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基于压电薄膜的结构应变与损伤检测研究

作　者: 孙宇
导　师: 黄一；刘刚
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: PVDF压电薄膜油漆涂层应变测量裂纹深度损伤检测
分类号: TP274.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 246次
引　用: 4次
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内容摘要

PVDF压电薄膜是一种智能传感元件，其良好的性能使PVDF压电薄膜在结构损伤检测领域有广阔的发展空间。本文对PVDF压电薄膜的多项性质进行了系统研究，并采用实验方法验证了PVDF压电薄膜性质的准确性。首先，根据压电方程推导了在非接触测量方式下，电压表测量电压和结构表面应变分量之间的关系式，并对购置的PVDF压电薄膜进行了标定实验。其次，针对目前PVDF压电薄膜在船舶与海洋工程结构表面应变传感应用方面存在的一些缺陷，提出一种将压电薄膜保护在结构的油漆涂层下面，并采用非接触式静电电压表检测薄膜表面感应电荷的结构表面应变测量方法。然后，从静电电压表探头的测量原理，分析了探头和被测表面之间的零电场技术，从理论上预测可以对埋藏在油漆涂层下的PVDF压电薄膜进行感应电荷检测。最后在一块平滑钢板试件上粘贴10枚压电薄膜，并进行表面油漆喷涂处理，通过试件单向加载实验，测量油漆涂层下的薄膜表面感应电荷。实验结果表明，覆盖在PVDF表面的油漆涂层有无和不同厚度对电荷信号的采集影响很小，几乎可以忽略不计。该方法在应用上具有可行性和明显的工程意义。第三，为简化操作程序，解决工程实际测量中的实际问题，提出了一种基于压电特性的组合PVDF压电薄膜。这种组合PVDF压电薄膜具有多项优于普通PVDF压电薄膜的特点，能够大幅度节省测量成本。最后，提出了一种利用PVDF压电薄膜来测量结构表面裂纹深度的实验方法。首先，从无限体埋藏裂纹表面法向位移间断的解析解入手，推导了结构表面裂纹张开位移和深度之间的关系表达式，并通过三维有限元数值分析对表达式进行了验证。其次，将PVDF压电薄膜直接粘贴在表面裂纹上，采用非接触式静电电压表测量薄膜表面因裂纹张开位移产生的感应电压，从而反推出裂纹张开位移量，并进一步根据已建立的关系表达式计算表面裂纹深度。本文最后制作了一个表面半椭圆片状裂纹模型，通过实验对提出的测量方法的可行性及精度进行了验证。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 前言  9-14
  1.1 研究背景及意义  9-11
    1.1.1 国内外研究背景  9-10
    1.1.2 课题的研究意义  10-11
  1.2 本文的研究内容  11-12
  参考文献  12-14
2 压电方程及PVDF的标定  14-24
  2.1 压电方程  14-17
  2.2 PVDF标定实验  17-22
    2.2.1 实验设备  17-20
    2.2.2 PVDF布置  20-21
    2.2.3 实验结果及数据处理  21-22
  2.3 本章小结  22
  参考文献  22-24
3 PVDF粘贴在绝缘油漆层下性能测试及应用  24-33
  3.1 油漆涂层对PVDF电压信号测试的影响  24-27
    3.1.1 测量原理  24-26
    3.1.2 油漆涂层厚度对测试电压信号的影响  26
    3.1.3 实验数据及结论  26-27
  3.2 PVDF应用于水下测量  27-31
    3.2.1 实验准备  28-29
    3.2.2 实验部分  29-31
  3.3 本章小结  31-32
  参考文献  32-33
4 组合PVDF  33-40
  4.1 正应变测试  34-35
  4.2 正应力测量  35
  4.3 剪应力和剪应变测量  35-37
  4.4 实验部分  37-38
    4.4.1 实验准备  37
    4.4.2 实验结果  37
    4.4.3 实验结论  37-38
  4.5 本章小结  38-39
  参考文献  39-40
5 应用小面积PVDF测量局部应力研究  40-45
  5.1 测量原理  40-41
  5.2 实验部分  41-43
    5.2.1 PVDF布置  41-42
    5.2.2 实验结果及分析  42-43
  5.3 本章小结  43-44
  参考文献  44-45
6 基于PVDF压电薄膜的表面裂纹损伤检测  45-57
  6.1 无限体埋藏裂纹表面法向位移间断  45-46
  6.2 表面裂纹张开位移和裂纹深度的关系  46-48
  6.3 边界效应影响系数  48-51
    6.3.1 半无限体表面裂纹边界效应系数  48-49
    6.3.2 有限体表面裂纹边界效应影响系数  49-51
  6.4 裂纹深度计算程序  51-52
  6.5 实验验证  52-55
  6.6 本章小结  55
  参考文献  55-57
结论  57-59
附录A 表面裂纹边界效应系数有限元计算程序  59-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  62-63
致谢  63-64
大连理工大学学位论文版权使用授权书  64

基于压电薄膜的结构应变与损伤检测研究

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