（測試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)論文）智能材料結(jié)構(gòu)中壓電元件局部脫膠損傷特性研究.pdf

智能材料結(jié)構(gòu)中聯(lián)電元件局部脫膠的信號特性研究 摘要 傳感器與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基體之間的局部開膠是智能結(jié)構(gòu)失效的一種重要形式。脫 菠擯饒會罨致簧感囂對綾撬魂態(tài)驥艇戇感甄窶璦誤差共影嚷熬令縫穩(wěn)熬動愨翡注，胰 而降低了智能結(jié)構(gòu)的瞧能甚至導(dǎo)致鐳能結(jié)構(gòu)的失散。本文以襲謠貼有壓電陶瓷元件的 復(fù)合材料為試驗(yàn)對象對傳感器局部脫膠損傷的特性進(jìn)行了研究。 本文黃先對當(dāng)前鍵能材料結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)健康靛測技術(shù)的研究狀況和發(fā)饜趨勢進(jìn) 囂了慧終與綜述，著囊琵褥窶黠愛戇器囂部殘黢攢傷遴牙疆突楚蘸霉登要熬縫論。其 次，介緇了有限元分析法、試驗(yàn)?zāi)Ｔ狗治龇ê忘S氏變換( h h t ) 的原理，為廂面的試 驗(yàn)分析奠定了理論基礎(chǔ)。再次，采用壓電元件做傳感器的復(fù)合材料懸臂梁結(jié)構(gòu)為試驗(yàn) 對象，利用模態(tài)分析、h h t 變換的方法，對壓電元件與復(fù)合楗料之間的脫膠損傷對 結(jié)穩(wěn)動態(tài)褥。陵豹影璃逡雩亍試驗(yàn)硬究。臻究結(jié)萊表驥，傳感器裁幫瑟菠霹結(jié)秘戇瓣對頻 率和模態(tài)頻率醴及阻焰比均有明最的影響。與模態(tài)分析方法相比，h h t 分析的結(jié)果 準(zhǔn)確穩(wěn)定，變化趨勢消晰明顯而且輿有明顯的物理含義。最后，對含有脫膠損傷的平 板型結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。對其表匿粘貼靛含有脫黢損傷蛉壓電傳感器響應(yīng) 售號送行了囂域、頹皺靛分輯。試簸結(jié)暴表黌，黢荻摸痿黠穗藏信號戇捶馕幫圭頻煮 以及主頻點(diǎn)的幅值均衡影響。 關(guān)鍵遞；鎊糍材料結(jié)構(gòu)、健康鑒測、腮腔撰傷、有耀元、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分輯、黃氏變換( h h t ) 2 。 一 童窒鏊塞整耋查蘭黧主簍壟鯊莖 a b s t r a c t p a r t i a l l yd e b o n d i n g a tt h et 豫n s d u c 轂：s t f u e 搬瓣i n t e r f a c ei sam a j o rf a c t o rs i g n i f i c a n t l y a l t e r i n g t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs m a r ts t r l t c t u r e s 。h e n c et h ei n e f f e c t i v e n e s $ o ft h e s t r u c t u r e s 。纛i sp a p e rp r e s e n t sa l le x p e r i m e n t a li n v e s f i g a f i o nc o n d u c t e dt oa n a l y z et h i s e f f e c to ft h et r a n s d u c e rd e b o n g i n g t h i sp a p e rs t a r t sw i t hab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eb i r t ha n dd e v e l o p m e n to fs m a r t m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sa n dh e a l t hm o n i t o r i n g ，w h i c hs e r v e sa sap r e l u d e t ot h er e s e a r c h s u b j e c t p a r t i a l l yd e b o n d i n g a tt h et r a n s d u c e r s t m c t u r ei n t e r f a c e t h e n ，i td e a l sw i t ht h e t h e o r yo f 穗ef i n i t ee l e m e n t ，e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i sa n d h i l b e r th u a n gt r a n s f o r m ， w h i c hf o r m st h et h e o r e t i c a lg r o u n d w o r ko ft h ef o f l o w i n ge x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n a i m i n ga ta n a l y z i n gt h ee f f e c to ft h et r a n s d u c e rd e b o n g i n g o nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f c o m p o s i t e l a m i n a t e dc a n t i l e v e rb e a m 羽r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt r a n s d u c e rp a r t i a l l yd e b o n d i n gr e s u l t si nc l e a rc h a n g e o fi n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c i e s m o d ef r e q u e n c i e sa n dd a m p i n gr a t i oo ft h es t r u c t u r e s h 酣 i sm o f ee f f e c f i v et h a ne x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i sa n dc a l l 蓼v eam o r ec l e a rp h y s i c a l l y m e a n i n g f u li n t e r p r e t a t i o n 輪t h e s t r u c 澈r er e s p o n s e * 瓤髓撼l y , 疊建e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f o r c o m p o s i t e l a m i n a t e df l a ti sc a r r i e do u tt oa n a l y z e t h es i g n a lo fp i e z o e l e c t r i cp i a tw i t hp a r t i 搬yd e b o n d i n g a tt h et r a n s d u c e r - s t r u c m r ei n t e r f a c e - t h ee x p e r i m e n th a sv a l i d a t e dt h a tt r a n s d u c e rp a r t i a l l yd e b o n d i n gr e s a l t si nc l e a rc h a n g e o f t h e r e s p o n s es i g n a l s a m p l i t u d e s ，m a i nf r e q u e n c yp o i n t s a n da m p l i t u d e so ft h em a i n f r e q u e n c yp 蕊n l s 。 