（船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)論文）基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究.pdf

大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 p v d f 壓電薄膜是一種智能傳感元件，其良好的性能使p v d f 壓電薄膜在結(jié)構(gòu)損傷檢測領(lǐng) 域有廣闊的發(fā)展空間。本文對p v d f 壓電薄膜的多項(xiàng)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn) 證了p v d f 壓電薄膜性質(zhì)的準(zhǔn)確性。 首先，根據(jù)壓電方程推導(dǎo)了在非接觸測量方式下，電壓表測量電壓和結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變分量之 間的關(guān)系式，并對購置的p v d f 壓電薄膜進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。 其次，針對目前p v d f 壓電薄膜在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變傳感應(yīng)用方面存在的一些 缺陷，提出一種將壓電薄膜保護(hù)在結(jié)構(gòu)的油漆涂層下面，并采用非接觸式靜電電壓表檢測薄膜 表面感應(yīng)電荷的結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變測量方法。然后，從靜電電壓表探頭的測量原理，分析了探頭和 被測表面之間的零電場技術(shù)，從理論上預(yù)測可以對埋藏在油漆涂層下的p v d f 壓電薄膜進(jìn)行感 應(yīng)電荷檢測。最后在一塊平滑鋼板試件上粘貼1 0 枚壓電薄膜，并進(jìn)行表面油漆噴涂處理，通過 試件單向加載實(shí)驗(yàn)，測量油漆涂層下的薄膜表面感應(yīng)電荷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，覆蓋在p v d f 表面 的油漆涂層有無和不同厚度對電荷信號的采集影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。該方法在應(yīng)用上 具有可行性和明顯的工程意義。 第三，為簡化操作程序，解決工程實(shí)際測量中的實(shí)際問題，提出了一種基于壓電特性的組 合p v d f 壓電薄膜。這種組合p v d f 壓電薄膜具有多項(xiàng)優(yōu)于普通p v d f 壓電薄膜的特點(diǎn)，能夠 大幅度節(jié)省測量成本。 最后，提出了一種利用p v d f 壓電薄膜來測量結(jié)構(gòu)表面裂紋深度的實(shí)驗(yàn)方法。首先，從無 限體埋藏裂紋表面法向位移間斷的解析解入手，推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)表面裂紋張開位移和深度之間的關(guān) 系表達(dá)式，并通過三維有限元數(shù)值分析對表達(dá)式進(jìn)行了驗(yàn)證。其次，將p v d f 壓電薄膜直接粘 貼在表面裂紋上，采用非接觸式靜電電壓表測量薄膜表面因裂紋張開位移產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從 而反推出裂紋張開位移量，并進(jìn)一步根據(jù)已建立的關(guān)系表達(dá)式計(jì)算表面裂紋深度。本文最后制 作了一個(gè)表面半橢圓片狀裂紋模型，通過實(shí)驗(yàn)對提出的測量方法的可行性及精度進(jìn)行了驗(yàn)證。 關(guān)鍵詞：p v d f 壓電薄膜；油漆涂層；應(yīng)變測量：裂紋深度；損傷檢測 基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究 s t r u c t u r es t r aina n dd a m a g ed e t e c ti0 1 1u sin gp v d ffii m s a b s t r a c t p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) f i l li sat y p eo fi n t e l l i g e n ts e n s o r i ti sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do f s t r u c t u r a ld a m a g ei n s p e c t i o nf o ri t sg o o dp e r f o r m a n c e s o m er e s e a r c hw o r ko nt h ev a r i o u s p e r f o r m a n c eo f t h ef i l ma ss t r a i ns e n s o rh a sb e e nd o n ei nt h i st h e s i s i na d d i t i o n , s e r i e so f e x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tt ov a l i d a t et h ea c c u r a c yo f s t r a i nm e a s u r e m e u t f i r s t , t h er e l a t i o u s h i pb e t w e e nt h em e a s u r e dp o t e n t i a l o nt h ep v d ff i l ma n dt h es t r a i n c o m p o n e n t so nt h es t r u c t u r a ls u r f a c ew a sd e d u c e df t o mt h ep i e z o e l e c t r i cc o n s t i t u t i v el a wu n d e rt h e n o n - c o n t a c tc o n d i t i o n t h e nc a l i b r a t i n ge x p e r i m e n t so f t h ep v d ff i l ma r ec a r r i e do u t s e c o n d l y ，w i t ht h ea i mt oi m p r o