一種壓電智能骨料力學模型的建立方法與流程
2023-10-10 16:54:24
本發明屬於結構工程領域，尤其涉及一種壓電智能骨料力學模型的建立方法。
背景技術：
圍繞智能材料與結構系統開展相關新理論和新方法研究是推動結構健康監測與損傷診斷、結構振動與災害響應智能控制體系及結構局部損傷智能修復體系研究的重要理論基礎。以壓電材料為代表的智能材料與結構系統，集傳感、驅動及信息處理於一體的優越特性，為土木工程結構健康監測與損傷診斷開拓了新的途徑，得到了廣泛應用。
基於壓電智能傳感器與驅動器的土木工程結構健康監測與損傷識別技術雖然取得了頗為豐碩的階段性的研究成果。但是有關壓電智能傳感/驅動器的理論研究、模型建立、數值模擬、損傷識別方法建立以及試驗研究等尚待進一步研究，主要包括以下幾個方面:
(1)由於PZT傳感器的邊界條件和應力狀況比較複雜，與混凝上結構的界面及聲阻抗匹配性能差，頻帶響應窄等，很難進行精確的理論分析，直接影響其測試精度和有效性。目前，壓電傳感器與主體結構有埋入和粘貼兩種連接方式，無論釆用哪種連接方式，都是假定PZT傳感器的受力與輸出電壓成線性關係，對於連接膠層等因素的影響考慮較少，造成分析結果與實際情況存在一定的差距。同時，PZT片與粘結層的稱合及建模理論的深入研究少，壓電傳感器應用研究仍以器件發為主，理論仿真多，試驗驗證少。
(2)基於PZT驅動器技術的研究中，一方面，將PZT片與基體稱合，利用靜力學平衡原理，假設接觸面處的應變相等來計算驅動力，而考慮PZT在交變電壓作用下的動力特性的研究相對較少；另一方面，在實際應用中，很難精確建立驅動器輸入信號與其產生驅動力的關係；在理論研究中，沒有考慮PZT材料特性、PZT與基體之間粘接層對驅動力的影響。所以，粘貼式和埋入式PZT驅動技術的建模理論和試驗研究還不完善。
(3)作為埋入式壓電陶瓷傳感器和驅動器，僅僅通過改善其封裝和加強其施工保護措施，對其使用壽命的提高所起的作用十分有限。埋入結構內部的PZT傳感器和驅動器面臨老化問題，一旦失效將難以直接替換。同時，埋入式傳感器和驅動器基本力學性能(如抗壓、抗剪)及在較高應力下自身與界面粘接程度、疲勞性能、耐久性(如抗凍融循環等)等問題的研究還沒能完全解決，限制了其進一步的推廣和應用。
(4)土木工程結構不確定的影響因素和複雜時變的工作環境將對結構損傷識別參數的敏感性造成不利影響，實測數據和結構模型具有強烈的本質不確定性，以確定性的方式處理具有本質不確定性的結構損傷問題，掩蓋了損傷導致的結構響應的變化。對結構在荷載作用下的長期連續監測中，結構的損傷引起信號的變化可能被噪聲信號所淹沒。僅依靠偶爾的單次監測數據不能完全反映結構的健康狀態，有時甚至會出現判別錯誤的現象，導致理論方法與實際應用的矛盾，阻礙了基於壓電智能傳感/驅動器的結構健康監測與損傷識別方法的應用。
(5)傳統監測系統耐久性與穩定性不好、抗電磁幹擾能力不強，開展的有關試驗研究以橋梁結構和簡單的混凝土構件(梁、柱、板等)為主，對於大體積、足尺寸混凝土結構還缺乏理論和試驗研究。基於壓電傳感/驅動特性的複雜結構，研發出一套完善的健康監測策略和損傷綜合評定方法還有待於進一步提出。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種壓電智能骨料力學模型的建立方法，旨在解決背景技術中所述以下問題：
(1)對於連接膠層等因素的影響考慮較少，造成分析結果與實際情況存在一定的差距；
(2)在實際應用中，很難精確建立驅動器輸入信號與其產生驅動力的關係；沒有考慮PZT材料特性、PZT與基體之間粘接層對驅動力的影響；
(3)作為埋入式壓電陶瓷傳感器和驅動器，僅僅通過改善其封裝和加強其施工保護措施，對其使用壽命的提高所起的作用十分有限；