k e y w o r d s ：s m a r t m a t e r i a la n ds t r u c t u r e ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，d e b o n d i n gd a m a g e ，t h e f i n i t e e l e m e n t ，e x p e r i m e n t a l m o d a l a n a l y z e , h i l b e r th u a n g t r a n s f o r mf r u i t ) 3 灝素靛空魅天大學(xué)頸士學(xué)使論文 第一章綣論 1 1 餐熊謄砉耩績?nèi)煳右u震窩藏瘸現(xiàn)狀 譬髓材辯結(jié)構(gòu)( s m a r tm a t e r i a la n ds t r u c t u r e ) 是隨著材料技術(shù)、徽電子技術(shù)與數(shù) 字處理技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展越來的一門多學(xué)科交義的綜合學(xué)科。它最翩是為了滿足軍事 上不斷增長的需求而展開磺究的。1 9 8 4 年，燕黼陸軍科研署根據(jù)激用先進(jìn)笈合材料 毒l 遙巍升撬藤翼黎吁鵑璐弒，為了躐小粱葉翡掇淤積噪聲，疆煮旋翼篆統(tǒng)瓣氣動往能， 提爨可輯究垂逶瘟麓襄熬癸裳，簌囂籀囂了餐禳耱褥結(jié)稔羲舅寵魏濘蘩。潞零代末籟， 該技術(shù)遙漸滲透到其他的投術(shù)領(lǐng)域，磊前智能材料結(jié)構(gòu)在航空航天器、汽車、橋梁、 建筑物鼯方面展現(xiàn)了良好懿應(yīng)用前黟“l(fā) 。 餐熬瓣瓣結(jié)穩(wěn)靜定義掰戳簸兩個(gè)方萄栗接遮釋j ：麩績生學(xué)的麓壤滋笈，可璦將餐 能材料結(jié)構(gòu)定義為：將疑有仿生命功能的材料融岱于集體材料中，饅镥成的梅侔具有 太弱期挺瓣餐鏈功戇，這耱鑲棱稱攙鬻疑謄| 凝結(jié)拳窀。 扶實(shí)囂疲蘑窶發(fā)，簦熬耪糕結(jié)褥跫一癸將轉(zhuǎn)感囂囂驅(qū)葫器壤入艇舍穗辯繚疑中蠛 糖辯強(qiáng)糕食材瓣結(jié)穩(wěn)表褥形成靜一釋新型結(jié)構(gòu)。鎂結(jié)構(gòu)不僅其有承受載荷靛縫力，麗 且能夠感知結(jié)構(gòu)內(nèi)部的和外部的環(huán)境，做出判斷洋玎響應(yīng)，自動改變和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的形狀、 位置、剛腱，使整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)的功能。 饕轆榜料縫憨翦磺究爨篡開始毅來，軍方的磷究就一壹占露童譬邀篷。鼓發(fā)蓑褪 翳美灝麓攀釋臻囂燮蘩鑫逶藏囊翼瓣繇究努始，穰寢麓美雪空攀穩(wěn)羧翅了饕蘧表瑟載 發(fā)展路線 6 1 ，海軍剛域捌了對水中潛艇嗓聲強(qiáng)度羽拄翻研究 7 1 。聰隨著該技笨在其他 領(lǐng)域的滲潦，智能材料結(jié)構(gòu)在民用領(lǐng)域的研究也爆現(xiàn)了勢不可擋的終頭。亞洲和歐洲 懿鶯豢魄黔繚對餐l 搴孝辯壤褐震囂了磅究。主攆蘩在興建箕零l 幫c o r c h 溺上豹 b o r e a 求螄 時(shí)，就將1 0 0 多個(gè)各類壓力、位移和熱矩傳感器埋入其中，分剮用于監(jiān)測 大緩、犬竣瘋部潺慶等蘩鬟經(jīng)置的受力壤況、緞穆變影移剪切交形鑄壤況。麟本豹疆 究蠹各燕要裁重予空閹繚穗懿形馥控銹及建筑縭穩(wěn)麓圭囊撬震控剿【s l 釋 方囂。瑟本科 學(xué)較零廳將蟹麓材瓣綴搗寵為重要鶼磷究開發(fā)瓣褲，并羲溺l o 零在耱辯萄工程方 面開發(fā)出恩有識別、傳遞、輸出與環(huán)境響應(yīng)功能的智能材料結(jié)構(gòu)。蒺囡于1 9 9 1 年在 s t r a t h e l y d e 大學(xué)成立了第一個(gè)智能材料結(jié)構(gòu)研究晰，其研究規(guī)劃包括微小顆；| ! 巔水平的 餐楗料、復(fù)合秘糕強(qiáng)俄簸濺、土本王疆結(jié)構(gòu)的蜜金監(jiān)測等。德黧掌靛研突中心也錨 定7a r e s ( a c t i v e l yr e a c t i v e l y e l a s t i c s t r u c t u 蝴詩燃，在童適葭結(jié)揀掇裁技零、挺毫建 筑結(jié)構(gòu)的抗震性能、降低建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)由交通弓| 熬鶼嗓聲以及結(jié)構(gòu)靜寵整籃溯褡方囂袋 開研究。 閹愨凝予蘩戇輯裁縫揀瓣瓔究囂始予丸卡馨代褪。1 9 9 1 年黧騫褥篡捌秀麓掰菝拳 智糍材料結(jié)構(gòu)中壓電元件局部脫膠的信號特性斫究 發(fā)展計(jì)劃綱耍的新概念、新構(gòu)想探索課題，國家自然科學(xué)基金蠶先后于9 4 年、9 5 年 召開了鴦笑智2 桴辯與結(jié)棱鮑磅討衾。國內(nèi)已有多掰院校葶f l 研究肇位在這一領(lǐng)域并展 了研究，例如，南京靛空航天大學(xué)f 州2 1 、西襲工娩大學(xué)、j e 京靛空航天大學(xué)、重慶大 學(xué)以及6 0 1 、6 0 3 、6 2 3 簿高校和航掇院所自9 0 年代初以來，就不同的方向耐智能材 料結(jié)構(gòu)開展研究，并取得許多研究成果。1 9 9 7 年，由原航空工燭總公司投資1 2 0 0 萬 入民零，程泰京靛窆舷天大學(xué)建設(shè)了蔽墓荑一拿專門敲事蟹襞套砉趲結(jié)搗磅究懿熬級重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)寶。 智能材料結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容非常的豐富，它的研究與材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、 人工智能、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)、加工工藝、控制論、仿生學(xué)和生命科 學(xué)等諸多蘩澄秘學(xué)稻麓菠寒密切疆關(guān)。閡跨它耱蠢重大懿應(yīng)瘸藏最幫社會效益。盡管 智能材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用目前尚處于初級階段，研究工作在許多方釃還有待于產(chǎn)生新的突 破，但它的前景是光明誡大的。智能材料結(jié)構(gòu)的深入研究和發(fā)展，不僅將引起材料與 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)艨想的重大改革，兩且是熬個(gè)工程技本領(lǐng)域萌生的一場獗鰓革命。 1 2 智能材料結(jié)構(gòu)中的壓電元件 自診敝是智能孝芎辯結(jié)構(gòu)的一個(gè)爨要功能，它利用埋入材料的傳感元件來感受各群 德怠，經(jīng)避分輯楚毽，然囂攆示或羧麓驅(qū)魂元 孛王俸。囂整奩鬻髓耪辯結(jié)秘中，對萁 內(nèi)部或外部的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是非常瀨要的，尤其是一些關(guān)鍵位震的狀態(tài)監(jiān)測更為重 要?？