v et h ea p p l i c a t i o no fp o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ( p v d f ) f i l m sf o r s u r f a c e s t r a i ns e n s i n go fs h i pa n dm a r i n es t r u c t u r e s w ed e v e l o pa l le x p e r i m e n tm e t h o df o rt h es t r a i n s e n s i n gb yu s i n ga l le l e c t r o s t a t i cv o l t m e t e ro fn o n - c o n t a c tt y p et od e t e c ti n d u c t i v ec h a r g e so nt h e p v d ff i l lw h i c hi sc o v e r e db yp a i n tc o a t i n go ft h es t r u c t u r e t h e n ，a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n t t h e o r yo ft h ep r o b ec o n n e c t e dt ot h ee l e c t r o s t a t i cv o l t m e l e r ，w ea n a l y z e dt h ef i e l d n l i i l i n gt e c h n i q u e b e t w e e nt h ep r o b ea n dt h ed e t e c t e df i l ms u r f a c e ，a n dd o p e do u tt h a ti tw a sp o s s i b l et 0m e a s u r et h e i n d u c t i v ec h a r g e so nt h ep v d ff i l m & t e nc o v e r e db yt h ep a i n tc o a t i n go ft h es t r u c t u r e a n e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t ，i nw h i c hp v d f 丘h l l sw e r ea d h e r e du p o nas m o o t hp l a t es p e c i m e nu n d e r k n o w na x i a lu n i f o mt e m i o n , t oo b t a i nt w op a r a m e t e r si nt h ed e d u c e dp o t e n t i a l s t r a i nr e l a t i o n s l r p t h es a m em e 鵲u r e m e n tw a sa l s op e r f o r m e da f t e rt h ep v d ff i l m sw e r es p r a y e dw i t ht h ep a i n t t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sc o n c l u d et h a ti th a sl i t t l ee f f e c to nt h ed 嗽t e de l e c t r i cc h a r g ew h e t h e rt h e r ei s p a i n to rn o t t h ed i f f e r e mt h i c k n e s so ft h ep a i n ta l s oh a sn oi n f l u e n c et ot h er e s u l t s o u rr e s e a r c h s h o w st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sf e a s i b l ea n dh a so b v i o u ss i g n i f i c a n c ef o rt h es t r a i ns e n s i n go f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r a ls u r f a c e f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt 0s i m p l i f yt h eo p e r a t i o na n ds o l v es o m ep r a c t i c ep r o b l e m si ns t r e s s m e a s u r e m e n to fr e a ls t r u c t u r e s ，am e t h o do fm a k i n gc o m b i n e dp v d ff i l mi sa l s op r o p o s e db a s e do n t h ep i e z o e l e c t r i cc o n s t i t u t i v el a w t h ec o m b i n e dp v d ff i l mh a sm o r ea d v a n t a g e st h a no r d i n a r y p v d ff i l ma n dc a n g r e a t l yd e c r e a s et h ec o s to f t h es t r e s sm e a s u r e m e m l a s t l y ，a ne x p e r i m e n t a lm e t h o df o rt h em e a s u r e m e n to f s u r f a c ec r a c kd e p t hu s i n gp o l y v i n y l i d e n e f l u o r i d e ( p v d f ) f i l m si sd e v e l o p e d f i r s t ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es u r f a c ec m c ko p e n i n g d i s p l a c e m e n ta n dt h ec r a c kd e p t hi sd e d u c e d , b a s e do