項目報告-高應(yīng)變研究

研究目的和意 傳感器預(yù)壓應(yīng)力施加技術(shù)研 預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)方 預(yù)緊圓環(huán)研究與設(shè) 預(yù)應(yīng)力傳感器設(shè) 小 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器安裝技術(shù)研 應(yīng)變傳遞研 應(yīng)變傳遞理論模 應(yīng)變傳遞影響因素分 結(jié)構(gòu)、膠層、傳感器應(yīng)變傳遞理論模型驗證實 膠層對Lamb波信號的影響分 簡單高效的膠層粘接厚度控制技術(shù)研 小 傳感器應(yīng)變承受能力測試技 傳感器應(yīng)變承受能力測試實驗平 膠層厚度對傳感器應(yīng)變承受能力影響測試實 膠層彈性模量對傳感器應(yīng)變承受能力影響測試實 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)域Lamb波特性研 小 適用于結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)域的新型傳感器封裝技 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布設(shè)技 壓電傳感器新材料研 結(jié) 參考文 器結(jié)構(gòu)的性能或破壞。無論是金屬還是復(fù)合材料的飛行器結(jié)構(gòu)，損傷通常發(fā)生在不易觀察的隱藏部位給檢測帶來特別是著飛行器結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化[1]損傷模式更雜多樣，且不易從表面觀察到。如果這些損傷在產(chǎn)生的初期不能被及時發(fā)現(xiàn)，就可能導(dǎo)致突發(fā)性破壞。通過使用以永久安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Struturlhlthmonitoring,S)低成本的性創(chuàng)新技術(shù)[2]波音公司在多個機(jī)型(包括oing787)上探索SM在結(jié)構(gòu)微SM0、、、0等型號上實現(xiàn)[3]。飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一個關(guān)鍵因素是先進(jìn)傳感技術(shù)及其系統(tǒng)。國內(nèi)外學(xué)者對包括光纖傳感、壓電傳感、電磁傳感、無線傳感系統(tǒng)、ES4,5]-331800個傳感器，用來完成機(jī)上系統(tǒng)健康狀態(tài)信息的獲取[6]。Pror等[7](2004比較了不同類型傳感器()在航天器上應(yīng)用的優(yōu)缺點。壓電傳感器由于其靈敏度高控制系統(tǒng)簡單且能同時用作主動與監(jiān)測可實現(xiàn)不同類型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)(如基于振動法[8]、基于波法[9]和基于阻抗法[10])，從而被廣泛采用。基于波法的代表性的工作是斯坦福大學(xué)研發(fā)的壓電智能夾層傳感器網(wǎng)絡(luò)[11,12]，目前已在飛行器上進(jìn)行了超聲導(dǎo)波健康監(jiān)測技術(shù)的驗證。NASALangley中心目前正在研究基模態(tài)聲波，同時也在研究基于自然界仿生的傳感器連接方式使數(shù)據(jù)獲取硬件最小化，并提NASALangley中心Learjet25機(jī)身結(jié)構(gòu)和C-17機(jī)和載荷變化影響，在飛行環(huán)境下應(yīng)用SHM的可靠性還有待提高[1415]。Lim等[16](2011)為了提高Kernel的主元分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，并在機(jī)身和機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)處的螺栓松動監(jiān)測試驗中進(jìn)行了驗證。Annamdas和Radhika[10](2013)綜述了基于阻抗的SHM技術(shù)在金屬和非金屬結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。盡管SHM技術(shù)取得了長足進(jìn)步但數(shù)健康監(jiān)測和損傷檢測系統(tǒng)在航空航天工業(yè)上SM傳感系統(tǒng)的適應(yīng)性耐久性和診斷結(jié)果的可靠性提出了嚴(yán)峻飛機(jī)服役環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣對壓電傳感的選擇、設(shè)計和操作以適應(yīng)這種獨特的環(huán)境提出了嚴(yán)峻。用于航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓電傳感器一般包括壓電陶瓷傳感器(又分為單晶和多晶兩種類型)、高分子壓電傳感器(如聚乙烯聚合物，PF)和復(fù)合壓電傳感器(PFPZT復(fù)合)過極化處理。由于壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)以及良好機(jī)電耦合品質(zhì)，既可作為傳感器，又可作為驅(qū)動器，廣泛用于主動式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)(如基于振動法[8]、基于波法[9]和基于阻抗法[10])，從而被廣泛采用。通過使用以永久安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structuralhealthmonitoring,SHM)是確保飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計先進(jìn)性、確定結(jié)構(gòu)完整性和耐久性、提高服役安全性和20GPa40GPa1000m通過給傳感器施加適當(dāng)預(yù)緊力使傳感器在安裝之前就產(chǎn)生250