梢造讶霃?fù)合材料的傳感器和驅(qū)動器有：光纖、壓電陶瓷、壓電薄膜、電阻應(yīng)變 絲、疲勞海禽絲、炭紓維、半導(dǎo)體等，他們可以遙用于不同的翔途。其中，援毫元傳 由予兵有一系列的優(yōu)患瓶旋廣泛的波翔予智能榜辯結(jié)構(gòu)中1 1 3 , i 4 。 由于骶電材料即輿有正壓電效成又具有逆壓電效應(yīng)而既可以做傳感器又可以做 驅(qū)動器。髓前智能材料結(jié)構(gòu)中采用的壓電傳感元件主要是壓電陶瓷和p v d f 壓電薄 壤。壓電羯瓷具有疆黧點(diǎn)纛歪電應(yīng)交鬻數(shù)較褰、頻瞧蓮蠶較寬笛俊熹，透忿它摻瓷終 感元件馥掰的時(shí)候靈敏度較高，頻率特性好，丙鼠在較大的溫度范圍內(nèi)性施都比較穩(wěn) 定。但是，壓電陶瓷的缺點(diǎn)也是很明恩的，如它的脆性大，抗沖擊能力差，與普通的 復(fù)合材料鼷合板相比密度較高，容易改變基體結(jié)梅的動態(tài)特性、降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命 等。因藏，歪毫瘸瓷戇搜強(qiáng)受到了一定豹疆翻。 p v d f 壓電薄膜魑種具有壓電效應(yīng)的高分予聚合物薄膜( 聚偏二氟己烯) ，它 的柔韌性極好，耐腐蝕，密度低，機(jī)械強(qiáng)度也好，最小厚度可以作到只有幾個(gè)微米， 麗且可以制成任意尺寸和形狀的傳感元 牛，與基體絡(luò)梅結(jié)臺聰對結(jié)梅的性熊影響很 小。篷燕，出p v d f 薄驥豹囂量熹較低，困斃它戇捷愛溫度蓬潮綴，l 、，一黢只能在常 溫下使用；而且它與基體結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合強(qiáng)度也不太高。這些缺點(diǎn)造成了p v d f 壓電 薄膜在智熊材料中的成用受到了較大的限制。 智熊孝巷辯結(jié)構(gòu)之翳以選擇壓電耱辯俘驅(qū)動元傳主要是因必茭其毒鞋。f 褥點(diǎn)：激聚 2 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 功率?。喉懗伤俣瓤?，是形狀記憶合金的1 0 0 0 0 倍：尺寸可以作的很小很薄，很適合 于安裝在結(jié)構(gòu)表面，也可以埋入結(jié)構(gòu)中；組食靈活，既可以大塊使用，也可以小塊分 散霞蕊；壓電復(fù)合材料是智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。盡警壓電材料作為驅(qū)動器其肖許多的 優(yōu)點(diǎn)，但同樣也存在許多問題限制了壓電材料的使用，如：激勵應(yīng)變量小，一般儀 3 0 0 激應(yīng)變；壓電陶瓷極限纛交小，最大不越過7 0 0 徽應(yīng)交，囂薔述不藐作為結(jié)構(gòu)搴孝 料：在壓電材料與母體材料融合方面，要求埋入材料中既不影響強(qiáng)度也不成為材料的 夾雜等等。瓣越，爻了適應(yīng)餐疑奉孝糕維擒發(fā)疑載囂妥，必矮對其骰遴一步鑫冬騷突，開 發(fā)出綜合性能較好的壓電材料，如可利用復(fù)合原理開發(fā)出性能較好的壓電復(fù)合材料。 1 3 智能材料結(jié)構(gòu)中籃電元件局部脫膠問題的提出 1 , 3 。1 結(jié)梅縫康監(jiān)濺技術(shù)概念 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)來源予仿生，它采用埋入或淡匿粘貼的傳感系統(tǒng) 乍為享孛經(jīng)系 統(tǒng)，能感知和預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的缺陷和損傷、結(jié)構(gòu)熬體與局部的變形、腐_ i 囊、支撐失效等 系列的非健康因素，是一種對材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損評估的方法。理想的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測 方法縫夠準(zhǔn)確熬在援傷發(fā)生她翠絮愛現(xiàn)損臻、能夠確定損傷鵑程度和位置，撬供結(jié)桶 的安全性評估，并能預(yù)測損傷的剩余壽命。 1 3 。1 。1 結(jié)梅鏈裹整弱戇疆究肉容 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要研究內(nèi)容有：傳感技術(shù)、激勵信號、信號處理技術(shù)、識別與 診叛露集成技本。 1 ，傳感技術(shù) 在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究申常用的傳感器有：光緩傳感器、電介質(zhì)傳感爨、壓電 材料、應(yīng)變傳感器以及微機(jī)械傳感囂等。其中使用壓電材料組成分布式傳感器在復(fù)臺 材料的健康j i 茳測中得到了很好的使用f l 研。 糯在結(jié) 鴦健康藏溺中靜佟感器不僅應(yīng)該滿足點(diǎn)淵璧豹要求，而登能夠組成一種經(jīng) 濟(jì)可靠的分稚式傳感器，從而實(shí)現(xiàn)大范圍連續(xù)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。關(guān)鍵技術(shù)是：分布式 轉(zhuǎn)感器；遙憋技寒；鑄感器豹可靠瞧及集戒技術(shù)。努棗式轉(zhuǎn)感器陣列可敬釜淵體積魄 較大的結(jié)構(gòu)。而遙感技術(shù)就可以解決因?yàn)閭鞲衅鲾?shù)量多而導(dǎo)數(shù)的布線難題。結(jié)構(gòu)健康 鑒濺結(jié)累的懲礁蛙燕建立在鏹令傳感器戇轅爨痿號戇正確搜瓣基礁之上夔，薅感器及 驅(qū)動器的失效會導(dǎo)致虛假信礙及整個(gè)系統(tǒng)的失效。 2 激勵信號 在主動簸測系統(tǒng)中，通j 過內(nèi)置的驅(qū)動器產(chǎn)生激勵信號，并通過傳感網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng) 的響應(yīng)，受控的激勵信號用來查詢結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存程損傷，可以通過對響應(yīng)傣號的分 析來提取損傷特征。這就涉及以下技術(shù)： 驅(qū)動器的大小及功率：埋入結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器必須有十分小的尺寸及滿足一定的功率 要求。驅(qū)動熊與基缽耪辯之潤熬凌率傳輸關(guān)系需要詳盡豹磁究。 3 鉀能材料結(jié)構(gòu)中壓電元件局部脫膠的信號特性研究 激振信母的選擇：激振信號必須具有良好的可控性、重復(fù)性、可靠性，同時(shí)也要 對結(jié)構(gòu)損傷敏感。輸入信號與損傷特征之間的關(guān)系怒研究的霪點(diǎn)之一。 3 信號處理 從傳感器采集的信號包含有很多信息，怎樣從這蝗信號中提取有用的信息是很重 要的。逶鬻 擻況下傳感器靜輸出信號中包含蠢綴多礤聲成分，因詫京信號分褥蘺要瑟 信號進(jìn)行預(yù)處理，盡匿去除噪聲的影響，然后再提取描述結(jié)構(gòu)損傷的特征。并且所使 震黲傳感器黎要送行標(biāo)定，鞭鴦黃感器會受瓣基體終穆載影噙，在弱一穗輸入戇清凌 下傳感器的輸出可能會不同，所以有必要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。 4 。損鐫靛識別與判斷 損傷的識別與判斷是結(jié)構(gòu)健康j i 氛測的核心內(nèi)容，它決定了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠 性。建立損傷特征與傳感信母之間的關(guān)系是系統(tǒng)的綦本要求。 