nt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h ed i s p l a c e m e m j u m p sa c r o s sa nc r a c ks u r f a c ee m b e d d e di n t ot h ei n f i n i t et h r e e d i m e n s i o n a lh o m o g e n e o u s e l a s t i cs o l i d - i i 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 f i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rs o m ec m c k e dm o d e l sw a sa l s op e r f o r m e dt oc h e c kt h er e l a t i o n s h i p 。i n w h i c ht h en u m e d c a ls o l u t i o no f t h ec r a c ko p e n i n gd i s p l a c e m e n tw a su s e dt oe s t i m a t et h ec r a c kd e p t h t h e n , a ne x p e r i m e n t a lm e t h o df o rm e a s u r i n gt h es u r f a c ec r a c ko p e n i n gd i s p l a c e m e n tb yt h eu s eo f p v d ff i l m sa n da l le l e c t r o s t a t i cv o l t m e t e ro f n o n - c o n t a c tt y p ei sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，ap i e c eo f p v d ff i l mi sa d h e r e do n t ot h es u r f a c ec r a c kd i r e c t l y 1 1 1 es u r f a c ec r a c ko p e n i n gd i s p l a c e m e n tc a nb e c a l c u l a t e db yt h em e a s u r e de l e c t r i cp o t e n t i a lo nt h ep o l a r i z e dp v d ff i l m , w h e nt h ef i l mh a s d e f o r m a t i o nc a u s e db yt h eo p e n i n gd i s p l a c e m e n t e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nap l a t es p e c i m e n w i t his u r f a c es e m i e l l i p t i c a lc r a c ki no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ep r o p o s e d e x p e r i m e n t a lm e t h o d k e yw o r d s ：p v d ff i l m # p a i n tc o a t i n g ；s t r a i nm e a s u r e m e n t ；c r a c kd e p t h ；c r a c kd e t e c t i o n m 獨(dú)創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名：圣竺鳘 日期： 作者簽名：塑 日期： 彤，2 彬 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位論文版權(quán)使用 規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論 文。 椎者放電j 伽銹 作者簽名：壘翌駕 導(dǎo)師簽名 ， 煎二 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 前言 1 1 研究背景及意義 1 1 1 國內(nèi)外研究背景 p v d f 壓電薄膜是一種智能材料，其優(yōu)越的力學(xué)傳感性能己引起工程界的廣泛關(guān)注 i - 3 j 。和其它壓電材料相比，p v d f 壓電薄膜質(zhì)輕柔軟，對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很小，與 結(jié)構(gòu)有著良好的兼容性；電壓靈敏度高，便于信號采集與處理；另外還具有良好的機(jī)械 強(qiáng)度和韌性，對濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)出很高的壓電穩(wěn)定性等等【4 】。 在國內(nèi)方面，歐進(jìn)萍等研究了p v d f 壓電薄膜的應(yīng)變傳感機(jī)理和p v d f 傳感元件在 準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)下的傳感特性，并且利用p v d f 壓電薄膜對金屬構(gòu)件的裂紋萌生與擴(kuò) 展、斷裂全過程進(jìn)行了監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究1 3 4 1 。王代華等提出用p v d f 壓電薄膜作為傳感元 件，通過監(jiān)測應(yīng)變得到柔性結(jié)構(gòu)的振動參數(shù)，以及將其應(yīng)用于斜拉橋橋索張力的在線監(jiān) 測【5 1 。另外，劉劍飛等討論了用p v d f 測試材料動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的實(shí)驗(yàn)方法【刀。朱志 偉等用p v d f 傳感器測量梁的振動功率流i s 。趙紅平等介紹了p v d f 壓電傳感器的測量 原理、動態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，并測量了不同類型分層介質(zhì)在沖擊載荷作用下壓電衰減【9 】。 