基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓電驅(qū)動超聲導(dǎo)波及機電能量轉(zhuǎn)換分析.pdf

1、基于壓電雙向耦合理論,采用解析法和有限元方法,對壓電傳感器激勵超聲波進(jìn)行了數(shù)值模擬。壓電晶片傳感器(PWAS)具有體型小、重量輕、價格低廉以及可以制造成各種形狀等特性,能夠顯著地改善結(jié)構(gòu)健康檢測、損傷檢測以及無損評估。近年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、土木、機械、交通以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。本文以壓電晶片傳感器為研究對象,進(jìn)行理論分析、數(shù)值模擬研究壓電晶片傳感器與結(jié)構(gòu)間的相互作用及能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。
　　 本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　

2、 闡述了壓電的基礎(chǔ)理論,重點介紹了壓電雙向耦合效應(yīng)和壓電本構(gòu)方程?；诰€彈性理論和各向同性介質(zhì)內(nèi)的運動方程,得到彈性運動控制方程,建立了PWAS激勵無限大平板內(nèi)Lamb波的物理模型。通過積分變換方法,獲得了聲波場各力學(xué)分量的變換域解;并得到了聲波場的特征方程。通過數(shù)值方法獲得了聲波場的時域解和色散曲線。
　　 利用ComsolMultiphysics多物理場耦合有限元計算平臺,對PWAS激勵平板內(nèi)Lamb波進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬,

3、得到了板中Lamb波的時域波形,并且將計算結(jié)果與積分變換法計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。通過對不同接收位置的位移信號進(jìn)行對比,分析了Lamb波不同模態(tài)的波群的傳播速度及色散特性等。
　　 基于一維壓電耦合和彈性波方程,建立壓電晶片激勵金屬梁結(jié)構(gòu)中超聲波解析模型,得到了結(jié)構(gòu)中的時域位移波形和PWAS的電功率與結(jié)構(gòu)中的聲波場功率的頻率響應(yīng),進(jìn)而分析了激勵信號頻率與驅(qū)動器尺寸對能量轉(zhuǎn)換的影響。結(jié)果表明,PWAS的有功電功率轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)中的聲波場