李　成，陳功軒，鐵　瑛，牛冬冬

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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基于壓電阻抗技術(shù)的鋁梁損傷定位試驗(yàn)研究

李成，陳功軒，鐵瑛，牛冬冬

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為了識(shí)別鋁梁結(jié)構(gòu)損傷位置，運(yùn)用壓電阻抗技術(shù)對鋁梁進(jìn)行了損傷定位試驗(yàn)研究.用精密阻抗分析儀在不同頻率段下對無損及自制損傷孔兩種情況下的阻抗實(shí)部信號(hào)進(jìn)行測量，并用pearson相關(guān)系數(shù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過多次試驗(yàn)找到了阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)值與壓電陶瓷傳感器(piezoceramic transducer, PZT)和損傷之間距離近似成線性關(guān)系的適測頻率段.并在適測頻率段內(nèi)進(jìn)行鋁梁損傷定位試驗(yàn)，損傷孔及裂紋位置的探測值與實(shí)際值基本吻合，從而證實(shí)了該方法應(yīng)用于鋁梁損傷定位的有效性，可為無損檢測的損傷定位提供參考.

壓電阻抗技術(shù)；無損檢測；損傷定位；相關(guān)系數(shù)；阻抗

0　引言

目前，對于結(jié)構(gòu)損傷的檢測技術(shù)主要有傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法諸如目測法、非破損檢測法、基于靜力的損傷診斷[1]、基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷診斷[2-3]和智能診斷等[4].對于智能診斷，智能材料的發(fā)展為其提供了新途徑，其中以壓電阻抗技術(shù)為代表的是壓電陶瓷[5](PZT)智能材料，其集驅(qū)動(dòng)器和傳感器于一體，且具有成本低廉、響應(yīng)速度快、頻響范圍寬以及線性關(guān)系好等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出在結(jié)構(gòu)損傷診斷方面巨大的應(yīng)用潛力[6]. Castanien等[7]提出在飛機(jī)機(jī)身采用壓電元件進(jìn)行陣列排布來識(shí)別損傷，結(jié)果表明其能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測.李以農(nóng)等[8]從試驗(yàn)的角度定性評價(jià)了幾種結(jié)構(gòu)缺陷，證實(shí)壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷檢測方面是可行的.Giurgiutiu等[9-10]在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片上粘貼壓電傳感器獲取機(jī)電阻抗信號(hào)，利用阻抗譜實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)裂紋損傷的檢測.沈星等[11]對使用多個(gè)螺栓和多個(gè)壓電片的鋁梁進(jìn)行了試驗(yàn)，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果表明能夠快速精確地判斷螺栓松動(dòng)的位置.董昕[12]運(yùn)用壓電阻抗技術(shù)對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，通過損傷前后阻抗實(shí)部信息進(jìn)行了焊縫損傷的定位，結(jié)果能夠?qū)缚p損傷實(shí)現(xiàn)基本的定位.

對于鋁梁損傷定位問題，筆者通過多次試驗(yàn)搜尋適合待測結(jié)構(gòu)的激勵(lì)頻率段，使其在該頻率段內(nèi)所得阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)與PZT和損傷位置之間距離近似成線性關(guān)系，據(jù)此在適測頻率段內(nèi)進(jìn)行鋁梁損傷孔及裂紋的損傷探測試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該方法能實(shí)現(xiàn)鋁梁損傷的一維定位，可為無損檢測的損傷定位提供參考.

1　壓電阻抗技術(shù)原理

將壓電材料粘貼在待測結(jié)構(gòu)表面，給壓電材料施加高頻激勵(lì)信號(hào)使之產(chǎn)生微小振動(dòng)，壓電材料的振動(dòng)信號(hào)作用在待測結(jié)構(gòu)表面使其產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng);待測結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷會(huì)使其振動(dòng)發(fā)生變化，進(jìn)而使其作用于壓電材料的振動(dòng)發(fā)生改變，從而使得壓電材料反饋的電信號(hào)不同.因此，可以通過比較壓電材料反饋的電信號(hào)來分析待測結(jié)構(gòu)阻抗的變化，進(jìn)而得知待測結(jié)構(gòu)是否存在損傷或缺陷.