然而，目前上述大部分工作的基本原理是從p v d f 壓電薄膜的上下兩個(gè)表面電極引 出導(dǎo)線，得到輸出電壓，然后通過一個(gè)積分網(wǎng)路或者電荷、電流放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換 為電壓信號來處理。我們認(rèn)為這些方法的弊端在于：一、需要p v d f 壓電薄膜上連接導(dǎo) 線。當(dāng)壓電薄膜面積很小時(shí)，或者說所需測量的區(qū)域很小時(shí)，連接導(dǎo)線并且對連接點(diǎn)進(jìn) 行加固和防護(hù)將變得非常困難而且對測量精度也有一定的影響。在實(shí)際應(yīng)用中和電阻應(yīng) 變片具有類似的缺點(diǎn)。另外，導(dǎo)線的長度及干擾對輸出信號也會產(chǎn)生一定的影響；二、 考慮到p v d f 壓電薄膜的電荷泄露及其需要不斷地從壓電薄膜電極表面輸出電荷，這種 方法只能用來測量動態(tài)響應(yīng)。對于處在風(fēng)、浪、流等低頻載荷狀態(tài)下的船舶與海洋結(jié)構(gòu) 物，應(yīng)用這種方法是非常困難的；三、由于壓電薄膜的表面鍍有電極，所以測得的結(jié)果 只能是壓電薄膜覆蓋范圍的平均值。如果需要在一個(gè)小范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)檢測，那么在每 個(gè)測量點(diǎn)都要分別粘貼壓電薄膜。如何克服以上幾點(diǎn)不足，還需進(jìn)一步深入研究。 在國外方面，也有一些學(xué)者利用和上述類似的方法來測量結(jié)構(gòu)表面的動態(tài)應(yīng)變以及 損傷監(jiān)測。1 9 9 3 年，e g a s h i r a 和s h i n y a 在篇論文中提出另外一種不需要閉合回路測量 壓電薄膜表面電荷的方法【1 2 】。這種方法是通過非接觸式靜電電壓表直接測量p v d f 表面電荷，探頭離被測表面的距離只有幾個(gè)毫米，輸出電壓和壓電薄膜的應(yīng)變成線形關(guān) 系。這種方法的好處是無需在p v d f 壓電薄膜表面上連接導(dǎo)線，測量靈敏度更高。我系 基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究 劉剛老師在日本廣島大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，全心致力于p v d f 壓電薄膜的傳感特性研 究【1 3 1 。尤其是在非接觸式測量方式原有研究的基礎(chǔ)上，在如何縮小測量范圍和提高精度 方面做了大量工作。現(xiàn)在的方法可以測量到l 平方毫米范圍內(nèi)的應(yīng)變平均值，在實(shí)驗(yàn)室 的測量精度可以達(dá)到5 以內(nèi)。并用這種方法來測量裂紋尖端附近的應(yīng)力分布以及估算 裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子1 1 4 1 。但是到目前為止，對于非接觸式測量研究還主要局限在對裸露 的、單片p v d f 壓電薄膜的輸出電壓進(jìn)行測量。當(dāng)測量結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變時(shí)，至少需要在兩 個(gè)互相垂直的方向分別粘貼兩枚p v d f 壓電薄膜才能的到平面內(nèi)的兩個(gè)正應(yīng)變。如果還 需要得到平面內(nèi)的剪應(yīng)變，則需要粘貼三枚壓電薄膜，其粘貼位置和多軸電阻應(yīng)變片( 應(yīng) 變花) 非常相似。另外，對于裸露的p v d f 壓電薄膜，雖然其具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌 性，對濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)出很高的壓電穩(wěn)定性，但要在無保護(hù)的情況下，直接 應(yīng)用到處于復(fù)雜、惡劣環(huán)境的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)，仍然具有一定的難度。 1 1 2 課題的研究意義 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)昂貴，特別是與陸地結(jié)構(gòu)相比，它所處 的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣。材料老化、構(gòu)件缺陷和機(jī)械損傷以及裂紋擴(kuò)展的損傷積累 等不利因素都將影響結(jié)構(gòu)的服役安全度和耐久性。目前，大型有限元數(shù)值分析軟件以及 疲勞斷裂理論已經(jīng)發(fā)展到非常成熟的程度，但是由于難以準(zhǔn)確的獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的外載 荷、實(shí)際損傷與變形數(shù)據(jù)，他們只能用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而很難用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的安全診斷。 因此對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)交和裂紋損傷進(jìn)行監(jiān)測是保障結(jié)構(gòu)安全性的重要手段之 一。近年來，隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的提出，聚偏二氟乙烯( 簡稱p v d f ) 壓電薄膜優(yōu)越 的傳感性能引起了用其作為力學(xué)量傳感的研究熱點(diǎn)，如用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、智能結(jié)構(gòu)與 系統(tǒng)、各種力學(xué)傳感器等。 對于結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量，電阻應(yīng)變片已被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)際中。