谱,绝大多数的峰值对应的频率值都吻合得很好。说明文中提出的基于EM阻抗分析法的三维壳体结构的理论分析方法是正确可靠的。然后通过比较健康和损伤的壳体结构的阻抗谱,可以发现阻抗谱的峰值之间有明显的偏移,这些偏移可以作为壳体结构损伤的证据。最后比较了分别用有限元模拟与理论方法得到的健康和损伤结构之间的峰值对应频率的偏移量的大小,发现理论方法可以很好的预测损伤的存在,将有助于进一步对结构损伤识别的研究。总之,本文的研究结果可为今后结构健康监测领域的研究提供可靠的依据和参考。
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