基于固有模态函数振动传递率的结构损伤识别

提出了无需量测外荷载的新的结构损伤识别方法,将经验模态分解应用于结构损伤识别,通过求振动响应信号固有模态函数的振动传递率,构建结构损伤识别参数;通过对预置不同开胶损伤程度的玻璃幕墙试件进行动态测试,得到不同损伤程度下玻璃幕墙的固有模态函数振动传递率,并根据振动传递率的差别来识别和评估玻璃幕墙开胶损伤程度。研究结果表明:与传统方法相比,该方法无需量测外荷载也能精确识别结构损伤,通过损伤参数值也能判断损伤大小。

固有模态函数振动传递率损伤识别实验研究

针对风荷载、地震荷载等存在但难以精确量测的问题,提出一种无需量测外荷载的新的损伤识别方法。将经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)应用于结构损伤识别,通过求振动响应信号固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)的振动传递率,构建了一种新的结构损伤识别参数。对预置不同程度开胶损伤的玻璃幕墙试件进行动态测试,得到不同损伤程度下玻璃幕墙的固有模态函数振动传递率,与无损伤条件下的固有模态函数振动传递率进行比较来识别和评估玻璃幕墙开胶损伤程度。研究表明:此方法无需量测外荷载也能识别结构损伤,损伤参数值能反映损伤大小。

叉指式压电纤维复合材料驱动器的结构优化

叉指式压电纤维复合材料(Interdigitated Electrodes Piezoelectric Fiber Composites,IDEPFC)利用纤维形的压电相和叉指形电极相互作用,提高了复合材料的韧性,因其特有的压电正交异性驱动性能,在智能材料与结构中有着广泛的应用前景。基于COMSOL Multiphysics仿真计算平台,采用有限元分析方法,计算了1-3型压电陶瓷纤维复合材料中关键的叉指式电极(IDE)几何尺寸与压电陶瓷纤维基体的度之间的关系对IDEPFC驱动性能的影响规律,分析了压电陶瓷纤维直径、分支电极宽度与电极间隙对叉指式压电纤维复合材料驱动应变的变化影响趋势。结果表明:当电极宽度等于基体厚度的一半时,可得到最优的正交异性驱动性能;采用直径越小的压电陶瓷纤维,从而减少基体厚度,有助于提高IDEPFC的驱动灵敏度;减小电极间隙可以降低驱动电压,当电极间隙与基体厚度的比值大于4时,可以获得最大的驱动应变。研究成果为叉指式压电纤维复合材料的优化设计提供了理论指导。

CS损伤成像中的时间逆转多重信号分类算法

将时间逆转多重信号分类算法应用于混凝土结构内部损伤检测中,由换能器单元发射的信号和接收的损伤回波信号构建传递矩阵,并通过对传递矩阵奇异值分解后得到的奇异值反映了损伤的数量与损伤的程度,奇异向量则包含了损伤信息,基于多重信号分类算法结合奇异向量对CS内部结构成像并实现损伤定位,通过数值仿真和实验验证了时间逆转成像方法用于CS损伤检测的可行性,实现了损伤的准确定位。

基于FPGA技术的新型相控阵驱动电路

近年来,结构损伤中超声相控阵检测技术正逐渐成为国际无损检测领域的研究热点之一。由于目前超声相控阵驱动电路中大多采用脉冲信号的激励方式,驱动信号的强度难以控制,缺陷处回波的有效信号不够突出,使得相控阵检测的分辨率较低。针对这一问题,提出了一种基于FPGA技术的新型超声相控阵驱动电路,该驱动电路利用FPGA片上丰富的逻辑资源以及其编程的灵活性,实现了任意波形信号的激励,并且依据超声波在材料中的衰减规律,通过在片上构建强度控制算法实现了缺陷处应力波等强度的目的,从而提高了缺陷检测的分辨率和信噪比。系统主要包括激励信号生成模块、强度程序控制模块以及高频功放模块。最终通过实验,验证了系统的可行性。

1-3型压电陶瓷纤维复合材料性能的理论分析与实验研究

针对1-3型正交异性压电陶瓷纤维复合材料(Piezoceramics Fiber Composite,PFC)的构造原理,通过建立有限元模型,分析了叉指形电极关键尺寸和压电陶瓷纤维直径等对其传感性能的影响,并通过实验对制备的1-3型PFC传感元件的正交异性特性进行了验证,仿真及实验结果表明该传感元件具有明显的正交异性,能区分不同方向的应力波,减小电极中心距和纤维直径能提高传感元件的传感性能。