但是，在用于船舶 與海洋結(jié)構(gòu)物時(shí)，電阻應(yīng)變片存在著以下一些缺點(diǎn)：一、在粘貼電阻應(yīng)變片以前，必須 清除結(jié)構(gòu)被測位置表面的油漆涂層，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且影響結(jié)構(gòu)表面的防腐和外觀； 二、電阻應(yīng)變片需要連接導(dǎo)線并加以細(xì)致地固定和維護(hù)，當(dāng)進(jìn)行多點(diǎn)測量以及距離測量 位置較遠(yuǎn)時(shí)，工作量往往很大；三、電阻應(yīng)變片易受腐蝕，使用壽命短，信號處理系統(tǒng) 復(fù)雜，不適合長期的粘貼在結(jié)構(gòu)物表面進(jìn)行長期的監(jiān)測。因此很有必要發(fā)展一種更適合 船舶與海洋結(jié)構(gòu)物應(yīng)用的應(yīng)變傳感技術(shù)。對于結(jié)構(gòu)局部損傷檢測，已經(jīng)發(fā)展了許多無損 檢測技術(shù)，如超聲波檢測法、電磁檢測法、電渦流檢測法以及射線檢測法等等。然而， 這些技術(shù)所需的儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，實(shí)際數(shù)據(jù)的解釋還需要專業(yè)人員，有的目前還主要 局限在實(shí)驗(yàn)室研究階段，所以這些方法應(yīng)用于實(shí)際的船舶與海洋結(jié)構(gòu)是很不方便的 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 p v d f 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測方面具有多項(xiàng)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)損傷檢測領(lǐng)域具有廣 闊的應(yīng)用空間。測量埋藏在油漆涂層下的p v d f 輸出電壓的測量方法對結(jié)構(gòu)的損傷檢測 具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義，該方法操作簡單，能夠節(jié)省大量的人力物力。 另外，非接觸式靜電電壓表和p v d f 一些特殊的性質(zhì)使得p 、，d f 的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣 闊。小面積p v d f 和按照特定方式組合的p v d f 等在對結(jié)構(gòu)物迸行局部應(yīng)力測量和減少 測量工作兩方面有突出的意義。 綜上，p v d f 在結(jié)構(gòu)損傷檢測領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間，對p v d f 應(yīng)用于這一領(lǐng)域 的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。 1 2 本文的研究內(nèi)容 本文對p v d f 各方面的性能進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。 首先，對購置的p v d f ( 錦州科信) 進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，使p v d f 能夠作為標(biāo)準(zhǔn)壓電 傳感元件對結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行測量。 其次，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了p v d f 埋藏在油漆涂層下仍然能夠測量到電壓信號，并且油 漆涂層的厚度變化對于測量結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì)。這一性質(zhì)使得p v d f 應(yīng)用于 對船舶與海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行無損檢測成為可能，并且具有其他測量方式缺乏的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn) 進(jìn)步設(shè)想將埋藏于油漆涂層下的p v d f 應(yīng)用于水下測量領(lǐng)域，但是，由于水下環(huán)境的 特殊性，應(yīng)用這一技術(shù)還有較多的困難需要解決。 第三，根據(jù)p v d f 的特殊性質(zhì)，創(chuàng)新采取了特定的p v d f 組合形式，實(shí)現(xiàn)了只測量 一個(gè)電壓值就能得到一個(gè)單向應(yīng)力應(yīng)變值。應(yīng)用這一技術(shù)，大大節(jié)省了測量工作量，節(jié) 省測量資源。 第四，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了一種將p v d f 應(yīng)用到測量構(gòu)件小范圍應(yīng)力應(yīng)變得測量 方法。該方法操作簡便，對于應(yīng)力分布復(fù)雜環(huán)境的測量具有現(xiàn)實(shí)意義。 最后，提出了一種應(yīng)用p v d f 壓電薄膜測量結(jié)構(gòu)表面裂紋深度的實(shí)驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn) 是簡單易行、便于操作，非常適合工程應(yīng)用。為了證明該方法的可行性及測量精度，本 文做了以下幾方面工作： ( 1 ) 該方法的一個(gè)關(guān)鍵之處是建立起結(jié)構(gòu)表面裂紋張開位移和裂紋深度之間的關(guān) 系。文中根據(jù)無限體埋藏裂紋表面法向位移間斷的解析解，通過邊界效應(yīng)處理，把解析 解從無限體埋藏裂紋引申到有限體表面裂紋，為該方法建立了理論基礎(chǔ)。 ( 2 ) 應(yīng)用有限元法，建立了一系列三維表面裂紋模型，用裂紋張開位移數(shù)值解代替 真實(shí)測量值估算裂紋深度，計(jì)算結(jié)果及相對誤差表明文中推導(dǎo)的關(guān)系式以及計(jì)算程序合 理、可靠。 基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究 ( 3 ) 制作了帶有半橢圓表面裂紋的平板試件，通過實(shí)驗(yàn)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明該方法具有較高的測量精度，適合在工程上推廣使用。 