(4)土木工程結構不確定的影響因素和複雜時變的工作環境將對結構損傷識別參數的敏感性造成不利影響，實測數據和結構模型具有強烈的本質不確定性，以確定性的方式處理具有本質不確定性的結構損傷問題，掩蓋了損傷導致的結構響應的變化；對結構在荷載作用下的長期連續監測中，結構的損傷引起信號的變化可能被噪聲信號所淹沒，僅依靠偶爾的單次監測數據不能完全反映結構的健康狀態，有時甚至會出現判別錯誤的現象，導致理論方法與實際應用的矛盾，阻礙了基於壓電智能傳感/驅動器的結構健康監測與損傷識別方法的應用；
(5)傳統監測系統耐久性與穩定性不好、抗電磁幹擾能力不強。
本發明是這樣實現的，一種壓電智能骨料力學模型的建立方法包括：
基於PZT正壓電效應的本構關係和結構動力學的振動原理，採用集總質量法，分別建立粘貼式和埋入式PZT傳感器的力學模型及數學模型；
基於PZT逆壓電效應的本構關係和結構動力學的振動原理，採用集總質量法，分別建立單片PZT沿長度方向自由振動、粘貼式和埋入式PZT驅動力學模型。
進一步，不考慮粘結膠層與自身阻尼時，粘貼式PZT智能傳感器的兩個極板之間的輸出電壓量U/(t)為：
其中，m，k和x分別為PZT的質量，等效剛度和在荷載作用下的位移，ωn為PZT固有頻率，且滿足ωn＝k/m，x(t)為PZT片在荷載作用下的位移；
考慮粘結膠層與自身阻尼時，粘貼式PZT智能傳感器的兩個極板之間的輸出電壓量U/(t)為：
其中m1，c1，k1，x1分別為膠層質量、阻尼、剛度和位移；m2，k2，x2分別為PZT的質量、等效剛度和位移；ω為簡諧荷載激勵頻率，ωn為PZT固有頻率；
考慮自身阻尼影響時，粘貼式PZT智能傳感器PZT智能傳感器的兩個極板之間的輸出電壓量U/(t)為：
埋入式PZT傳感器的輸出電壓表達式為：
進一步，PZT單片自由振動驅動器在外加交變電壓U＝U0 sinωt作用下的沿長度方向振動位移的解析解為：
PZT單片沿x方向的應力分布為：
進一步，無阻尼自由振動PZT驅動器的上下端面輸出力F(t)的表達式為：
考慮膠層阻尼影響PZT驅動器輸出的驅動力為：
進一步，所述壓電智能骨料包括桂膠防水層、PZT片、屏蔽導線與接頭、細實混凝土或砂漿外包保護層；
PZT片位於骨料中心位置，屏蔽導線的一端與PZT片連接，另一端與屏蔽接頭連接，屏蔽接頭與信號發射及釆集通道相連，壓電智能骨料外部為細實混凝土或砂漿外包層。
進一步，該壓電智能骨料的製作方法為：
步驟一、將屏蔽導線按照需要長度修剪好，去掉導線兩端的保護層露出銅，用丙酮擦拭去除PZT表面的油汙和鍵銀電極上的氧化膜，待表面乾燥後，選用焊錫和小功率的電烙鐵將屏蔽導線一端與PZT片燥接；
步驟二、埋入骨料中的PZT片與混凝土之間不要直接接觸，將焊接好的PZT片的兩個表面塗上1mm左右厚的防水層，採用環氧樹脂與固化劑的混合物或娃膠作為防水材料，將塗好防水材料的PZT片放在自然環境中通風涼幹；
步驟三、將鋼模具加工成智能骨料所需尺寸，並在鋼模一端預留引出導線的缺口，製作木支座，預留與鋼模相同的孔洞，用來固定鋼模，用塑料薄膜將鋼模缺口包裹好，並將鋼模固定在木支座內；
步驟四、根據混凝土結構的材料強度及受力情況，外包層選用與基體材料相容性好的砂漿或細石混凝土；
步驟五、在鋼模內部均勻塗抹一薄層機油作為脫模劑，將配置好的細石混凝土澆入鋼模中，並振實混凝土，當澆注的厚度達到鋼模厚度的一半時，將準備好的PZT片平穩地放入鋼模內混凝土表面的正中間，並將導線放在缺口處，繼續向鋼模內添置細石混凝土直至填滿並振實，待混凝土密實後用抹子抹平骨料表面。
本發明的另一目的在於提供一種基於所述壓電智能骨料的混凝土結構動力響應檢測與評估方法，方法將埋入PZT片的智能骨料作為傳感器，當智能骨料受到壓力F時，所產生的外電路電壓V，表示為：
其中，Ap、h、g33分別為PZT傳感器的面積、厚度與電壓常數。
本發明公開了一種與混凝土等主體結構相容性好、耐久性好、抗幹擾能力強、靈敏度高、成本低廉的新型傳感/驅動器元件——壓電智能骨料及其製作工藝流程，將壓電智能骨料應用於實際工程中相關的構造措施和細部要求；基於PZT正逆壓電效應，並結合彈性動力學集總質量法，建立了由粘貼式和埋入式PZT傳感器、驅動器與結構組成的簡化力學模型，推導了PZT傳感器和驅動器力學模型的「力-電」解析表達式。證明了壓電傳感/驅動器輸入與輸出的線性關係，運用所建立的模型能夠有效地模擬監測信號的激勵與接收規律，驗證了所建立的力學模型和數值算例結果的合理性和正確性。