基于FPGA的超声相控阵相控发射系统的研究

相控阵超声发射波束形成的关键环节是对各阵元发射相位延时进行精确控制,文中研究了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现超声相控延时算法和相位延时控制集成的相控发射系统。分析了超声相控阵系统中线性阵列换能器相控聚焦延时算法,完成了相控聚焦算法设计并通过实验进行了验证;相控延时控制部分以数字波形发射技术为基础,研究了基于系统时钟的相控发射粗延时,延时分辨率可达15 ns;以及基于数字波形相位差的相控细延时,可达到0.35°的相位分辨率,对应250 kHz发射信号下3.75 ns的相位延时。

高灵敏度宽频带OPCM超声换能器的试制

正交异性压电复合材料(Orthotropic Piezoelectric Composite Materials,OPCM)超声换能器因其特有的正交异性特征具有发射和接收定向波信号的能力,有助于提高结构损伤定位精度。在OPCM元件研究的基础上,理论分析了声阻抗匹配层与OPCM元件间的声阻抗关系,并通过实验验证了带声阻抗匹配层的OPCM换能器具有更高的正交比,灵敏度和带宽也进一步得到提高。

压电微悬臂梁传感器性能的数值模拟研究

基于力-电双向耦合理论,采用有限元方法,数值模拟研究压电微悬臂梁的灵敏度,并进行参数分析,为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。理论分析微悬臂梁在空气和液体中的共振频率和自身结构参数的定量关系,灵敏度与共振频率变化量、被测物质量的关系,通过数值模拟得到悬臂梁长度、宽度、厚度及共振阶数对微质量检测压电悬臂梁灵敏度的影响。在长期研究OPCM压电传感材料的基础上,进一步提出纵向振动的OPCM材料制作悬臂梁,数值模拟结果表明OPCM比PZT悬臂梁具有更高的灵敏度。数值模拟结果为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。

基于NiosⅡ的超声相控阵数据采集系统

超声相控阵技术具有支持动态聚焦、复杂形状物体检测,能够提高检测灵敏度、分辨力和信噪等优点,已经成为无损检测领域的研究热点。超声相控阵数据采集系统是超声相控阵检测系统的核心技术之一。文中设计了一种NiosⅡ软核处理器为核心超声相控阵数据采集系统。该系统主要包括NiosⅡ软核、高速数据存储器、ADC、滤波器模块和运算放大器。最后,对整个数据采集系统进行了测试和验证。

OPCM超声换能器的驱动性能及正交异性研究

研究了正交异性压电复合材料(OPCM)换能器的驱动特性,采用1-1型OPCM制备了换能器,对其驱动原理及正交异性进行了理论分析。通过数值仿真和实验测试了其在横观正交方向上不同的压电特性,即正交异性,并得出正交比,该特性可聚集特征信号的能量,从而提高结构损伤的定位精度。OPCM超声换能器模拟与实验测试结果一致,研究表明,这种新型换能器具有明显的正交异性,能在特定方向产生定向应力波,其驱动性能优于片状压电元件。

微直径压电纤维压电应力常数的测量方法

基于1-3型压电纤维复合材料的细观力学模型与压电纤维压电常数的测量方法,探讨了一种新的测量细微直径压电陶瓷纤维压电应力常数的方法。阐述了这种等应变法的测量原理,分析了实现等应变测量压电应力常数的条件,制作了测量试件,用实验验证了这种测量方法的可行性,为细微直径压电陶瓷纤维的压电常数测量提供了一个有效途径。

应用声发射技术的钢筋与混凝土粘结滑移特性研究

为研究钢筋与混凝土间的粘结滑移特性,分别对不同粘结长度的钢筋混凝土试件进行了拉拔试验,同时对粘结长度相同而钢筋外形不同的试件进行了比较试验。利用声发射技术采集相应波形信号,并对采集信号进行了小波去噪和Gabor小波时频分析。结果显示,各试件受力全过程均可分为完全粘结、局部脱粘、非线性滑移及残余粘结四个阶段;不同粘结长度下的粘结滑移特性有所不同,其AE能量分布亦可反应该特性的变化;而钢筋外形不同的试件其粘结滑移特性有较大的区别,但不同试件在同一受力阶段,其声发射信号的时频特性基本相同。该研究同时得到了对应于构件宏观损伤和失效两个预警信号的声发射特性。