項目報告-高應變研究

研究目的和意 傳感器預壓應力施加技術(shù)研 預應力施加技術(shù)方 預緊圓環(huán)研究與設 預應力傳感器設 小 結(jié)構(gòu)高應變區(qū)傳感器安裝技術(shù)研 應變傳遞研 應變傳遞理論模 應變傳遞影響因素分 結(jié)構(gòu)、膠層、傳感器應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 傳感器應變承受能力測試技 傳感器應變承受能力測試實驗平 膠層厚度對傳感器應變承受能力影響測試實 膠層彈性模量對傳感器應變承受能力影響測試實 結(jié)構(gòu)高應變區(qū)域Lamb波特性研 小 適用于結(jié)構(gòu)高應變區(qū)域的新型傳感器封裝技 結(jié)構(gòu)高應變區(qū)傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化布設技 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)絡為基礎的結(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)測的一個關鍵因素是先進傳感技術(shù)及其系統(tǒng)。國內(nèi)外學者對包括光纖傳感、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研發(fā)的壓電智能夾層傳感器網(wǎng)絡[11,12]，目前已在飛行器上進行了超聲導波健康監(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機身結(jié)構(gòu)和C-17機和載荷變化影響，在飛行環(huán)境下應用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)進行規(guī)范化處理，并在機身和機翼連接結(jié)構(gòu)處的螺栓松動監(jiān)測試驗中進行了驗證。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)的研究進展。盡管SHM技術(shù)取得了長足進步但數(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)的適應性耐久性和診斷結(jié)果的可靠性提出了嚴峻飛機服役環(huán)境十分復雜和惡劣對壓電傳感的選擇、設計和操作以適應這種獨特的環(huán)境提出了嚴峻。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)和復合壓電傳感器(PFPZT復合)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)絡為基礎的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structuralhealthmonitoring,SHM)是確保飛行器結(jié)構(gòu)設計先進性、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預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力；器對Lamb波信號的激勵和接收，并且建立了相關的數(shù)學模型[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)學模型，主要用來分析傳感器激勵信號時，應變的傳遞過程。VictorGiurgiutiu等人[20]進行了類似的工作，建立剪力滯后理論膠層上的剪應要分布在邊緣位置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，但此類問題很難進行準確的數(shù)學分析，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)的應變傳遞給傳感器。膠監(jiān)測結(jié)圖12所示的單元體進行分析，在外載荷的作用下，基底結(jié)構(gòu)受到的拉應力為b，膠層通過純剪切的作用，將應變傳遞到傳感器上。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)彈性力學連續(xù)性假設和位移與應變之間的關系，可以得到則基體結(jié)構(gòu)和PZT傳感器的應變分別為[17]dub

dup,up

Bernoulli-Eulerdp

0,dbb

其中，α與應變的分布情況有關，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

對上面的式子進行求導，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)和傳感器上的應變分布情況，將傳感器上的應變值除以基底結(jié)構(gòu)的應變值，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，比較準確的分析應變的傳遞情況。因此，我們分別結(jié)合與ABAQUSABAQUS軟件提供了強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，應變傳遞效率的表達式軟件具有強大的數(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)。剪力滯后效應在結(jié)構(gòu)工程中是一個普遍存在的力學現(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（MEMS）變傳感器的應變傳遞情況進行了響，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作為當前厚度膠層的應變傳遞效率。同時利用前面的應變傳遞效率公式，計算不同厚度時的傳6-66-7所示。增加將導致應變傳遞效率的降低，相同厚度時，ABAQUS計算的結(jié)果小于理論分析的結(jié)果。導圖910不同膠層厚度時傳感器上的應變分布（25m、50m、100m導致應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變分布（0.4mm、0.6mm、遞系數(shù)的影響較大當傳感器厚度為0.2mm無論是理論分析結(jié)果還是ABAQUS計算結(jié)果，應變的傳遞系數(shù)都比較大，為0.6~0.7。當傳感器的厚度增加到1mm后，應變傳遞系數(shù)迅速降低到0.3~0.4。但根據(jù)ABAQUS計算結(jié)果顯示，當傳感器厚度達到0.6mm以后，應變傳遞效率降圖14圖156-1420GPa70P。從分析結(jié)果來看，此時應變的傳遞%90P0.55%左右的應變。圖1617不同彈性模量時傳感器上的應變分布（40GPa、60GPa、100GPa6-15所示。所以為了充分發(fā)揮傳感器承受高應變的能力，應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行了分析0.6mm后應變基本維持不變；4mm后基行為膠層在拉升方向的邊緣處會出現(xiàn)應力集中的情況導致膠層損壞或是脫粘所以面理以及近些年出現(xiàn)的新型光線應變傳感器測量法，如圖18所示[22]。機械電測光測

雙杠桿應變接觸式千分表應變手持式應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)字圖像相關方其他新方法：光纖應變傳感器圖18電測法中的電阻應變計時一種成應用范圍最為廣泛的應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行分析電阻應變計簡稱為應變計或應變片一般由敏率和安裝應變計處構(gòu)件的應變a）1；b）1%；c）0~2104由于傳感器上的應變值很小，沒有達到1000

驗方案選擇應變片和光纖傳感器同時進量。其中應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，高應變區(qū)域上下表面的傳感器對稱分布，在非高應變區(qū)域布置一個傳感器，進行Lamb波信號的激勵，同一側(cè)內(nèi)的其余傳感器進行Lamb波信號的33個試件。圖19到不同應變等級下應變的傳遞情況，所以每隔500m進行一次加載和，得到傳感器和鋁板的應變，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行試件選擇3.1.3中制作的試件，在應變測量的同時對地面粘貼的5個傳感器進行阻抗信號另一面的6個傳感器進行LambLamb5個傳感器Scan應變，每間隔500

m為當鋁板上的應變達到4500

狀態(tài)，進行一次信號，同樣在關閉拉伸機之后再進行一次信號同種環(huán)氧樹脂，5結(jié)構(gòu)高應變區(qū)域Lamb波特性研單一傳感器，不同應變等級時，Lamb ,"先進復合材料與航空航天,"復合材料學報,vol.24,pp.1-12,卿新林,,and,"結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及其在航空航天領域中的應用,"實驗力學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則,"力學進展,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