i z h a n gh ，g a l e asc ，c h i u k f l u c t u a t i n g s t r a i n - m e a s u r i n g | f a t e r s t r u c t 1 9 9 3 ：2 ：2 0 8 - 2 1 6 參考文獻(xiàn) _ e t c a n i n v e s t i g a t i o no ft h i np v d ff i l m sa s a n d d a m a g e - m o n i t o r i n g d e v i c e s s m a r t 2 l u o x ，h a n a g u ds p v d ff i l ms e n s o ra n di t sa p p l i c a t i o n si nd a m a g ed e t e c t i o n j o u r n a lo f a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g 1 9 9 9 ；2 3 3 0 3 】具典淑，周智，歐進(jìn)萍p v d f 壓電薄膜的應(yīng)變傳感性研充功能材料，2 0 0 4 ，3 5 ( 4 ) ：4 5 0 6 4 】具典淑，周智，歐進(jìn)萍基于p v d f 的金屬構(gòu)件裂紋監(jiān)測研究，壓電與聲光，2 0 0 4 ，2 6 ( 3 ) ：2 4 5 8 5 】王代華，周德高，劉建勝等p v d f 壓電薄膜振動傳感器及其信號處理系統(tǒng)，壓電與聲光，1 9 9 9 2 1 ( 2 ) ：1 2 2 6 6 劉建勝，汪同慶，王貴新等。p v d f 傳感器實(shí)現(xiàn)斜拉橋橋索張力在線監(jiān)測，傳感器技術(shù)，2 0 0 2 ， 1 2 ：3 - 1 2 7 劉劍飛，胡時(shí)勝，p v d f 壓電計(jì)在低阻抗介質(zhì)動態(tài)力學(xué)性能測試中的應(yīng)用，爆炸與沖擊，1 9 9 9 ，2 1 ( 2 ) ：1 2 2 - 6 8 朱志偉，姜哲，王術(shù)新用p v d f , 挎感器測量粱的振動功率流，江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) ，2 0 0 2 。 2 3 ( 5 ) ：3 9 4 3 9 趙洪平，葉琳，陸中琪。p v d f 壓電薄膜在應(yīng)力波測量中的應(yīng)用，力學(xué)與實(shí)踐，2 0 0 4 。2 6 ：3 7 - 4 1 1 0 s m i t ha l ，m a cd l d y n a m i cs t r a i nm e a s u r e m e n tu s i n gp i e z o e l e c t r i cp o l y m e rf i l m j s t r a i na n a l 1 9 9 6 ：3 1 ：4 6 3 - 5 1 1 e g a s h i r a 鞏s h i n y an l o c a ls t r a i ns e n s i n gu s i n gp i e z o e l e c t r i cp o l y m e r ji n t e l lm a t e r s y s ts t r u c t 1 9 9 3 ：4 ：5 5 8 6 0 0 1 2 k a t s u m ik ，b i w as ，m a t s u m o t oe ，s h i b a t at m e a s u r e m e n to fs t a t i cs t r a i nd i s t r i b u t i o n u s i n gp i e z o e l e c t r i cp o l y m e rf i l m ( p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nt oah o l e dp l a t e ) s 0 1 i d m e c h a n i c sa n dm a t e r i a le n g i n e e r i n g , s e r i e saj s m ei n t e r n a t i o n a lj o u r n a l 1 9 9 9 ：4 2 ( 1 ) ：1 1 1 6 1 3 l i ug ，f u j i m o t oy ，s h i n t a k ue ，e t c a p p l i c a t i o no fp v d ff i l mt os t r e s sm e a s u r e m e n t o fs t r u c t u r a lm e m b e r j o u r n a lo ft h es o c i e t yo fn a v a la r c h i t e c t so fj a p a n 2 0 0 2 ：1 9 2 ：5 9 1 5 9 9 1 4 】l i ug ，f u j i m o t oy ，t a n a k ay e t c s t r e s si n t e n s i t yf a c t o rm e a s u r e m e n to fc r a c k su s i n g p i e z o e l e c t r i ce l e m e n t j o u r n a lo fm a r i n es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，v 0 1 9 ( 2 ) ：6 3 6 9 1 5 f u j i m o t oy ，s h i n t a k ue jt a n a k a , y ，l i ug s t r e s sm o n i t o r i n go fc o a t e ds t r u c t u r a lm e m b e r s u s i n gp v d ff i l m ，n o n - d e s t r u c t i v et e s t 2 0 0 3 ：5 2 ( 1 2 ) ：7 0 3 7 0 8 1 6 r e e sd ，c h i u 瓤，j o n e sr an u m e r i c a ls t u d yo fc r a c km o n i t o r i n gi np a t c h e ds t r u c t u r e s u s i n gap i e z o e l e c t r i cs e n s o r s m a r tm a t e r i a ls t r u c t u r e s 1 9 9 2 ：i ：2 0 2 - 2 0 5 一 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 7 】g a l e ss c , c h i uw e ，p a u lj j u s ef op i e z o e l e c t r i cf i l m si nd e t e c t i n ga n dm o n e t o t i n g d a m a g ei nc o m p o s i t e s i n tjo fi n t e l l i g e n tm a t e r i a ls v s t e m sa n ds t r u c t u r e s 1 9 9 3 ：4 ：3 3 0 3 3 6 1 8 】y i nl ，w a n gx m , s h e n1 f p d a m a g e - m o n i t o r i n gi nc o m p o s i t el a m i n a t e sb yp i e z o e l e c t r i c f i i m s c o m p u t e r sa n ds t r u c t u r e s 1 9 9 5 ：5 9 “) ：6 2 3 - 6 3 0 1 9 】李青山，久保司郎，阪上隆英等。