采用Liang等[13]推導(dǎo)出的PZT的壓電導(dǎo)納公式：

(1)

經(jīng)過變換得到

(2)

根據(jù)式(1)和(2)可知，在PZT的性能參數(shù)不變和周圍條件基本維持在較理想的狀態(tài)下，PZT電阻抗Z值隨待測結(jié)構(gòu)阻抗ZS的變化而變化.所以筆者采用WK-6500B精密阻抗分析儀測量PZT上耦合阻抗的變化來間接獲得鋁梁機(jī)械阻抗的變化，繼而通過對比鋁梁健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下阻抗信號(hào)的差別，以此來探討鋁梁結(jié)構(gòu)損傷的位置信息.

2　試驗(yàn)裝置及過程

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用鋁梁兩端簡支，其尺寸參數(shù)：長360 mm，寬30 mm，厚3 mm，通過手槍鉆在其中線上鉆孔來模擬損傷.將鋁梁均分為6段，在均分點(diǎn)處粘貼壓電片，膠黏劑采用502瞬時(shí)強(qiáng)力膠，壓電片采用PZT-5傳感器，其尺寸參數(shù)：直徑Φ為 20 mm，厚度為0.5 mm，其編號(hào)從左至右依次為Φ1～Φ5，主要材料參數(shù)如表1所示.利用阻抗分析儀對該鋁梁進(jìn)行阻抗信號(hào)測量，圖1為試驗(yàn)裝置及試件示意圖，圖2為試驗(yàn)用鋁梁及PZT粘貼位置示意圖.

表1　PZT-5主要材料參數(shù)Tab.1　Main material parameters of PZT-5

圖1　試驗(yàn)裝置及健康試件Fig. 1　Experimental setup and healthy specimen

圖2　試驗(yàn)用鋁梁及PZT粘貼位置示意圖Fig. 2　The aluminum beam and positions of PZTs

2.2試驗(yàn)過程：

用阻抗分析儀先對5個(gè)壓電片進(jìn)行LCR測量，多次測量取平均值，找出6段(46.5～69.5 kHz，72.5～100 kHz，102～121.5 kHz，201.5～209.5 kHz，343.5～370.5 kHz，386.5～428.5 kHz)相對平順的頻率段進(jìn)行探測.

在上述找到的6個(gè)頻率段對粘貼在無損鋁梁上的5個(gè)壓電片進(jìn)行阻抗及阻抗實(shí)部信號(hào)測量,然后在鋁梁距左端xo=261.5 mm處開一個(gè)直徑Φ為3 mm通孔來模擬損傷，同樣在6個(gè)頻率段內(nèi)測量5個(gè)壓電片在鋁梁開孔之后的阻抗及阻抗實(shí)部信號(hào).

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1孔損傷位置識(shí)別

[12]，選擇pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析.pearson相關(guān)系數(shù)說明了兩組變量間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo),其公式如下：

(3)

式中：Xi和Yi和分別表示在某一頻率激勵(lì)下，損傷出現(xiàn)前后的阻抗實(shí)部值.將上面6個(gè)頻率段內(nèi)測量的損傷出現(xiàn)前后的PZT阻抗實(shí)部值進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算,結(jié)果如表2所示.

對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)頻率段1,2,5符合線性規(guī)律，并對其進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖3所示.

由測量值計(jì)算出的阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)值與PZT和損傷位置之間距離在一定范圍內(nèi)近似成線性關(guān)系,與文獻(xiàn)[12]基本吻合，所以假設(shè)

(4)

傳感器有一定的響應(yīng)半徑[14]，通過比較處理數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，在所測鋁梁范圍內(nèi)測量出來的相關(guān)系數(shù)值按位置4、5、3、2、1依次遞減，近似成線性關(guān)系，擬合圖如圖3所示.

表2　6頻率段內(nèi)健康狀態(tài)和Φ3損傷孔狀態(tài) 阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)Tab. 2　Correlation coefficient of healthy case-Φ 3 damage hole within 6 frequency bands

注：ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5分別為位置1、位置2、位置3、位置4、位置5的阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù).