1 3 1 2 結(jié)穩(wěn)健康監(jiān)溯的主要方法 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方法有很多，如：頻率變化法、模態(tài)變化法、模態(tài)曲率及應(yīng)變模 態(tài)變純法、動態(tài)彈穗溯量方法、矩簿修正法、菲線往法、基予神經(jīng)潮絡(luò)靜登溯方法等 等。下面主鼷介紹一下常用的頻率變化法和艇于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測方法。 | 。頻率交馥法 由于結(jié)構(gòu)性能的改變能引起結(jié)構(gòu)振動頻率的變化，因而w 以利用模態(tài)分析的方法 來確定結(jié)構(gòu)奄材料的損臻及遴霉健藤鱉測?？晒腻詊 霆囂秘方法寒戡解結(jié)構(gòu)熬模態(tài)參 數(shù)：有限元法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。有限元法熬本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單 元，然后求辮結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻攀。麗試驗(yàn)?zāi)B(tài)分柝是通過試驗(yàn)測褥結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)， 在j 魄基礎(chǔ)上求得模態(tài)頻率、黻尼比、模態(tài)剮艘等參數(shù)。這兩種模態(tài)分析求解褥方法都 非常成熟，并且對于規(guī)則結(jié)構(gòu)非常易于實(shí)現(xiàn)。但是頻域變換法也存在比較大的缺點(diǎn)： 蒺態(tài)分櫥反姨靜是熬個(gè)結(jié)構(gòu)靜全局彀髓，并不能確定參數(shù)的嶷換是磷由損傷g | 起的， 更不能對損傷提供定置的分析。也就是不能確定損傷的位置。并且在損傷程度不大的 溏撼下?lián)p臻瓣予結(jié)橡頻率鑲移秘影瘸菲謄微褥“”。這些缺患限裁了簇率交純法熬搜 用。 2 ?；枧踅?jīng)網(wǎng)終鰓監(jiān)測方法 近年來逡用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的損傷類型與程度進(jìn)行監(jiān)測引起了研究者的 很大關(guān)注。聿棗經(jīng)網(wǎng)終以分布式信息存儲、大規(guī)模自適應(yīng)并行處理、菲線犍映射為特點(diǎn)， 它其有自學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶豹熊力和高度的容錯性。因此對于受嗓聲污染的信譬和殘缺 輸入信號具夜識別能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中第用的是基于反向算滋的多層感知網(wǎng)絡(luò)，其中 b p 弼絡(luò)瑟愛向算法的多層神經(jīng)隧絡(luò)使用的囂常普遍。b p 網(wǎng)絡(luò)靜主要怒愆是飆后商前 ( 反向) 逐層傳播輸出層的謖差，并通過調(diào)熬權(quán)重和偏置，使得預(yù)計(jì)的輸出與實(shí)際的 贛爨之潤熬誤差達(dá)蓊最小。囂茲己經(jīng)有多經(jīng)學(xué)者在乎板結(jié)穩(wěn)“7 1 豹損饞箍濺、爨臂粱羹 結(jié)構(gòu)“”的損傷監(jiān)測中成功的使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 上述毒搴綴霹終方法懟按臻整濺繭然是毒效茲，毽大幫分幫是在實(shí)驗(yàn)室囂壤孛實(shí)璦 4 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 韻，隨著外界環(huán)境韻改變，绱構(gòu)參數(shù)會隨之繳生變化，而測試的結(jié)聚在一定程度上受 外界環(huán)境的影響。實(shí)踐證明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷監(jiān)測對外圍環(huán)境的要求比較嚴(yán)格。 在用于結(jié)構(gòu)健康箍灝酶眾多研究方法上的檢鍘技術(shù)和信母處理手段中，如何克服 其局限性，改善實(shí)用程度是當(dāng)務(wù)之急。 1 3 。1 3 毽康靛漆蘸森蕉 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)由于飆有以下的優(yōu)點(diǎn)而被使用烈了航空航天、船艦工妣、民用 建筑等攫多豹領(lǐng)域： 1 實(shí)時(shí)在線的娥測并進(jìn)行安全性評估，可以節(jié)省維修費(fèi)用； 2 。依靠先進(jìn)的濺試系統(tǒng)，從焉可以減少莠魂力幫降低人工誤裁棗； 3 自動純程度提高，可以大大的提高安全及可靠性。 目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在橋梁敗測系統(tǒng)中的應(yīng)用比較廣泛，如；香港的毒馬大 橋、上海蒔徐浦大橋、江陰的長江大橋、挪威的s k a m s u n d e r 斜拉橋 t 9 t 、美國的s u n s h i n e s k y w a yb r i d g e 、丹麥主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 懸索橋【2 叫等等。在航空航天器方 覆，鏈康簦瀏系統(tǒng)熬安裝節(jié)套了綴多定檢稻幫規(guī)襝瀏麴靖瀾幫費(fèi)臻。 1 3 2 壓電元件局郝殘膠闖題的提出 因?yàn)橹悄懿牧辖Y(jié)構(gòu)的基體復(fù)合材料易于發(fā)生分層、纖維斷裂、受潮、沖擊、邊緣 分瑟、基體漲愛、遮羞溢瘦的升高嗣度秘強(qiáng)浚隧之酶低等損傷，西藏為了防止這些小 的損傷加重絨者小的損傷與蕻他的損傷連成一片造成大的損傷必須對復(fù)合材料進(jìn)行 鑒測。毽痰爨濺技本縫夠感筑窺強(qiáng)撤縫蕊戇挾簇窩援痿、縫梅整誨與局部豹變形、瘸 蝕、支撐失效等一系列的非健康因素，恰好解決了這個(gè)問題。因此結(jié)構(gòu)健康j l 矗測技術(shù) 迅速在復(fù)合楗料損傷漿測領(lǐng)域褥到了廣泛的嶷用。菇：yz o u 等人 2 u 慰于基體績攙麟 層損傷進(jìn)行了比較深入的研究；c w o l f i n g e r 2 2 】等人對削斷結(jié)構(gòu)所受沖擊載荷的位置和 損傷的位置魄進(jìn)行了深入的研究；兩m j s c h n l z 等人i 則使用壓電元傳作為傳感器秘 驅(qū)動器對懸餐梁型復(fù)含材料結(jié)構(gòu)損傷識別定位、振動主動控制等進(jìn)行了研究。 但是健康監(jiān)測技術(shù)的正確性和有效性是建立在健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)和驅(qū)動 系統(tǒng)豹正確譙和有效性基餮| 之上的。翔采傳感器或驅(qū)動器失效會導(dǎo)致倍感器感知信號 失真藏驅(qū)動掇制能力下降，撼至導(dǎo)致憋個(gè)系統(tǒng)的失效。傳感器和驅(qū)動器的失效的種類 毫綴多嵇，激基毫元傳舞爨，努歪毫囂籜叛襞、王終懣度超j 篷其工幸挈范囂、與基俸復(fù) 合材料之間因?yàn)檎迟N不牢或受到?jīng)_擊藏由于疲勞的原因出現(xiàn)脫膠損傷等等。本文所要 磅究的裁是藤寇元傳終受傳感囂與基體復(fù)合擄艇之瓣鼴罄聰獲瓣的特性。聰黢臻揍會 嚴(yán)重的影響熬個(gè)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，但是目前闊內(nèi)外對傳感囂的失效研究的非常少， c h a e l e ses e e l e y 等人 2 4 1 在這一方面做過一些忑作，艇是她主要研究是壓電元傳作炎 驅(qū)動囂時(shí)局部脫膠對控制律的影響，并且所設(shè)計(jì)的試駿侔中舔電元件所占整個(gè)試件的 比例j e 常的火。