用壓電材料進(jìn)行損傷鑒別的理論與數(shù)值分析，力學(xué)分析，2 0 0 1 。 3 3 ( 3 ) ：4 1 5 - 4 2 2 5 一 基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究 2 壓電方程及p v d f 的標(biāo)定 2 1 壓電方程 壓電方程表征的是壓電傳感元件電行為與力學(xué)行為之間的聯(lián)系。 對于p v d f ，當(dāng)取應(yīng)變毛 = 1 ，2 ，3 ，6 ) 和電場強(qiáng)度e ，( ，= 1 ，2 ，3 ) 為自變量時(shí)，“e ” 型壓電方程為“1 c = 一巳z e + 毛( 丑= l ，2 ，3 ，6 ) ( 2 1 ) p = 乃+ 氣毛9 = 1 ，2 ，3 ) ( 2 2 ) 上式是壓電方程的張量表示形式，下標(biāo)數(shù)字1 、2 、3 分別與坐標(biāo)軸x 、y 、z 對應(yīng)。式中吒 為應(yīng)力；d f 為電位移；唬為電場強(qiáng)度為零( 或常數(shù)) 時(shí)的彈性剛度常數(shù)；：為應(yīng)變?yōu)?零時(shí)的介電常數(shù)，即受夾介電常數(shù)；為壓電應(yīng)力常數(shù)，是一個(gè)三階張量。 圖2 i 壓電薄膜坐標(biāo)系 f i g 2 1c o o r d i n a t es y s t e mo f p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l p v d f 壓電薄膜通常只有幾十微米厚，如圖2 i 所示，當(dāng)用i 一軸和3 一軸分別表示壓 電薄膜的拉伸方向( s t r e t c hd i r e c t i o n ) 和沿著厚度的極化方向時(shí)，彈性剛度常數(shù)。蹉和壓 電應(yīng)力常數(shù)可以分別表示為 00o ooo 0o0 ooo ooo 硝0 0 0 磷0 0 0 ( 2 3 ) 磁磷o(hù)罐o 醋磷磷。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 耋 - 匱；曼 差 + 菱菱菱 仨 c 2 渤 薈 = 要莖曩 莖 + 三墨曼 差 c ：m o - 3 = - - e 3 3 島+ 磷毛+ 磋島+ s ：毛- - - 0 ( 2 7 ) 馬= 鯔盤醬產(chǎn) 泣， 舯6 l = 紫 基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究 6 2 = 錯 顯然，島、島和薄膜的厚度及壓電常數(shù)相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，島和島的值可以通 過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到。 當(dāng)需要測量結(jié)構(gòu)表面的面內(nèi)應(yīng)變時(shí)，僅在一個(gè)方向粘貼壓電薄膜是不夠的。我們通 常在測量位置粘貼兩枚壓電薄膜來測量兩個(gè)方向的正應(yīng)變q 、占，要求兩枚薄膜的拉伸 方向( 卜軸方向) 必須相互垂直。如圖3 所示，p v d f 的細(xì)線方向表示薄膜的拉伸方向。 如果還需要測量面內(nèi)剪應(yīng)變，則需要再粘貼一枚拉伸方向和另外兩枚成4 5 4 夾角的壓 電薄膜。 圖2 2p v d f 壓電薄膜的粘貼方向 f i g 2 2p v d ff i l m sa r ea d h e r e di nt h r e ed i r e c t i o n s 假設(shè)從三枚薄膜上測得的電壓分別為吒、巧和，根據(jù)彈性力學(xué)方程可以得到 又因?yàn)?臥 島島 魂島 島+ 6 26 l + 6 2 22 o o 島一6 2 2 ( 2 1 2 ) 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 = 圭( 吒一嗎) = 去h 一峨) 島= 掣勺 可以得到輸出電壓與應(yīng)力的關(guān)系式 2 2p v d f 標(biāo)定實(shí)驗(yàn) 臥 2 2 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 ( 1 ) 島津疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) 口1 口2 口l + 啦 2 兇 q 魚生 2 o o q 一吒 圖2 3 疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī) f i g ，2 3f a t i g u e l e s tm a c h i n e 9 - ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 、l，j t q q ，j【 基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的施加外力試驗(yàn)機(jī)為日本島津公司生產(chǎn)的島津電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，其系 統(tǒng)由液壓泵、水冷機(jī)組、穩(wěn)壓閥、變壓器、主機(jī)、u p s 穩(wěn)壓電源、4 8 9 0 控制裝置、微機(jī) 組成，結(jié)構(gòu)圖如圖2 3 所示： 系統(tǒng)特點(diǎn)主要有：采用微機(jī)全數(shù)字式伺服控制，試驗(yàn)設(shè)定和結(jié)果分析全部由微機(jī)操 作，大大簡化試驗(yàn)流程；伺服作動器和負(fù)荷傳感器精度高，保證了試驗(yàn)精度；具備完備 的報(bào)警和應(yīng)急操作功能；試驗(yàn)結(jié)果可通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給直接發(fā)送給試驗(yàn)人員，可以實(shí)現(xiàn)試 驗(yàn)過程的無人值守；配套設(shè)施完善，升級能力強(qiáng)。 ( 2 ) 靜電電壓表測試系統(tǒng) ( a ) 圖2 4 靜電電壓表及原理圖 f i g 2 4t h em c a s u r c i n c n tp r i n c i p l eo f t h ee l e c t r o s t a t i cv o l t m e t e r 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 試驗(yàn)采用的靜電電壓表由一個(gè)電壓表和傳感電極探頭組成，如圖2 2 ( a ) 所示。其 測量原理采用的是z i s m a n 在1 9 3 2 年所發(fā)表的k e l v i n 振動電容感應(yīng)探頭，當(dāng)此探頭的振 動方向與被測表面垂直，且感應(yīng)出電流的大小與振動的幅度。如圖2 2 ( b ) 所示：h 為 粘貼在試件上的p v d f 壓電薄膜發(fā)生變形產(chǎn)生的電壓信號，k 為靜電電壓表探頭隨p v d f 壓電薄膜電壓信號產(chǎn)生的相等的電壓信號，c 為探頭與p v d f 壓電薄膜之間產(chǎn)生的電容 值?？梢园裵 v d f 壓電薄膜看作一個(gè)靜電荷發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容，其電容量 c 為 e ：譬：g r 占o(jì) $ ( 2 1 5 ) 1 hh 其中：s 是p v d f 壓電薄膜有效面積。h 是p v d f 壓電薄膜厚度，p 是p v d f 壓電 薄膜的介電常數(shù)，f ，是p v d f 壓電薄膜的相對介電常數(shù)，乞是真空介電常數(shù)， ( 3 ) p v d f 壓電薄膜力學(xué)傳感器 p v d f 壓電材料有四種晶型，其中，a 型為非極性晶體，一般未經(jīng)過拉伸，不具有 壓電特性。當(dāng)a 型p v d f 壓電材料經(jīng)過拉伸，其拉伸長度超過初始長度的四倍時(shí)，材料 轉(zhuǎn)化為p 型為主的分子材料，將其加溫定型，再置于高壓電場中極化后，其將具有壓電 特性，即當(dāng)p v d f 壓電薄膜受到外力將在上下兩個(gè)表面產(chǎn)生電勢差，這種情況叫做正壓 電效應(yīng)；反之，將p v d f 壓電薄膜置于電場中，p v d f 壓電薄膜將產(chǎn)生變形，叫做逆壓 電效應(yīng)。 p v d f 壓電薄膜作為一種性能穩(wěn)定的柔性壓電材料具有以下主要優(yōu)點(diǎn)“4 1 ：( 1 ) 質(zhì) 輕柔軟，對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很小，與結(jié)構(gòu)有著良好的兼容性，可制作成各種形狀的大 面積傳感元件鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行面監(jiān)測：( 2 ) 電壓靈敏度高，便于信號采集與處理： ( 3 ) 具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，對濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)出很高的壓電穩(wěn)定性：( 4 ) 屬于動態(tài)敏感材料，對于機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化響應(yīng)快速，便于測量沖擊荷載引起的變 形：( 5 ) 具有相當(dāng)寬的頻率范圍，能達(dá)n o 1 h z 到幾個(gè)g h z ；( 6 ) p v d f 傳感器布置簡 便，對外界設(shè)備要求較少：( 7 ) 成本低 p v d f 壓電薄膜作為一種傳感器時(shí)，壓電薄膜的加工和粘貼有較高的要求，加工步 驟與電阻應(yīng)變片的粘貼相似，其具體流程主要有：切割、打磨、清潔、標(biāo)識、加載和測 量。 切割 購置的p v d f 壓電薄膜要加工成需要的形狀必須經(jīng)過切割：首先，在p v d f 壓電薄 膜上作圖，準(zhǔn)確得畫出需要切割下的部分；其次，用刻刀沿劃線準(zhǔn)確的切割，锝到所需 基于壓電薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與損傷檢測研究 的p v d f 壓電薄膜：最后，在切割下的p v d f 壓電薄膜上標(biāo)出p v d f 壓電薄膜的拉伸方 向以及上下表面，以免清潔p v d f 壓電薄膜時(shí)，將標(biāo)識清除。 打磨、清潔 首先將試件表面粘貼p v d f 處的漆層、油污、銹斑等清除干凈。然后用紗布打出光 澤，對過于光滑的加工表面，用紗布打出與外力方向軸線成4 5 。的交叉紋路，以增強(qiáng)粘 結(jié)力，再用丙酮( 或酒精) 浸過的脫脂棉簽擦洗，直至棉球上不見污跡。將p v d f 壓電 薄膜沒有標(biāo)識的表面用丙酮( 或酒精) 浸過的脫脂棉簽擦洗，作為與試件粘貼的表面。 標(biāo)識 為使測量結(jié)果精確，p v d f 壓電薄膜的粘貼必須準(zhǔn)確，我們需要在試件上畫出正確 的粘貼位置。 粘貼 先在試件需要粘貼的位置上涂一層薄而勻的膠，用鑷子將p v d f 壓電薄膜放上并調(diào) 好位置，然后蓋上氟塑料薄膜，用手指滾壓，擠出多余的膠，并排出氣泡，使p v d f 壓 電薄膜與構(gòu)件完全貼合。然后，輕輕取下氟塑料薄膜，并用刻刀清理試件上多余的膠， 用丙酮( 或酒精) 浸過的脫脂棉簽輕輕擦洗p v d f 壓電薄膜表面，注意不要清洗p v d f 壓電薄膜的邊沿，以免造成粘貼不牢。 2 2 2p v d f 布置 ill 一渤：刪一llll l 圖2 5p v d f 布置和實(shí)驗(yàn)試件 f i g 2 5p v d ff i l m sa r r a n g e m e n ta n ds p e c i m e nf o re x p e r i m e n t 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 實(shí)驗(yàn)采用普通2 3 5 號鋼板作為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)件，