壓電智能骨料具有良好的抗壓、抗剪及抗凍融循環的能力，能夠滿足混凝土結構健康監測的需求。從而使其在實際工程條件下能很好地保持力學性能的穩定性，確保與混凝土材料具有同樣的服役壽命。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的粘結膠層彈性模量與PZT傳感器輸出電壓關係圖。
圖2和圖3分別是本發明實施例二的濾波前和濾波後的信號圖。
圖4是PZT自由振動算例分析的模擬輸入的電信號時程曲線。
圖5是PZT自由振動算例分析的位移幅值分布曲線。
圖6是實施例三提供的位移-時程曲線。
圖7是實施例三提供的應力-應變本構關係曲線。
圖8是實施例四提供的剪切應力幅值曲線。
圖9是實施例四提供的剪切力時程曲線。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。
一種壓電智能骨料力學模型的建立方法包括：
基於PZT正壓電效應的本構關係和結構動力學的振動原理，採用集總質量法，分別建立粘貼式和埋入式PZT傳感器的力學模型及數學模型；
基於PZT逆壓電效應的本構關係和結構動力學的振動原理，採用集總質量法，分別建立單片PZT沿長度方向自由振動、粘貼式和埋入式PZT驅動力學模型。
本發明的另一目的在於提供一種壓電智能骨料，該壓電智能骨料包括桂膠
防水層、PZT片、屏蔽導線與接頭、細實混凝土或砂漿外包保護層；
PZT片位於骨料中心位置，屏蔽導線的一端與PZT片連接，另一端與屏蔽接頭連接，屏蔽接頭與信號發射及釆集通道相連，壓電智能骨料外部為細實混凝土或砂漿外包層。
本發明的另一目的在於提供一種基於壓電智能骨料的混凝土結構動力響應檢測與評估方法，該方法將埋入PZT片的智能骨料作為傳感器，當智能骨料受到壓力F時，所產生的外電路電壓V，表示為
其中，Ap、h、g33分別為PZT傳感器的面積、厚度與電壓常數。
進一步，不考慮粘結膠層與自身阻尼時，粘貼式PZT智能傳感器的兩個極板之間的輸出電壓量U/(t)為：
其中，m，k和x分別為PZT的質量，等效剛度和在荷載作用下的位移，ωn為PZT固有頻率，且滿足ωn＝k/m，x(t)為PZT片在荷載作用下的位移。
進一步，考慮粘結膠層與自身阻尼時，粘貼式PZT智能傳感器的兩個極板之間的輸出電壓量U/(t)為：
其中m1，c1，k1，x1分別為膠層質量、阻尼、剛度和位移；m2，k2，x2分別為PZT的質量、等效剛度和位移；ω為簡諧荷載激勵頻率，ωn為PZT固有頻率。
進一步，考慮自身阻尼影響時，粘貼式PZT智能傳感器PZT智能傳感器的兩個極板之間的輸出電壓量U/(t)為：
進一步，埋入式PZT傳感器的輸出電壓表達式為：
進一步，PZT單片自由振動，驅動器在外加交變電壓U＝U0 sinωt作用下的沿長度方向振動位移的解析解為：
PZT單片沿x方向的應力分布為：
進一步，無阻尼自由振動PZT驅動器的上下端面輸出力F(t)的表達式為：
進一步，考慮膠層阻尼影響PZT驅動器輸出的驅動力為：
進一步，所述壓電智能骨料的製作方法為：
步驟一、將屏蔽導線按照需要長度修剪好，去掉導線兩端的保護層露出銅，用丙酮擦拭去除PZT表面的油汙和鍵銀電極上的氧化膜，待表面乾燥後，選用焊錫和小功率的電烙鐵將屏蔽導線一端與PZT片燥接；
步驟二、埋入骨料中的PZT片與混凝土之間不要直接接觸，將焊接好的PZT片的兩個表面塗上1mm左右厚的防水層，採用環氧樹脂與固化劑的混合物或娃膠作為防水材料，將塗好防水材料的PZT片放在自然環境中通風涼幹；
步驟三、將鋼模具加工成智能骨料所需尺寸，並在鋼模一端預留引出導線的缺口，製作木支座，預留與鋼模相同的孔洞，用來固定鋼模，用塑料薄膜將鋼模缺口包裹好，並將鋼模固定在木支座內；