50%2500m25%120℃，則由于空心圓環(huán)的熱膨脹效應(yīng)使得壓電晶片能夠恰好置25環(huán)內(nèi)壁會對壓電晶片施加一定的壓縮應(yīng)力；器對Lamb波信號的激勵和接收，并且建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型[17-19]EdwardF.Crawley等人[17]建立了傳感器、有限厚度的膠層和基底結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，主要用來分析傳感器激勵信號時，應(yīng)變的傳遞過程。VictorGiurgiutiu等人[20]進(jìn)行了類似的工作，建立剪力滯后理論膠層上的剪應(yīng)要分布在邊緣位置MaziarMoradi[21]利用相同的方法對MEMS壓電傳感器監(jiān)測系統(tǒng)一般如圖1所示，傳感器通過膠粘劑永久粘貼到監(jiān)測結(jié)構(gòu)上。傳感器與基底結(jié)構(gòu)粘接的問題都是三維實體問題，但此類問題很難進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)分析，所以通過一Lmb的載荷通過膠層傳感器到待測結(jié)構(gòu)上；作為使用時，膠層將基底結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳遞給傳感器。膠監(jiān)測結(jié)圖12所示的單元體進(jìn)行分析，在外載荷的作用下，基底結(jié)構(gòu)受到的拉應(yīng)力為b，膠層通過純剪切的作用，將應(yīng)變傳遞到傳感器上。由于將[21]（1）（2）（3）（4）（5）（6）數(shù)值分析以及建模過程中涉及到的符號以及取值在表1圖2表1符 含 取 傳感器半 傳感器厚 傳感器彈性模 膠層厚 膠層彈性模 基底結(jié)構(gòu)厚 基底結(jié)構(gòu)彈性模 基體結(jié)構(gòu)和PZT傳感器只產(chǎn)生水平位移ub和up，根據(jù)彈性力學(xué)連續(xù)性假設(shè)和位移與應(yīng)變之間的關(guān)系，可以得到則基體結(jié)構(gòu)和PZT傳感器的應(yīng)變分別為[17]dub

dup,up

Bernoulli-Eulerdp

0,dbb

其中，α與應(yīng)變的分布情況有關(guān)，此處為均勻拉伸，2。pEpp,

Ebb,

Ga

由于pba，所以將式子（6-3）帶入式子（6-2）EdpGaupua H Ha d Gu a

a

對上面的式子進(jìn)行求導(dǎo)，消去up和uaE

p

Hp E a b

Hb

d

ppp

d

d

b

db0b

其中，和2

(1

Ep

B

BxBsinhx

cosh 1

b

1

1

xl/2處，pd31V/hpd31為壓電材料的壓電常數(shù)，由于我們只考慮水平方向的應(yīng)變，所以這里我們只需要考慮d31，即徑向伸縮式的傳感器。而基底結(jié)構(gòu)由于外載荷的作用存在非零的應(yīng)變，所以問題的邊界條件如下所示。

pd31V/hp,bxl dV/h,

B （d31V,

B0,

(d31V)

