基于機(jī)電阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究.pdf

1、隨著國(guó)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各種大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，日益向大型化、復(fù)雜化和智能化方向發(fā)展。這些重要工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界的重視。壓電智能材料的成功應(yīng)用，為基于機(jī)電阻抗法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。機(jī)電阻抗技術(shù)集激勵(lì)和傳感于一體，具有主動(dòng)自感知的優(yōu)良特性，屬于高頻局部損傷探測(cè)技術(shù)的范疇，對(duì)結(jié)構(gòu)早期微小損傷非常敏感，并且可以隔離環(huán)境或遠(yuǎn)程荷載，適合結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)。近年來，機(jī)電阻抗技術(shù)在航空航天、機(jī)械

2、工程和土木工程等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。但是，機(jī)電阻抗技術(shù)在阻抗建模、數(shù)據(jù)分析以及損傷識(shí)別等方面仍然存在很多挑戰(zhàn)。本文分別針對(duì)埋入型和表面粘貼型機(jī)電阻抗傳感器(EMIS)，研究了傳感器與結(jié)構(gòu)之間相互作用的阻抗分析模型，建立了基于阻抗信息的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，驗(yàn)證了所提方法在大壩以及管道系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。本文主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)基于機(jī)電阻抗傳感器的三維耦合振動(dòng)原理，通過分析埋入型機(jī)電阻抗傳感器的力學(xué)特性，建立了機(jī)電阻抗傳

3、感器與主體結(jié)構(gòu)相互作用的三維等效機(jī)電阻抗模型。推導(dǎo)了三維機(jī)電阻抗傳感器與主體結(jié)構(gòu)耦合電導(dǎo)納方程。
　　(2)提出了應(yīng)用結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗信息識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的方法。該方法從實(shí)測(cè)電導(dǎo)納信號(hào)中提取出結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗，利用結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷狀況的識(shí)別研究。將改進(jìn)的機(jī)電阻抗技術(shù)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究中，驗(yàn)證了該方法的有效性。通過引入均方根偏差(RMSD)指數(shù)與相關(guān)系數(shù)(CC)指數(shù)，反映了結(jié)構(gòu)固有屬性的變化程度。通過

4、研究發(fā)現(xiàn)，采用改進(jìn)的機(jī)電阻抗技術(shù)比利用實(shí)測(cè)電信號(hào)來監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)安全狀況更加真實(shí)有效。
　　(3)針對(duì)粘貼型機(jī)電阻抗傳感器與管道結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)體系，建立了考慮粘結(jié)層的管道結(jié)構(gòu)機(jī)電阻抗模型，推導(dǎo)了傳感器-管道結(jié)構(gòu)的耦合電導(dǎo)納方程。基于該方程，從實(shí)測(cè)電導(dǎo)納信號(hào)中提取出結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗。試驗(yàn)驗(yàn)證了利用結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究的可行性和有效性。
　　(4)基于獲取的結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗，提出了一種結(jié)構(gòu)損傷敏感因子，建立了多傳感器