一种基于压电晶片阵列的板结构损伤识别方法

　　在工程结构使用过程中,外力的撞击或长时间疲劳损伤积累会使结构损坏并可能会导致灾难性的后果,因此,结构健康监测的研究具有重要的意义。由于 Lamb波传播距离远、对微小的损伤敏感等特性,基于Lamb波的结构健康监测方法得到广泛的研究[1-3]。由于压电晶片能激励和接收结构中的Lamb 波,而且其体积小、质量轻,可以和结构融合在一起,并且可以根据需要组成压电晶片阵列,从而广泛应用于结构健康监测系统的研究。

　　基于超声相控阵的结构健康监测方法是把若干个独立的压电晶片按照一定的组合方式排成一个阵列,通过控制压电晶片的激励顺序和信号延时,对声束方 向、焦点位置等进行控制,对板结构进行扫描,从而对结构的损伤进行识别。超声相控阵方法最初是为结构的无损检测而提出的[4, 5]。最近该方法开始应用于板类结构的在线健康监测。Wooh和Shi等人[5]研究了压电晶片阵列中各阵元的数目、间距、尺寸以及激励频率等参数对识别 结果的影响。Sundararaman等人[6]利用相控阵的方法对各向同性以及各向异性板的损伤识别进行了研究。Giurgiutiu和Yu等人[7, 8]基于相控阵原理提出了嵌入式超声结构雷达(EUSR)的概念。Mali-nowski等人[9]通过数值模拟研究了使用星形压电晶片阵列对结构损伤进 行识别的方法。但由于超声相控阵方法要通过压电晶片阵列中各个阵元按照一定的时间延迟分别对结构进行激励并接收信号,监测系统的结构较为复杂。

　　本文提出了通过一个压电晶片对结构进行激励,使用十字形压电晶片阵列接收响应信号,并基于相控阵原理对信号进行处理,从而对板结构损伤进行识别的方法。由于只需要使用一个压电晶片施加激励信号,采用该方法对结构进行监测时,系统结构较为简单。

　　本文首先使用谱元法建立了一个铝板结构的模型,通过减少单元刚度方法模拟结构的损伤,计算了在单点激励下结构在有损伤和无损伤时的响应,利用压 电晶片阵列中各阵元所在位置的响应信号,采用十字形压电晶片阵列对结构的损伤进行识别。结果证明,本文提出的方法可以对损伤进行有效地识别。

　　1　原　理

　　本文提出的损伤识别方法是通过对压电晶片阵列接收一个压电晶片激励下结构响应信号的处理实现的。假定采用的激励信号为:

　　具体的损伤识别过程为:首先通过压电晶片阵列各阵元采集得到板结构在单个压电晶片激励下的响应,然后用有损伤时的响应和无损伤时响应相减得到响 应差,通过对响应差信号进行平移并求和得到合成信号,在损伤对应的距离和方位合成信号的幅值较大,在其它位置幅值较小。根据其幅值极值位置选定一定的阈值 对损伤位置进行估计。