()cosh GaEa(d31V)sinh Gp cosh

coshx coshl b

()cosh

coef

1coshl

1中給定的數(shù)值，同時給定邊界條件13結(jié)構(gòu)和傳感器上的應(yīng)變分布情況，將傳感器上的應(yīng)變值除以基底結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值，就得到如圖圖3圖434可以直觀的看出，傳感器上的高應(yīng)變區(qū)域主要集中在中心部位，這個區(qū)域的 圖55的結(jié)果來看，膠層的厚度、彈性模量，以及傳感器的尺寸和彈性模量都會對傳感器有限元模型，比較準(zhǔn)確的分析應(yīng)變的傳遞情況。因此，我們分別結(jié)合與ABAQUSABAQUS軟件提供了強(qiáng)大的線性和非線性有限元模擬功能，幫助我們更直觀的分析和認(rèn)識料參數(shù)如表2所示。表2尺寸彈性模量5部區(qū)域的有限元模型，如圖6所示。條件，XX方向位移，Y軸一個側(cè)面約束YZ方向位移，同時在基底結(jié)構(gòu)X方向的右端施加位移載荷，從而使基底產(chǎn)生均勻的X方向位移場。（C3D86ABAQUS222228570.78圖6圖7LE110，與理論分析結(jié)果一致。圖8（6-14，應(yīng)變傳遞效率的表達(dá)式軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計算功能，ABAQUS計算得到的結(jié)果相對比。Chopra（2000）也進(jìn)行了類似的探討，他們都從數(shù)值分析上得出了剪力滯后系數(shù)。剪力滯后效應(yīng)在結(jié)構(gòu)工程中是一個普遍存在的力學(xué)現(xiàn)象小至一個構(gòu)件大至一棟層建筑都會有Maziar等人對粘貼到結(jié)構(gòu)表面的微電子系統(tǒng)應(yīng)（MEMS）變傳感器的應(yīng)變傳遞情況進(jìn)行了響，所以在分析時，每次只改變單一變量的取值范圍，以得到各個參數(shù)的。ABAQUS0.02mm~0.2mmS作為當(dāng)前厚度膠層的應(yīng)變傳遞效率。同時利用前面的應(yīng)變傳遞效率公式，計算不同厚度時的傳6-66-7所示。增加將導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率的降低，相同厚度時，ABAQUS計算的結(jié)果小于理論分析的結(jié)果。導(dǎo)圖910不同膠層厚度時傳感器上的應(yīng)變分布（25m、50m、100m導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率的改變同樣利用ABAQUS和 控制膠層的彈性模量在1GPa到10GPa之間取值，分析膠層彈性模量對應(yīng)變傳遞效率的影響。還是ABAQUS，兩者的計算結(jié)果都表明傳遞效率隨著膠層彈性模量的增大而增大，而 計算結(jié)果相對ABAQUS偏大6-9可以看出，隨著膠層彈性模量的增加，高應(yīng)變區(qū)域越來越116-9圖12圖13不同傳感器厚度時傳感器上的應(yīng)變分布（0.4mm、0.6mm、遞系數(shù)的影響較大當(dāng)傳感器厚度為0.2mm無論是理論分析結(jié)果還是ABAQUS計算結(jié)果，應(yīng)變的傳遞系數(shù)都比較大，為0.6~0.7。當(dāng)傳感器的厚度增加到1mm后，應(yīng)變傳遞系數(shù)迅速降低到0.3~0.4。但根據(jù)ABAQUS計算結(jié)果顯示，當(dāng)傳感器厚度達(dá)到0.6mm以后，應(yīng)變傳遞效率降圖14圖156-1420GPa70P。從分析結(jié)果來看，此時應(yīng)變的傳遞%90P0.55%左右的應(yīng)變。圖1617不同彈性模量時傳感器上的應(yīng)變分布（40GPa、60GPa、100GPa6-15所示。所以為了充分發(fā)揮傳感器承受高應(yīng)變的能力，應(yīng)選擇較低彈性模量的材料，同時提ABAQUS和數(shù)值計算軟件對該問題進(jìn)行了分析0.6mm后應(yīng)變基本維持不變；4mm后基行為膠層在拉升方向的邊緣處會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況導(dǎo)致膠層損壞或是脫粘所以面理以及近些年出現(xiàn)的新型光線應(yīng)變傳感器測量法，如圖18所示[22]。機(jī)械電測光測

雙杠桿應(yīng)變接觸式千分表應(yīng)變手持式應(yīng)變儀等其他方壓電式、電容式等其他方光彈激光散斑法云紋法數(shù)字圖像相關(guān)方其他新方法：光纖應(yīng)變傳感器圖18電測法中的電阻應(yīng)變計時一種成應(yīng)用范圍最為廣泛的應(yīng)變測量方法距今已有60多為電阻然后輸入專門的儀器表進(jìn)行分析電阻應(yīng)變計簡稱為應(yīng)變計或應(yīng)變片一般由敏率和安裝應(yīng)變計處構(gòu)件的應(yīng)變a）1；b）1%；c）0~2104由于傳感器上的應(yīng)變值很小，沒有達(dá)到1000