這在實(shí)際的點(diǎn)程中比較難實(shí)現(xiàn)。 墓 智能材料結(jié)構(gòu)中臌電元件局部脫膠的信號特1 生研究 1 3 3 壓電元件局部脫膠特性研究方法 本文設(shè)計(jì)了囂耱試驗(yàn) 串釋類來研究壓電傳感器脫膠損傷靜特讖。這兩種試驗(yàn)偉 是：懸臂粱粼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和平板型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。對于懸儲梁型結(jié)構(gòu)我們采用了模 態(tài)分褥裒h h t ( h i l b e r th u a n gt r a n s f o r m ，h h t ) 分輯靜方法。霹予平攫壟繕梅我們 則采用了時(shí)域和頻域分析的方法。 模態(tài)分?jǐn)€技零【2 那是對結(jié)橡動態(tài)褥性魏鮮撰分輯鞫試驗(yàn)分糲，其終鐫囊態(tài)褥往蘑鏷 態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動微分方程的特，餃值和特征矢量： 而程試驗(yàn)方蕊則是試驗(yàn)鋇4 褥的系統(tǒng)之極點(diǎn)( 閑有頻攀積阻尼 程攝毽( 模態(tài)囪量) 。 然而箍著模愨分析專題研究范圍的不斷擴(kuò)展，從系統(tǒng)識別到結(jié)構(gòu)靈敏度分析以及動力 修改等，模態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)被廣義的理解為包括力學(xué)系統(tǒng)動態(tài)特性的確定以及與其應(yīng) 震裔關(guān)靜丈幫分領(lǐng)域。挨態(tài)分析有懿耱求解方式：有限元法和試驗(yàn)旗態(tài)分拼法。有限 元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，通過邊界條件的定義等等求得結(jié) 橡豹溪毒菝攀，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分褥縋關(guān)鍵蠢題之一是要獲褥準(zhǔn)確豹頻喻溺數(shù)( 稅械導(dǎo)縭) 數(shù)據(jù)。只有截此基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確的識別出模態(tài)參數(shù)。目前頻響函數(shù)測試技術(shù)正沿著 甄條遂路發(fā)鼷。一襲道路是肇贏墩掇，多點(diǎn)濺星( 或一點(diǎn)測麓，逐煮激攝) 技零；凳 條道路是多點(diǎn)激振，多點(diǎn)測量技術(shù)。多點(diǎn)激振技術(shù)適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如機(jī)體、 船體或大型攀輛結(jié)構(gòu)簿。但憝這轉(zhuǎn)技術(shù)要求醚備復(fù)雜器貴麴儀器設(shè)餐，測試髑款逛魄 較長。目前，世界上少數(shù)國家生產(chǎn)這類設(shè)備，尚未得到廣泛的應(yīng)用。單點(diǎn)激勵頻晌函 數(shù)測試技術(shù)怒目前世界上廣泛應(yīng)用的技術(shù)，幾乎適用予一切搬動領(lǐng)域。按激搬力性質(zhì) 豹不閏，頻嗡爵數(shù)測試可努為穩(wěn)態(tài)正弦激勵、隨祝激勵及瞬態(tài)激勵三類。其中隨機(jī)測 試又有純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)之分。瞬態(tài)測試則有快速正弦掃描、脈沖激勵和階 躍激藏等咒秘方式。 h h t 變換是美國學(xué)者n o r d e n e h u a n g 2 6 】于1 9 9 8 年提出的一種最新的時(shí)頻域信號 處瓔方法。與其毽績譬處理方法程魄，其最大霞熹奩予慰菲線性秘 穩(wěn)定數(shù)豢熬薤璞 能力。它能程時(shí)頻域宅間內(nèi)戴準(zhǔn)確地測定對特定事件的發(fā)生，并且對處理結(jié)果給出更 具有藏觀物聯(lián)意義的解釋。 h h t 變捩通過e m d 分解方法將信號中逐級分解為特征模態(tài)函數(shù)( i n t r i n s i c m o d e f u n c t i o n ，i m f ) ，并對i m f 分量進(jìn)行h i l b e r t 變換锝剿h i l b e r t 灌，它怒曩翦繁一種不 需要銹霜特定函數(shù)形式( 如付氏變換的三角溺數(shù)，小波交換的小波基黼數(shù)等) 對數(shù)據(jù) 進(jìn)行分解的具有自適應(yīng)能力的先進(jìn)時(shí)頻域信母處理方法。h h t 譜s 夠準(zhǔn)確地反映出 耪毽j 霪程孛施量在空潤( 或瓣閏) 備釋尺度上靜分帶蕊律。菇矯，在線性禚架下， h h t 譜與小波譜具有相同的襲觀性能，但h h t 譜在時(shí)域和頻域內(nèi)的分辨率都遠(yuǎn)高于 小波譜，鍍魏褥到熬分褥縫粱更壤確建愛軟滋系絞覆騫筑耱理特譙1 2 7 l ”l 。掰鞋該 方法提出后引起信號處理界的廣泛關(guān)注并獲得了2 0 0 1 年n a s a 的研究與設(shè)計(jì)太獎。 該方法蕾先農(nóng)海洋工程 ! 導(dǎo)以摩鼴，隧蕊擴(kuò)展裂縫震信號處理、本工援績穆撼康籃溺 矗 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 等領(lǐng)域。研究結(jié)果表明，利用h i - i t 譜分析對非線性非穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的處理可以得到令 人滿意的結(jié)論。但是，h h t 變換對于短數(shù)據(jù)序列處理與小波變換一樣存在較為嚴(yán)重 的邊界效應(yīng)問題如何根據(jù)數(shù)據(jù)序列的特點(diǎn)擴(kuò)展數(shù)據(jù)邊界，從而降低邊界效應(yīng)影響是 提高h(yuǎn) h t 譜分析精度的個(gè)重要問題。 1 4 本文的主要內(nèi)容 綜上所述，對于智能材料結(jié)構(gòu)中壓電元件與基體復(fù)合材料之間脫膠損傷特性進(jìn)行 研究是非常必要的。并且該課題得到了國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目靈巧結(jié)構(gòu)的損傷 及失效問題研究和航空基金基于h h t 譜分析的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測技術(shù)的 共同資助。 本文的具體研究內(nèi)容可概括如下： 1 本文首先對當(dāng)前智能材料結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究狀況和發(fā)展趨勢 進(jìn)行了總結(jié)與綜述，并由此得出對傳感器局部脫膠損傷進(jìn)行研究是非常必要的結(jié)論。 2 介紹了有限元分析法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法和h h t 變換的原理，為后面的試驗(yàn)分 析奠定了理論基礎(chǔ)。并對a n s y s 有限元分析軟件和c a d a - - x 模態(tài)分析軟件的構(gòu)成、 功能及使用方法進(jìn)行了簡單的介紹。 3 通過試驗(yàn)的方法，利用有限元分析法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法和h h t 變換法對含有 不同程度脫膠的懸臂梁型復(fù)合材料試驗(yàn)件的動態(tài)特性進(jìn)行分析研究，得到脫膠損傷對 結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響。 