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面向结构健康监测的Lamb波力学建模研究

作　者: 张逍越
导　师: 袁慎芳
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 结构健康监测 Lamb波压电元件复合材料 Mindlin板理论力学建模
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

基于压电元件和Lamb波的结构健康监测技术是一种广泛应用于航空航天结构的主动监测方法。该方法利用压电元件监测板结构中Lamb波的传播情况，从而实现对结构损伤的识别与定位。由于板结构中传播的Lamb波具有复杂的传播特性，其力学建模对于结构健康监测的实现具有重要研究价值。本文主要应用数种已知的理论方法，通过统筹研究结构健康监测工作中的压电元件和板结构中Lamb波的各项特性及其相互间的关系，实现了板结构中Lamb波的解析建模，并实验验证了建模结果的正确性。这一解析建模得到了目标板结构中Lamb波的理论传播特性，以期在结构健康监测中起到指导传感器分布，选择合适的监测信号，预测Lamb波的传播过程及波形，协助进行模式判别与损伤判定等理论指导的作用。本文的主要研究工作和创新点如下：1、针对结构健康监测工作中常用的压电元件进行了建模分析。基于复变函数分析法求解压电材料特有的力电耦合场，对压电元件用作激励源和传感器两种情况下的粘接胶层的动力学特性进行分析，研究得到了结构健康监测技术中压电激励源和压电传感器的工作机理。2、针对板结构中Lamb波传播的频散特性进行了建模分析。求解得到金属板结构中的Lamb波频散曲线和复合材料板结构中的Lamb波各向异性频散曲线，并进行了验证实验。3、针对板结构中Lamb波的激励产生及其在板平面中的传播衰减等物理过程，提出了板结构中Lamb波激励作用的解析建模方法。将压电激励源工作机理与板结构动力学特性结合，求解得到了金属板和复合材料板平面上任意点的Lamb波位移响应和应变响应。4、针对板结构中Lamb波的传感作用与传感信号的产生等物理过程，提出了板结构中Lamb波传感作用的解析建模方法。将压电传感器工作机理与板结构表面任意点的Lamb波应变响应结合，分别求解得到了金属板和复合材料板中Lamb波理论传感信号，并进行了实验验证。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-25
  1.1 航空结构健康监测  13-16
    1.1.1 结构健康监测技术的概念  13
    1.1.2 航空结构健康监测的研究意义  13-14
    1.1.3 航空结构健康监测技术的发展  14-16
  1.2 基于压电元件和主动 Lamb 波的结构健康监测技术  16-19
    1.2.1 板结构中的 Lamb 波  16-18
    1.2.3 基于主动 Lamb 波的结构健康监测中的压电元件  18-19
  1.3 面向结构健康监测的 Lamb 波力学建模研究现状  19-23
    1.3.1 有限差分法  19-20
    1.3.2 有限元法  20-21
    1.3.3 谱元法  21-22
    1.3.4 解析求解 Lamb 波动态响应  22-23
  1.4 本文主要研究内容与安排  23-25
第二章压电元件的力电耦合及胶层传递分析研究  25-42
  2.1 压电材料的力电耦合场分析  27-33
    2.1.1 压电材料的基本方程  27-28
    2.1.2 压电元件的平面问题模型  28-29
    2.1.3 压电元件平面问题的求解  29-33
  2.2 粘结胶层的力学建模  33-38
    2.2.1 压电激励源的粘结胶层  33-36
    2.2.2 压电传感器的粘结胶层  36-38
  2.3 压电激励源/传感器工作机理  38-41
    2.3.1 压电激励源工作机理  38-40
    2.3.2 压电传感器工作机理  40-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章板结构中 Lamb 波频散特性建模研究  42-73
  3.1 金属板结构中 Lamb 波频散特性建模  42-56
    3.1.1 金属板结构基本方程  42-45
    3.1.2 金属板结构中 Lamb 波频散方程  45-48
    3.1.3 金属板结构中 Lamb 波频散曲线  48-53
    3.1.4 实验研究  53-56
  3.2 复合材料板结构中 Lamb 波频散特性建模  56-72
    3.2.1 基于二阶 Mindlin 板理论的建模方法简介  57
    3.2.2 基于二阶 Mindlin 板理论的复合材料板结构动力学分析  57-61
    3.2.3 复合材料板结构中 Lamb 波频散方程  61-65
    3.2.4 复合材料板结构中 Lamb 波频散曲线与各向异性分布曲线  65-69
    3.2.5 实验研究  69-72
  3.3 本章小结  72-73
第四章板结构中 Lamb 波激励产生及传播衰减建模研究  73-100
  4.1 金属板结构表面压电激励源作用分析  73-78
    4.1.1 压电激励源剪应力边界条件  74-76
    4.1.2 金属板结构表面位移和应变响应  76-78
  4.2 金属板结构中 Lamb 波传播衰减  78-83
    4.2.1 板平面几何扩散衰减  79-81
    4.2.2 金属材料阻尼衰减  81-83
  4.3 金属板结构中 Lamb 波传播过程建模  83-88
  4.4 复合材料板结构中压电激励源作用分析  88-98
    4.4.1 复合材料表面压电激励源剪应力边界条件  88-90
    4.4.2 复合材料板结构剪应力边界条件作用分析  90-93
    4.4.3 复合材料板结构表面位移和应变响应  93-98
  4.5 复合材料板结构中 Lamb 波传播衰减  98-99
  4.6 本章小结  99-100
第五章板结构中 Lamb 波传感作用及传感信号建模研究  100-134
  5.1 金属板结构表面压电传感器作用分析  100-105
    5.1.1 压电传感信号幅值响应  101-103
    5.1.2 压电传感信号相位变化  103-105
  5.2 复合材料板结构中压电传感器作用分析  105-113
    5.2.1 压电传感信号幅值响应  106-110
    5.2.2 压电传感信号相位变化  110-113
  5.3 金属板结构中 Lamb 波理论传感信号  113-118
  5.4 金属板结构中 Lamb 波验证实验  118-126
    5.4.1 压电阵列间传播的 Lamb 波验证实验  118-122
    5.4.2 大型铝板结构中 Lamb 波验证实验  122-126
  5.5 复合材料板结构中 Lamb 波理论传感信号  126-130
  5.6 复合材料板结构中 Lamb 波验证实验  130-133
  5.7 本章小结  133-134
第六章总结和展望  134-136
  6.1 全文总结  134-135
  6.2 下一步工作展望  135-136
参考文献  136-143
致谢  143-144
在学期间的研究成果及发表的学术论文  144

面向结构健康监测的Lamb波力学建模研究

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