步驟四、根據混凝土結構的材料強度及受力情況，外包層選用與基體材料相容性好的砂漿或細石混凝土；
步驟五、在鋼模內部均勻塗抹一薄層機油作為脫模劑，將配置好的細石混凝土澆入鋼模中，並振實混凝土，當澆注的厚度達到鋼模厚度的一半時，將準備好的PZT片平穩地放入鋼模內混凝土表面的正中間，並將導線放在缺口處，繼續向鋼模內添置細石混凝土直至填滿並振實，待混凝土密實後用抹子抹平骨料表面。
本發明通過以下實施例來驗證壓電智能骨料力學模型的準確性：
實施例一
PZT片表面被均勾塗上厚1mm的防水膠層，並埋入混凝土中製成壓電智能骨料。當受到作用力幅值200N，3000Hz時，可得PZT傳感器的電壓輸出值為
US＝0.266V
埋入混凝土中的壓電陶瓷在不同粘結膠層影響下，傳感器電壓輸出曲線，如圖1所示。
實施例二
首先在鋁片表面粘貼PZT傳感器，然後將粘貼式和埋入式PZT傳感器固定在夾具上，通過MTp驅動器施加正弦荷載激勵，使傳感器接收信號並通過數字示波器採集數據。以φ20PZT單片為例採用了巴特沃斯帶通濾波進行數據處理。如圖2和圖3所示，為φ20PZT單片在驅動電壓為2V，頻率l00Hz作用下，截取的濾波前和濾波後的信號。
濾波後的信號明顯好於濾波前的信號，且計算得到濾波前的電壓幅值為0.09634V，濾波後的電壓幅值為0.08627V，最小幅值為0.08465V，峰峰值為0.1709V，誤差為
這也證明了所建立的PZT傳感力學模型是合理的。
實施例三
根據所建立的PZT驅動模型，對PZT自由振動情況下的端部位移-時程曲線、應力-應變本構關係分布曲線進行數值模擬分析。其中，PZT各參數如下表所示。
選取簡諧交變激勵電壓信號頻率f＝1.54Hz
即U＝U0 sin(ωt)＝300sin(2π×1.54)t
其中，f為數值模擬中懸臂梁的一階固有頻率，模擬輸入電信號時程曲線圖，如圖4和圖5所示。
選取端部位移最大值的位置進行分析，取時程為Is，繪製端部位移-時程曲線，則x＝lL/2處PZT自由振動的位移-時程曲線，如圖6所示，PZT振動位移與電壓幅值成線性比例關係。分析各點在簡諧交變電壓作用下的PZT應力及應變分布，其關係如圖7所示。由圖可知，PZT驅動器應力不僅與應變有關，而且隨著外加電場強度的變化而變化。但是電場強度對PZT各點應力的影響與其位置無關，應力-應變關係仍保持線性關係，與模型建立時理論分析結果一致。
實施例四
由上述PZT驅動模型及驅動方程的理論推導結果，對粘結層的材料特性、傳遞的切應力及其厚度變化對PZT驅動性能的影響進行算例分析。激勵電壓信號仍為
U＝U0 sin(ωt)＝300sin(2π×1.54)t
粘結層材料選取502膠，模擬輸入電信號時程圖，如圖8所示。PZT在交變電壓作用下沿長度向振動時，膠層傳遞剪切力，其膠層傳遞剪切應力分布情況，如圖9所示。
由圖可知，膠層傳遞的剪切應力以正弦波的形式從PZT長度方向的中點傳遞至邊界，這也是應力波產生的根源。
本發明公開了一種與混凝土等主體結構相容性好、耐久性好、抗幹擾能力強、靈敏度高、成本低廉的新型傳感/驅動器元件——壓電智能骨料及其製作工藝流程，將壓電智能骨料應用於實際工程中相關的構造措施和細部要求；基於PZT正逆壓電效應，並結合彈性動力學集總質量法，建立了由粘貼式和埋入式PZT傳感器、驅動器與結構組成的簡化力學模型，推導了PZT傳感器和驅動器力學模型的「力-電」解析表達式。證明了壓電傳感/驅動器輸入與輸出的線性關係，運用所建立的模型能夠有效地模擬監測信號的激勵與接收規律，驗證了所建立的力學模型和數值算例結果的合理性和正確性。
壓電智能骨料具有良好的抗壓、抗剪及抗凍融循環的能力，能夠滿足混凝土結構健康監測的需求。從而使其在實際工程條件下能很好地保持力學性能的穩定性，確保與混凝土材料具有同樣的服役壽命。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。