選取離損傷最近的3個(gè)壓電片進(jìn)行損傷位置的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算出來的阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)值，發(fā)現(xiàn)ρ4最大，表明損傷孔距離第4個(gè)壓電片最近，并且ρ5>ρ3，這說明損傷在4號(hào)和5號(hào)PZT之間(240

(5)

解方程組得：

在無損鋁梁上開Φ3圓孔損傷，在頻率段1、2、5段內(nèi)通過測量計(jì)算的阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)值，計(jì)算出損傷位置x及相對誤差如表3所示，結(jié)果表明，找到的適測頻率段能夠基本滿足探測要求.

圖3　ρ-L線性擬合圖Fig.3　Figures of ρ- L linear fitting

表3　健康狀態(tài)和Φ3損傷孔狀態(tài)探測結(jié)果Tab. 3　Detection results of healthy case and Φ 3 damage hole

進(jìn)一步探測，將原預(yù)制損傷孔Φ3擴(kuò)大至Φ5，同樣在上述3個(gè)適測頻率段內(nèi)測量阻抗實(shí)部信號(hào)，將阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果作曲線圖如圖4所示.圖4中顯示，距離損傷越近的阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)值越大,并計(jì)算損傷位置及相對誤差如表4所示.

由表3和表4可知，探測出來的損傷孔位置距實(shí)際開孔位置誤差很小，從而說明該法能夠基本實(shí)現(xiàn)鋁梁損傷的定位.

圖4　健康狀態(tài)和Φ5損傷孔狀態(tài)各位置的阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)Fig.4　Every correlation coefficient of healthy case andΦ5 damage hole表4　健康狀態(tài)和Φ5損傷孔狀態(tài)探測結(jié)果Tab. 4　Detection results of healthy case and Φ5 damage hole

頻率段計(jì)算值x/mm原始值x0/mm相對誤差/%1268.43261.52.652261.77261.50.105267.08261.52.13

3.2裂紋損傷位置識(shí)別

由上述試驗(yàn)及結(jié)果分析，為了能夠進(jìn)一步說明該法的有效性，改用寬35 mm鋁梁，使用鋼鋸自制裂紋損傷位置x0=260 mm，裂紋深度為0.6 mm，含裂紋試件如圖5所示.同樣的試驗(yàn)方法，僅在適測頻率段1、2、5內(nèi)進(jìn)行實(shí)測，測量后裂紋加深至1 mm重復(fù)上述步驟，探測結(jié)果如表5和表6所示.

由表5和表6可知，探測出來的裂紋損傷位置距自制裂紋損傷位置誤差很小，這說明該法能夠基本實(shí)現(xiàn)鋁梁損傷的定位.

圖5　含裂紋試件Fig.5　The specimen with crack表5　健康狀態(tài)和裂紋深度0.6mm損傷狀態(tài)探測結(jié)果

Tab. 5Detection results of healthy case and 0.6 mm deep crack

頻率段計(jì)算值x/mm原始值x0/mm相對誤差/%1263.252601.252269.632603.705254.532602.10

表6　健康狀態(tài)和裂紋深度為1 mm損傷狀態(tài)探測結(jié)果Tab. 6　Detection results of healthy case and 1 mm deep crack

綜上可知，在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，該法可對結(jié)構(gòu)易損梁實(shí)現(xiàn)裂紋等損傷的在線監(jiān)測及定位.

4　結(jié)論

基于壓電阻抗技術(shù)，對鋁梁進(jìn)行了損傷定位試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

(1)通過多次重復(fù)試驗(yàn)，找到了頻率段1、2、5，可用于鋁梁損傷的定位，在所找到的適測頻率段內(nèi)，損傷前后阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)與PZT和損傷

位置之間距離在一定范圍內(nèi)存在近似線性關(guān)系.并發(fā)現(xiàn)PZT距離損傷位置越近，其阻抗實(shí)部相關(guān)系數(shù)值越大.