4 通過試驗(yàn)的方法，對平板型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面粘貼的脫膠程度不同的壓電傳 感器( p z t ) 的信號特性進(jìn)行研究。 7 智能材料結(jié)構(gòu)中壓電元件局部脫膠的信號特性研究 第二章模態(tài)分析原理及h h t 變換原理 模態(tài)分析可以定義為對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的解析分析和試驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性用 模態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動微分方程的特征值和特征矢量； 而在試驗(yàn)方面則是試驗(yàn)測得的系統(tǒng)之極點(diǎn)( 固有頻率和阻尼) 和振型( 模態(tài)向量) 。 然而隨著模態(tài)分析專題研究范圍的不斷擴(kuò)展，從系統(tǒng)識別到結(jié)構(gòu)靈敏度分析以及動力 修改等，模態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)被廣義的理解為包括力學(xué)系統(tǒng)動態(tài)特性的確定以及與其應(yīng) 用有關(guān)的大部分領(lǐng)域。 模態(tài)分析技術(shù)是用于對機(jī)械系統(tǒng)、土建結(jié)構(gòu)、橋梁等幾乎無所不包的工程結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析的現(xiàn)代化方法和手段。它最早應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在 飛行器所發(fā)生的許多重大事故中，約有4 0 與振動相關(guān)。在其他領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對于工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了愈來愈高的要求如車輛、船舶的 乘坐舒適性和噪聲控制、產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的疲勞強(qiáng)度問題，而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的振動特性對 此有著至關(guān)重要的影響。因此，模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域曰益擴(kuò)大。又由于電子計(jì)算 機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是大容量、高速度微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得應(yīng)用模態(tài)分 析技術(shù)的費(fèi)用大大降低，從而促進(jìn)了其應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大、并日益成為動力學(xué)分 析領(lǐng)域中不可缺少的手段。 模態(tài)分析有兩種求解方式：試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法和有限元法。下面就這兩種方法分別 進(jìn)行介紹。 2 1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)概述 2 1 1 模態(tài)分析測試技術(shù)的目的和分類例 模態(tài)分析的關(guān)鍵問題之一是要獲得準(zhǔn)確的頻響函數(shù)( 機(jī)械導(dǎo)納) 數(shù)據(jù)。只有在此 基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確的識別出模態(tài)參數(shù)。頻響函數(shù)測試的目的是： ( 1 ) 提供材料( 如粘彈性材料和復(fù)合材料) 和元件( 如輪胎、減震器、隔振墊) 的剮度和阻尼特性。 ( 2 ) 驗(yàn)證理論計(jì)算的動力特性。包括動態(tài)響應(yīng)、原點(diǎn)、跨點(diǎn)導(dǎo)納和振動分析中系 統(tǒng)或部件的特性模態(tài)參數(shù)。 ( 3 ) 提供結(jié)構(gòu)的動力特性，建立系統(tǒng)或部件的動力學(xué)模型。包括原點(diǎn)、跨點(diǎn)導(dǎo)納、 主坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型( 模態(tài)模型) 和物理坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。 如果在測試中只要求得到單個(gè)或多個(gè)原點(diǎn)、跨點(diǎn)導(dǎo)納數(shù)據(jù)，必須注意激勵和觀測 坐標(biāo)的選擇，最好能模擬實(shí)際情況，在實(shí)際的外力作用點(diǎn)處激勵，在各重要的響應(yīng)點(diǎn) 處拾振。如果測試的目的在于求得整個(gè)結(jié)構(gòu)的動力特性，則首先應(yīng)該將結(jié)構(gòu)離散化， 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 標(biāo)出各個(gè)節(jié)點(diǎn)( 測量點(diǎn)) 。凡是外力作用點(diǎn)、重要的響應(yīng)點(diǎn)、部件或構(gòu)件的交聯(lián)點(diǎn)、 質(zhì)量集中點(diǎn)等處，一般都應(yīng)作為節(jié)點(diǎn)。 目前頻響函數(shù)測試技術(shù)正沿著兩條道路發(fā)展。一條道路是單點(diǎn)激振，多點(diǎn)測量( 或 一點(diǎn)測量，逐點(diǎn)激振) 技術(shù)；另一條道路是多點(diǎn)激振，多點(diǎn)測量技術(shù)。 多點(diǎn)激振技術(shù)適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如機(jī)體、船體或大型車輛結(jié)構(gòu)等。它采用多 個(gè)激振器，以相同的頻率和不同的力幅和相位差，在結(jié)構(gòu)的多個(gè)選定點(diǎn)上，實(shí)施激勵， 使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生接近于實(shí)際振動烈度的振動。它能夠激勵出系統(tǒng)的各階純模態(tài)來，從而提 高了模態(tài)參數(shù)的識別精度。但是這種技術(shù)要求配備復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備，測試周期也 比較長。目前，世界上少數(shù)國家生產(chǎn)這類設(shè)備，尚未得到廣泛的應(yīng)用。 單點(diǎn)激勵頻響函數(shù)測試技術(shù)是目前世界上廣泛應(yīng)用的技術(shù)，幾乎適用于一切振動 領(lǐng)域。按激振力性質(zhì)的不同，頻響函數(shù)測試可分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵、隨機(jī)激勵及瞬態(tài)激 勵三類。其中隨機(jī)測試又有純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)之分。瞬態(tài)測試則有快速正弦 掃描、脈沖激勵和階躍激勵等幾種方式。以下所列為頻響函數(shù)測試的分類情況。 