项目报告-高应变研究

研究目的和意 传感器预压应力施加技术研 预应力施加技术方 预紧圆环研究与设 预应力传感器设 小 结构高应变区传感器安装技术研 应变传递研 应变传递理论模 应变传递影响因素分 结构、胶层、传感器应变传递理论模型验证实 胶层对Lamb波信号的影响分 简单高效的胶层粘接厚度控制技术研 小 传感器应变承受能力测试技 传感器应变承受能力测试实验平 胶层厚度对传感器应变承受能力影响测试实 胶层弹性模量对传感器应变承受能力影响测试实 结构高应变区域Lamb波特性研 小 适用于结构高应变区域的新型传感器封装技 结构高应变区传感器网络优化布设技 压电传感器新材料研 结 参考文 器结构的性能或破坏。无论是金属还是复合材料的飞行器结构，损伤通常发生在不易观察的隐藏部位给检测带来特别是着飞行器结构的复合材料化[1]损伤模式更杂多样，且不易从表面观察到。如果这些损伤在产生的初期不能被及时发现，就可能导致突发性破坏。通过使用以永久安装在结构上的传感器网络为基础的结构健康监测(Struturlhlthmonitoring,S)低成本的性创新技术[2]波音公司在多个机型(包括oing787)上探索SM在结构微SM0、、、0等型号上实现[3]。飞行器结构健康监测的一个关键因素是先进传感技术及其系统。国内外学者对包括光纤传感、压电传感、电磁传感、无线传感系统、ES4,5]-331800个传感器，用来完成机上系统健康状态信息的获取[6]。Pror等[7](2004比较了不同类型传感器()在航天器上应用的优缺点。压电传感器由于其灵敏度高控制系统简单且能同时用作主动与监测可实现不同类型的结构健康监测技术(如基于振动法[8]、基于波法[9]和基于阻抗法[10])，从而被广泛采用。基于波法的代表性的工作是斯坦福大学研发的压电智能夹层传感器网络[11,12]，目前已在飞行器上进行了超声导波健康监测技术的验证。NASALangley中心目前正在研究基模态声波，同时也在研究基于自然界仿生的传感器连接方式使数据获取硬件最小化，并提NASALangley中心Learjet25机身结构和C-17机和载荷变化影响，在飞行环境下应用SHM的可靠性还有待提高[1415]。Lim等[16](2011)为了提高Kernel的主元分析技术对数据进行规范化处理，并在机身和机翼连接结构处的螺栓松动监测试验中进行了验证。Annamdas和Radhika[10](2013)综述了基于阻抗的SHM技术在金属和非金属结构的研究进展。尽管SHM技术取得了长足进步但数健康监测和损伤检测系统在航空航天工业上SM传感系统的适应性耐久性和诊断结果的可靠性提出了严峻飞机服役环境十分复杂和恶劣对压电传感的选择、设计和操作以适应这种独特的环境提出了严峻。用于航空航天结构健康监测的压电传感器一般包括压电陶瓷传感器(又分为单晶和多晶两种类型)、高分子压电传感器(如聚乙烯聚合物，PF)和复合压电传感器(PFPZT复合)过极化处理。由于压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数以及良好机电耦合品质，既可作为传感器，又可作为驱动器，广泛用于主动式结构健康监测技术。型的结构健康监测技术(如基于振动法[8]、基于波法[9]和基于阻抗法[10])，从而被广泛采用。通过使用以永久安装在结构上的传感器网络为基础的结构健康监测(Structuralhealthmonitoring,SHM)是确保飞行器结构设计先进性、确定结构完整性和耐久性、提高服役安全性和20GPa40GPa1000m通过给传感器施加适当预紧力使传感器在安装之前就产生250

50%2500m25%120℃，则由于空心圆环的热膨胀效应使得压电晶片能够恰好置25环内壁会对压电晶片施加一定的压缩应力；器对Lamb波信号的激励和接收，并且建立了相关的数学模型[17-19]EdwardF.Crawley等人[17]建立了传感器、有限厚度的胶层和基底结构的数学模型，主要用来分析传感器激励信号时，应变的传递过程。VictorGiurgiutiu等人[20]进行了类似的工作，建立剪力滞后理论胶层上的剪应要分布在边缘位置MaziarMoradi[21]利用相同的方法对MEMS压电传感器监测系统一般如图1所示，传感器通过胶粘剂永久粘贴到监测结构上。传感器与基底结构粘接的问题都是三维实体问题，但此类问题很难进行准确的数学分析，所以通过一Lmb的载荷通过胶层传感器到待测结构上；作为使用时，胶层将基底结构的应变传递给传感器。胶监测结图12所示的单元体进行分析，在外载荷的作用下，基底结构受到的拉应力为b，胶层通过纯剪切的作用，将应变传递到传感器上。由于将[21]（1）（2）（3）（4）（5）（6）数值分析以及建模过程中涉及到的符号以及取值在表1图2表1符 含 取 传感器半 传感器厚 传感器弹性模 胶层厚 胶层弹性模 基底结构厚 基底结构弹性模 基体结构和PZT传感器只产生水平位移ub和up，根据弹性力学连续性假设和位移与应变之间的关系，可以得到则基体结构和PZT传感器的应变分别为[17]dub

dup,up

Bernoulli-Eulerdp

0,dbb

其中，α与应变的分布情况有关，此处为均匀拉伸，2。pEpp,

Ebb,

Ga

由于pba，所以将式子（6-3）带入式子（6-2）EdpGaupua H Ha d Gu a

a

对上面的式子进行求导，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处，pd31V/hpd31为压电材料的压电常数，由于我们只考虑水平方向的应变，所以这里我们只需要考虑d31，即径向伸缩式的传感器。而基底结构由于外载荷的作用存在非零的应变，所以问题的边界条件如下所示。

pd31V/hp,bxl dV/h,

B （d31V,

B0,

(d31V)