(2)在適測頻率段內(nèi)對鋁梁孔及裂紋損傷定位的探測值與實(shí)際值基本吻合，能基本滿足鋁梁損傷定位要求，可為其他材料結(jié)構(gòu)的損傷定位提供參考.在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，可對結(jié)構(gòu)易損梁實(shí)現(xiàn)裂紋等損傷的在線監(jiān)測及定位.

參考文獻(xiàn)：

[1]宗周紅, 任偉新, 阮毅.土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷研究進(jìn)展[J] .土木工程學(xué)報(bào), 2003 , 36(5):105 -110.[2]YAN Y J , CHENG L , WU Z Y , et al. Development in vibration-based structural damage detection technique[J]. Mechanical systems and signal processing , 2007 , 21(5)：2198 -2211.

[3]張猛，趙桂峰，秦志偉，等.基于單元模態(tài)應(yīng)變能變化率的電力構(gòu)架損傷識(shí)別[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013,34(6)：99-103.

[4]嚴(yán)蔚.EMI結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)與定量化分析[D].杭州：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2007:2-6.

[5]陶寶祺.智能材料結(jié)構(gòu)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[6]WINSTON H A, SUN F, ANNIGERI B S. Structural health monitoring with piezoelectric active sensors[J]. Journal of engineering for gas turbines and power, 2001,123(2),353-358.

[7]CASTANIEN K E,LIANG C.Application of active structural health monitoring technique to aircraft fuselage structures[C]∥ Smart structures and materials, 1996: Industrial and commercial applications of smart structures technologies.San Diego:SPIE,1996:38-49.

[8]李以農(nóng)，鄭玲，聞邦椿.基于壓電阻抗的結(jié)構(gòu)缺陷評價(jià)方法的實(shí)驗(yàn)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐,2002,24(3):44-47.

[9]GIURGIUTIU V，ZAGRAI A N． Electro-mechanical impedance method for crack detection in metallic plates [J]． Proceedings of SPIE the international society for optical engineering，2001，4335: 131-142.

[10]GIURGIUTIU V，ZAGRAI A N． Embedded self-sensing piezoelectric active sensors for on-line structural identification[J]． Journal of vibration and acoustics，transaction of the ASME，2002，124( 1) : 116-125.

[11]沈星，呂娟，章建文,等.基于壓電阻抗技術(shù)和BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2010,42(4): 418-422.

[12]董昕.結(jié)構(gòu)損傷阻抗識(shí)別方法試驗(yàn)與應(yīng)用研究[D].北京：北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012: 49-53.

[13]LIANG C，SUN F P，ROGERS C A． Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material system-Determination of the actuator power consumption and system energy transfer[J]. Journal of intelligent material systems and structures，1994，5( 1) : 12-20.

[14]TSENG K. Non-parametric damage detection and characterization using smart piezoceramic material [J]. smart materials and structures，2002，11(3): 317-329.

Experimental Research of Damage Localization in Aluminum Beam Based on EMI Technique

LI Cheng, CHEN Gongxuan, TIE Ying, NIU Dongdong

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Aiming at identifying damage location, this paper experimentally investigated the damage location in aluminum beam based on the electro-mechanical impedance (EMI) technique.[ The real signals of impedance of nondestructive and handmade damage hole under different frequencies were measured with precision impedance analyzer, then were processed with Pearson correlation coefficient, many times of experiment found the feasible frequency bands and the approximate linear relationship between the correlation coefficient and the distance from PZT to damage was verified in these feasible frequency bands finally. ]Aluminum beam damage location experiments were carried out accordingly and the detection value of damage hole and crack position coincided well with the actual value. The method applied in aluminum beam damage location was verified to be effective and it can provide reference for nondestructive testing of damage location.

electro-mechanical impedance (EMI) technique; nondestructive testing; damage localization; correlation coefficient; impedance

2015-09-26；

2015-11-19

國家自然科學(xué)基金民航聯(lián)合研究重點(diǎn)支持項(xiàng)目(U1333201); 國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51205370)

李成(1962—), 男, 新疆烏魯木齊人, 鄭州大學(xué)教授, 博士, 主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的研究, E-mail: chengli@zzu.edu.cn.

1671-6833(2016)04-0082-04

TU317.2

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.018