頻響函數(shù)測試技術(shù) 多點(diǎn)激勵技術(shù) 單點(diǎn)激勵技術(shù) 穩(wěn)態(tài)正弦激勵 f 純隨機(jī)激勵 隨機(jī)激勵 偽隨機(jī)激勵 l 周期隨機(jī)激勵 f 快速正弦掃描激勵 瞬態(tài)激勵 脈沖激勵( 錘擊法) l階躍激勵 由于多點(diǎn)激勵測試系統(tǒng)目前未得到推廣應(yīng)用并且本文的試驗(yàn)所采用的是單點(diǎn)激 勵測試技術(shù)，故接下來的重點(diǎn)是介紹單點(diǎn)激勵測試技術(shù)，并著重介紹脈沖激振系統(tǒng)。 2 1 2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析頻域法 1 系統(tǒng)假設(shè) 線性假設(shè) 假設(shè)被試驗(yàn)識別系統(tǒng)是線性的，其物理意義是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對任一組同時(shí)作用的 激勵的響應(yīng)是該組內(nèi)每一激勵單獨(dú)作用時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的線性疊加?；谶@一假設(shè)，我們 有可能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對系統(tǒng)施加容易實(shí)現(xiàn)、便于測量的作用力進(jìn)行激勵，并由此提取被 智能材料結(jié)構(gòu)中壓電元件局部脫膠的信號特性研究 測試系統(tǒng)的特征參數(shù)，而不必施加與其工作環(huán)境相同的激勵。值得注意的是，許多真 實(shí)系統(tǒng)總是不同程度地偏離這一假設(shè)。因此在處理工程問題時(shí)要注意保證系統(tǒng)線性模 型有充分地近似程度。 時(shí)不變假設(shè) 系統(tǒng)是定常的，即系統(tǒng)特征參數(shù)為常量，滿足該假設(shè)的系統(tǒng)稱之為定常系統(tǒng)。例 如，假定系統(tǒng)某特征參數(shù)與溫度有關(guān)，則當(dāng)溫度隨時(shí)間變化時(shí)，系統(tǒng)特征參數(shù)也隨之 變化，則系統(tǒng)不滿足時(shí)不變假設(shè)，稱這樣的系統(tǒng)為非時(shí)不變系統(tǒng)。如果系統(tǒng)為非時(shí)不 變系統(tǒng)，那么在不同時(shí)刻所測試驗(yàn)數(shù)據(jù)將不一致，從而得不到穩(wěn)定的系統(tǒng)參數(shù)。 可觀測性 對系統(tǒng)輸入輸出的量測結(jié)果應(yīng)含有足夠的信息，以描述該系統(tǒng)適應(yīng)特性的模型， 否則稱該系統(tǒng)為不可觀測系統(tǒng)。如果結(jié)構(gòu)的某些零件松動，或更一般的說，如果系統(tǒng) 包含的某些自由度未能被識別，則稱該系統(tǒng)為不完全可觀測的。當(dāng)然，系統(tǒng)的可觀測 性具有相對性。某些系統(tǒng)在理論上是可觀測的，但由于試驗(yàn)條件及測試技術(shù)所限，卻 可能成為不可觀測性系統(tǒng)，或不完全可觀測系統(tǒng)。 2 單點(diǎn)激振頻響函數(shù)法 單點(diǎn)激振頻響函數(shù)法是依據(jù)單點(diǎn)激振各響應(yīng)點(diǎn)拾振的頻響函數(shù)來提取模態(tài)參數(shù) 的一種有效方法。該方法簡單易行，因而得到了廣泛的應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣泛的是曲 線擬合方法。為了避免由于激振點(diǎn)恰巧是某階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)而造成該階模態(tài)的丟失，試 驗(yàn)一般要在多個(gè)激振點(diǎn)上依次激振，這樣做亦可同時(shí)檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的一致性。以下給 出該方法的理論基礎(chǔ)： 令一n 自由度線性系統(tǒng)，其矩陣方程為： 【m 】 x ) + 【c 】f x ) + 【k 】 x ) = ，) ( 2 1 ) 式中 【c 卜一為粘性阻尼矩陣，其他阻尼可以通過周期耗散能相等原則轉(zhuǎn)化為等 效粘性阻尼。 m 】- 一質(zhì)量矩陣 【k 】剛度矩陣 ，l 力矩陣 設(shè)零初始條件，并對( 3 1 ) 式進(jìn)行拉氏變換，得： ( j2 m 】+ s c 】+ 【k i ) x ( s ) ) = ( ，( j ) ) ( 2 2 ) 令【b ( j ) 】( 5 2 m 】+ s c 】+ 【k 】) ， 曰( j ) 】為系統(tǒng)矩陣，則有【b ( 5 ) ( x ( 5 ) ) = f ( j ) 。 又令 】_ 【耶) 】_ 1 = 踹 ( 2 - 3 ) 則有 x ( j ) l = 日( j ) 】 ，( j ) ( 2 - 4 ) 1 0 囊衰航空靛天大學(xué)璞士學(xué)經(jīng)論文 式中，【d 0 ) 】為【8 ( 5 ) 】的伴隨矩陣，d e t b ( s ) 】為【露( s ) 】的判別式。我們知道，伴隨矩 陣之元索及d e t b ( s ) 均為s 的多項(xiàng)式，故【( s ) 】中各元素圩?？杀硎境扇缦掠欣砉剑?蹦= 篙籌篙筍 q s ， 設(shè)系統(tǒng)瓷欠阻躉系統(tǒng)登爨蠢攀重蔽，鬟投點(diǎn)麓復(fù)數(shù)量共轆殘辯譽(yù)鬻。_ l 逄靖，黌遞交數(shù) 可表示為： ( s ) 】= 步( 盟+ 盟) ( 2 - - 6 ) 一i = 1 s s is 一5 1 式中，s 。為系統(tǒng)的極點(diǎn)，且墨= o i + 豇0 。其中，o - i 為阻尼因子，為i 階模態(tài)宥 疆怒爨然頻率。e 鴦莢輟德弩，【曩】舞整數(shù)戇臻。 無阻照強(qiáng)有頻率峨，和蛾滿足： ( 0 0 ，= 口j + 2 ( 2 - - 7 ) 相對阻尼系數(shù)為： 妻=土(2-8) 吃； 模態(tài)矢爨可用【野( s ) 】靜鋅隧矩陣【d ( 。) 】來描述。 艿( s ) 】 b ( j ) 】= 【，( 2 - - 9 ) 將( 2 3 ) 帶入上式，脊： f 囂( s ) 】 d ( s ) 】= d e t 囂( s ) 】( j 】 ( 2 一1 0 ) 將系緩簸任意特征鬏帶入( 2 1 0 ) ，d e t b ( s ) 為零，予是： 【囂( 5 ) 】f d ( s ) 】= 0 ( 2 1 1 ) 上式可對應(yīng)于伴隨矩陣的任何一列( j 列) ，敞有 【四( j ) d ( j ) ) = ( 0 ( 2 - - 1 2 ) 式( 2 - - 1 2 ) 和( 2 - - 2 ) 式究全同構(gòu)，因此 d ( 粥是對應(yīng)于某極點(diǎn)的特征向量。于 是俘隧矩薄【d s ) 】酶j 捌怒瓣應(yīng)該除援點(diǎn)模態(tài)必薰驗(yàn)售計(jì)。顯然，瓣j 列豹結(jié)論適鼴 予律麓矩薄f d s ) 】豹任搿一鰳。因魏裰據(jù)( 2 3 ) 式可戮談為傳遞蕊數(shù)矩陣在任意s 值上就等于伴隨矩陣與一常數(shù)相乘。當(dāng)s 的襄鄢為零時(shí)，傳遞函數(shù)瓶陣即轉(zhuǎn)化為頻率 響應(yīng)函數(shù)矩陣。測量頻率相_ 陂函數(shù)矩陣的一列，即可對模態(tài)矢量進(jìn)行估計(jì)。由m a x w e l l - - b e t t i 駐易定理可知，頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣為對稱陣，矩陣的一行冗索同樣也具有模 態(tài)矢黛的全部信息。 囊焱( 2 1 2 ) 式蜀叛瓣燕，獲嫠夔矩簿戇一藤或者一行鷺甏彳霉裂對摸態(tài)矢量懿 估計(jì)。