基于压电陶瓷传感器的橡胶损伤监测试验研究

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近年来,由于压电陶瓷传感器及其工艺技术具有成本小、反应快、压电效果好等特点,在各种金属材料、钢筋混凝土构件和螺栓松动等方面的监测损伤中实现了稳定发展。橡胶材料作为一种超弹性的结构材料,具有很好的减能和吸能作用,成为减隔震领域内主要的使用材料,经常在建筑结构物中应用。橡胶构件在实际使用中会遇到各类荷载以及复杂灾害的作用,都可能会对其内部和表面产生破外,但这些损伤情况如果无法及时被发现并处理,便会对橡胶结构的正常使用寿命造成很大的影响。目前,关于压电陶瓷传感技术在橡胶结构损伤监测方面还缺乏研究,所以,本文主要采用压电陶瓷传感器的主动监测技术对橡胶结构的损伤监测展开试验,研究内容主要包括:(1)总结了橡胶材料在服役过程中失效的形式、疲劳荷载作用下的裂缝扩展理论以及橡胶疲劳寿命预测的方法,介绍了智能材料和结构监测的基本原理与系统。然后阐述了压电陶瓷材料的基本原理、在构造中的工作方式以及在构造中监测的研究现状,为科研与实验奠定了理论基础。(2)本文基于波动法的原理,利用压电陶瓷传感器对橡胶结构荷载疲劳损伤(人工布置裂缝缺陷模拟)程度的状态进行主动监测试验研究。在橡胶试件的上下表面上黏贴一对压电陶瓷传感器,一个压电陶瓷传感器做驱动端,在信号发射器的激励下发射定向的应力波,而另一个压电陶瓷传感器做接收端,接收应力波的传播信号。试验过程中,随着人工布置裂缝程度的增大影响应力波信号的接收,导致应力波信号能量的减弱。试验结果显示:时域信号的图形可以很清晰的表现出人工布置裂缝和信号幅值之间的联系,并提出基于小波包能量分析和希尔伯特-黄变换分析的损伤指数来判断橡胶结构的破坏状况,从而证明了压电波动法对橡胶结构损伤检测的可行性。(3)针对橡胶层合结构损伤的问题,基于上述原理,主动监测了上下钢板,中间橡胶构成的简单层合结构,并采用与上述一样的结果分析方法进行处理。试验结果表明:层合结构的时域信号幅值随着人工模拟损伤程度的增加而减少,并能够采用上述的损伤指数判断试件的损伤状态。
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