()cosh GaEa(d31V)sinh Gp cosh

coshx coshl b

()cosh

coef

1coshl

1中给定的数值，同时给定边界条件13结构和传感器上的应变分布情况，将传感器上的应变值除以基底结构的应变值，就得到如图图3图434可以直观的看出，传感器上的高应变区域主要集中在中心部位，这个区域的 图55的结果来看，胶层的厚度、弹性模量，以及传感器的尺寸和弹性模量都会对传感器有限元模型，比较准确的分析应变的传递情况。因此，我们分别结合与ABAQUSABAQUS软件提供了强大的线性和非线性有限元模拟功能，帮助我们更直观的分析和认识料参数如表2所示。表2尺寸弹性模量5部区域的有限元模型，如图6所示。条件，XX方向位移，Y轴一个侧面约束YZ方向位移，同时在基底结构X方向的右端施加位移载荷，从而使基底产生均匀的X方向位移场。（C3D86ABAQUS222228570.78图6图7LE110，与理论分析结果一致。图8（6-14，应变传递效率的表达式软件具有强大的数值计算功能，ABAQUS计算得到的结果相对比。Chopra（2000）也进行了类似的探讨，他们都从数值分析上得出了剪力滞后系数。剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象小至一个构件大至一栋层建筑都会有Maziar等人对粘贴到结构表面的微电子系统应（MEMS）变传感器的应变传递情况进行了响，所以在分析时，每次只改变单一变量的取值范围，以得到各个参数的。ABAQUS0.02mm~0.2mmS作为当前厚度胶层的应变传递效率。同时利用前面的应变传递效率公式，计算不同厚度时的传6-66-7所示。增加将导致应变传递效率的降低，相同厚度时，ABAQUS计算的结果小于理论分析的结果。导图910不同胶层厚度时传感器上的应变分布（25m、50m、100m导致应变传递效率的改变同样利用ABAQUS和 控制胶层的弹性模量在1GPa到10GPa之间取值，分析胶层弹性模量对应变传递效率的影响。还是ABAQUS，两者的计算结果都表明传递效率随着胶层弹性模量的增大而增大，而 计算结果相对ABAQUS偏大6-9可以看出，随着胶层弹性模量的增加，高应变区域越来越116-9图12图13不同传感器厚度时传感器上的应变分布（0.4mm、0.6mm、递系数的影响较大当传感器厚度为0.2mm无论是理论分析结果还是ABAQUS计算结果，应变的传递系数都比较大，为0.6~0.7。当传感器的厚度增加到1mm后，应变传递系数迅速降低到0.3~0.4。但根据ABAQUS计算结果显示，当传感器厚度达到0.6mm以后，应变传递效率降图14图156-1420GPa70P。从分析结果来看，此时应变的传递%90P0.55%左右的应变。图1617不同弹性模量时传感器上的应变分布（40GPa、60GPa、100GPa6-15所示。所以为了充分发挥传感器承受高应变的能力，应选择较低弹性模量的材料，同时提ABAQUS和数值计算软件对该问题进行了分析0.6mm后应变基本维持不变；4mm后基行为胶层在拉升方向的边缘处会出现应力集中的情况导致胶层损坏或是脱粘所以面理以及近些年出现的新型光线应变传感器测量法，如图18所示[22]。机械电测光测

双杠杆应变接触式千分表应变手持式应变仪等其他方压电式、电容式等其他方光弹激光散斑法云纹法数字图像相关方其他新方法：光纤应变传感器图18电测法中的电阻应变计时一种成应用范围最为广泛的应变测量方法距今已有60多为电阻然后输入专门的仪器表进行分析电阻应变计简称为应变计或应变片一般由敏率和安装应变计处构件的应变a）1；b）1%；c）0~2104由于传感器上的应变值很小，没有达到1000

验方案选择应变片和光纤传感器同时进量。其中应变片选择的是黄岩测试仪器厂生产BX120-0.5AA3mm*2.5mm为了使传感器承受高应变的载荷环境，实验中选择了如图19所示的试件，总体尺寸为400mm*50mm，厚度3mm，材料为2024试件上表面等间隔布置6个传感器间距为35mm，55个传感器，高应变区域上下表面的传感器对称分布，在非高应变区域布置一个传感器，进行Lamb波信号的激励，同一侧内的其余传感器进行Lamb波信号的33个试件。图19到不同应变等级下应变的传递情况，所以每隔500m进行一次加载和，得到传感器和铝板的应变，以及传感器的阻抗信号和Lamb波信号，用于后面的分析。25m。试验拉伸机如图所示，胶层对Lamb 检查传感器是否出现脱粘和断裂的情况；二是利用压电传感器到的Lamb波信号对传感器为了能够同时快速的对传感器的阻抗信号和Lamb波信号进行，所以需要构建一个合适的实验平台使得我们可以快速的对多个传感器进行试件选择3.1.3中制作的试件，在应变测量的同时对地面粘贴的5个传感器进行阻抗信号另一面的6个传感器进行LambLamb5个传感器Scan应变，每间隔500

m为当铝板上的应变达到4500

状态，进行一次信号，同样在关闭拉伸机之后再进行一次信号同种环氧树脂，5结构高应变区域Lamb波特性研单一传感器，不同应变等级时，Lamb ,"先进复合材料与航空航天,"复合材料学报,vol.24,pp.1-12,卿新林,,and,"结构健康监测技术及其在航空航天领域中的应用,"实验力学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.张.任.男,"结构健康监测中的传感器布置方法及评价准则,"力学进展,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