此模態(tài)矢量可以乘叛任何常數(shù)，而該常數(shù)麴確定取決于如秘對橫態(tài)參數(shù)正剩純。 旗干式( 2 6 ) 的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的表達(dá)式，矩陣的任一元索h 。( s ) 與模態(tài)參 磐戇耪裁縫掏串壓電元薛裁幫藏駿懿售號褥洼騷究 數(shù)育如f 芙系， = 等= 姜c 盟$ - - s i + 去，( 2 - - 1 3 ) 式中，下標(biāo)t ，p 分別表示摻振電與激振點(diǎn)黔序號，熬h 。( s ) 是對應(yīng)予p 點(diǎn)激振，f 點(diǎn) 拾強(qiáng)瓣傳遞函數(shù)或頻穗爨數(shù)；矗螄是對應(yīng)予輟贏s 。豹警數(shù)，它與撐：；互為共轆。由贅 數(shù)的定義，函數(shù)，( z ) 關(guān)于菜一階極點(diǎn)z 。的留數(shù)為； + 民 ，( z ) ；z o 】- 塵翌 ( z z o ) ，( z ) 】 ( 2 1 4 ) 則 a 缸；= h ( 5 ) 0 一島) b ( 2 - - 1 5 ) 或 = 器k 。 岱螄：掣盟一晚譴一s ) 羹鑣一s 施一s ： 】 驀 式中，d4 ( j ) 為d ( s ) 的階導(dǎo)數(shù)。 如前所述，留數(shù)中包宙有模態(tài)矢量的信息，留數(shù)求出后便可求模態(tài)矢量。 2 1 3 脈沖激勵測試技術(shù)( 錘擊試驗(yàn)) 躲瀋激融是一靜賽颥帶激勵，箕力匏頻譜較寬，一次激聚可以麗對激融出多除摸 態(tài)，因此是一種快速測試披術(shù)，其所需測試時(shí)間是正弦激勵測試的酉分之一。同時(shí)由 于它測試設(shè)備簡單，靈活性大，特別適合于現(xiàn)場測試，因此，近幾年來此方法的研究 和應(yīng)用得到了廣泛的重視和發(fā)展。從信號分析的角度看 它與隧?xiàng)骷ねo多大原則 生區(qū)別，都應(yīng)閹時(shí)采集力和 晌褒鑲譬，鄯器要終簿立跨交換蠢餮率譜分掇。必捉毒 測試精度麗采取的措施也大同小異。除了上述熬同點(diǎn)外， 脈沖激勵測試技術(shù)也有萁囪身的特點(diǎn)，本節(jié)將對這些特 點(diǎn)作蝗補(bǔ)充。 脈沖激勵法是用帶鍵力傳感器的手錘敲獺試件，給 試伴一辣；孛力。用裝在試傳上豹翔速度詩或綻移轉(zhuǎn)感器 溺羹溺寢，弱磁帶氍弱莎鍵象力移璃應(yīng)蓿號或豢援整這 兩個(gè)信號送入結(jié)構(gòu)動態(tài)分析儀中，作f f t 分析，求出頻 懿2 - i 模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng) 響函數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。測試原理如閹2 一l 所示。 脈沖激勵可分為單點(diǎn)敲擊多點(diǎn)測量和多點(diǎn)敲擊單點(diǎn)測量兩種。前者是求出頻響函 鴦隸靛空靛天大學(xué)驥士學(xué)位論文 數(shù)矩眸中的萊一列，后者怒求出頻響函數(shù)矩陣的菜一行。根據(jù)頻響瀕數(shù)矩陣的對稱性， 其分析究全相同。對于輕小試件，為了減小傳感器對試件附加質(zhì)量的影響，常采用單 點(diǎn)測徽多點(diǎn)敲擊方法。對于大試件可在各測點(diǎn)上同時(shí)安裝傳感器，在一點(diǎn)激勵，這樣 一次饅w 記錄激勵及所有響虛點(diǎn)的信號，然囂研一一求得各點(diǎn)的顙響函數(shù)。 赫猙激振戇缺熹是測試穰凄不及委弦激麓滾離，不謾在薄壁綾褥上濺試。瑟努， 頻率分辨率受f f t 分拆儀的限裁，不會狠商。 2 1 4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的試驗(yàn)過程 試騷模態(tài)分析主要趨通過模態(tài)試驗(yàn)，測鬟系統(tǒng)的振動響應(yīng)信號，或同時(shí)測量系統(tǒng) 戇激激壤號、穗斑售號，鈦溺萋到豹售號孛，浚到 描述系統(tǒng)動力特征的有關(guān)參數(shù)。識剮的主要內(nèi)容有 以下兩種： ( 1 ) 物理參數(shù)識別，包括質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和 阻尼矩陣； ( 2 ) 模態(tài)參數(shù)識爨，像旗霹有頻率、衰減系數(shù)、 摸杰灸蘧、模態(tài)囂l 瘦弱穰愨阻尼。 測試的基本步驟如下，流程圖見圖2 2 ： ( 1 ) 確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將試?yàn)結(jié)構(gòu)支撐起來( 邊界 條件的確定) 。 ( 2 ) 模態(tài)試驗(yàn)，激勵試驗(yàn)結(jié)構(gòu)( 本章試驗(yàn)用鑲擊 法 ，勞記錄原點(diǎn)及冬濺杰懿激聚、睫應(yīng)時(shí)越爨程。 ( 3 ) 辯各測點(diǎn)懿薅凌掰獠羽記錄數(shù)據(jù)透行數(shù)字信 號處濺，利用f f t 求出各測點(diǎn)的傳遞函數(shù)，并綴成 傳遞函數(shù)矩陣。 ( 4 ) 進(jìn)行參數(shù)識別。 ( 5 ) 避行動畫顯示。 2 2l m s c a d a 。x 橫態(tài)分析軟鋅籬介 圖2 2 模態(tài)試驗(yàn)流程 在本文中使用l m s 公司的c a d a - - x 模態(tài)分析軟件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)分析。配合h p - - b 2 0 0 0 工作站和h p v x 嫩1 4 0 0 數(shù)據(jù)采集前端的使用，c a d a x 軟件完成了從數(shù)據(jù) 采集到頻響函數(shù)的生成，到綴后的模態(tài)分析褥到模態(tài)參數(shù)的所有功熊。下面就來簡要 奔緩下該較 孛懿縫殘每囊葵魂戇。 l m s 公司的c a d a - - x 軟件庫是由一系列的程序模塊組成酌。箕中有一個(gè)控制模 塊或者應(yīng)用管理器和許多的操作環(huán)境，每一個(gè)操作環(huán)境適合于不同渤態(tài)測試和分析情 智能糖攀毒縫擒申疆毫元搏鼴郝瓣荻楚信號特蛙研究 圈2 3c a d a i x 軟件示意圖 況的需要。整個(gè)軟件庫的結(jié)構(gòu)如圖2 3 所示。 1 _ 墨控模塊 c a d a - - x 的主模塊怒蒎鉚模塊或管理器，強(qiáng)弱戶一開始進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)候接魅劐鵲 就是該模塊。該模塊主饕管理以下幾個(gè)方面： 預(yù)定操作環(huán)境。 操作環(huán)境在圖2 3 中可以看到，一旦打殲一個(gè)工程以后就可以進(jìn)行該操作。 肇位定義。 躅聲可強(qiáng)禳握工程豹囂蘩來定義一緩孳愛。翔戶可菠在飪囂攆黲臻麓中速耩一緞 單位，但只能在主界面上定義單位。 輸出數(shù)據(jù)。 c a d a - - x 軟件與其他的很多平臺之間是可以傳輸數(shù)據(jù)的。 2 模態(tài)分析中的主要功能模塊 死囂建模( g e o m e t r y ) c a d a - - x 幾何建談模塊跫一個(gè)操作環(huán)境，研馥跌c a d a - - x 主疲翔管理器中頸是。 在該環(huán)境中可以對要進(jìn)彳亍分析的模型進(jìn)行幾何建模。在該環(huán)境中提供了幾何建模所有 的功能，如各種坐標(biāo)系的選擇、各種線條的選擇等等。并且可以在d i s p l a y 窗口中實(shí) 1 4 舞京簸空靛天大學(xué)矮士箏霞論文 時(shí)的觀察所建模型的狀態(tài)。其幾何建模的功能非常的強(qiáng)大。在c a d a - - x 主模塊