驗方案選擇應(yīng)變片和光纖傳感器同時進(jìn)量。其中應(yīng)變片選擇的是黃巖測試儀器廠生產(chǎn)BX120-0.5AA3mm*2.5mm為了使傳感器承受高應(yīng)變的載荷環(huán)境，實驗中選擇了如圖19所示的試件，總體尺寸為400mm*50mm，厚度3mm，材料為2024試件上表面等間隔布置6個傳感器間距為35mm，55個傳感器，高應(yīng)變區(qū)域上下表面的傳感器對稱分布，在非高應(yīng)變區(qū)域布置一個傳感器，進(jìn)行Lamb波信號的激勵，同一側(cè)內(nèi)的其余傳感器進(jìn)行Lamb波信號的33個試件。圖19到不同應(yīng)變等級下應(yīng)變的傳遞情況，所以每隔500m進(jìn)行一次加載和，得到傳感器和鋁板的應(yīng)變，以及傳感器的阻抗信號和Lamb波信號，用于后面的分析。25m。試驗拉伸機(jī)如圖所示，膠層對Lamb 檢查傳感器是否出現(xiàn)脫粘和斷裂的情況；二是利用壓電傳感器到的Lamb波信號對傳感器為了能夠同時快速的對傳感器的阻抗信號和Lamb波信號進(jìn)行，所以需要構(gòu)建一個合適的實驗平臺使得我們可以快速的對多個傳感器進(jìn)行試件選擇3.1.3中制作的試件，在應(yīng)變測量的同時對地面粘貼的5個傳感器進(jìn)行阻抗信號另一面的6個傳感器進(jìn)行LambLamb5個傳感器Scan應(yīng)變，每間隔500

m為當(dāng)鋁板上的應(yīng)變達(dá)到4500

狀態(tài)，進(jìn)行一次信號，同樣在關(guān)閉拉伸機(jī)之后再進(jìn)行一次信號同種環(huán)氧樹脂，5結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)域Lamb波特性研單一傳感器，不同應(yīng)變等級時，Lamb ,"先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天,"復(fù)合材料學(xué)報,vol.24,pp.1-12,卿新林,,and,"結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用,"實驗力學(xué)vol.27,pp.517-526,P.W.H,W.W.C,A.S.G,ande.al.,"StructuralHealthMonitoringSensorDevelopmentatNASALangleyResearchCenter,"inICCESConference,Corfu,Greece,2003.Z.SuandL.Ye,"Sensorandsensornetwork,"inIdentificationofDamageUsingLambWaves,ed:Springer,2009,pp.99-142.K.A.Schweikhard,W.L.Richards,J.Theisen,ande.al,"FlightDemonstrationOfX-33VehicleHealthManagementSystemComponentsOnTheF/A-18SystemsResearchAircraft,"2001.W.H.Prosser,S.G.Allison,S.E.Woodard,ande.al.,"StructureHealthMonitoringforFutureSpaceVehicles,"inProceedingsofthe2ndAustralasianworkshoponstructuralhealthmonitoring,MonashUniv.,Melbourne,Australia,2004.李.張.任.男,"結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的傳感器布置方法及評價準(zhǔn)則,"力學(xué)進(jìn)展,vol.pp.39-50,R.AandC.C.E.S.,"Reviewofguidedwavestructuralhealthmonitoring,"TheShockandVibrationDigest,vol.2,p.23,2007.A.V.G.MandRadhikaMA,"Electromechanicalimpedanceofpiezoelectrictransducersformonitoringmetallicandnon-metallicstructures:Areviewofwired,wirelessandenergy-harvestingmethods,"InligentMaterialandStructuralSystem,vol.24,pp.1021-1042,2013.N.Salowitz,Z.Guo,Y.-H.Li,K.Kim,G.Lanzara,andF.-K.Chang,"Bio-inspiredstretchablenetwork-basedinligentcomposites,"JournalofCompositeMaterials,vol.47,pp.97-105,M.Lin,X.Qing,A.Kumar,andS.J.Beard,"SMARTlayerandSMARTsuitcaseforstructuralhealthmonitoringapplications,"inSPIE's8thAnnualInternationalSymposiumonSmartStructuresandMaterials,2001,pp.98-106.R.B.Owen,A.L.Gyekenyesi,D.J.Inman,ande.al.,"HardwareSpecificIntegrationStrategyforImpedance-BasedStructuralHealthMonitoring,"NASA2011.A.V.G.M,Y.Y,andS.C.K,"Influenceofloadingontheelectromechanicaladmittanceofpiezoceramictransducers.,"SmartMaterialsandStructures,vol.16,pp.1888–1897,2007.F.G.Baptista,D.E.Budoya,V.A.deAlmeida,andJ.A.C.Ulson,"AnExperimentalStudyontheEffectofTemperatureonPiezoelectricSensorsforImpedance-BasedStructuralHealthMonitoring,"Sensors,vol.14,pp.1208-1227,2014.H.J.Lim,M.K.Kim,H.Sohn,andC.Y.Park,"Impedancebaseddamagedetectionundervaryingtemperatureandloadingconditions,"NDT&EInternational,vol.44,pp.740-750,2011.E.F.Crawley