金属梁结构表面微损伤的谱有限元分析

许伯强,张景秀,徐桂东,许晨光

(江苏大学 理学院,江苏 镇江212013)

摘要针对智能压电晶片梁结构,采用谱有限元方法,基于力电理论建立压电晶片/结构耦合系统的机电阻抗损伤评价的谱元数值模型。模型中假设采用Timoshenko梁理论,压电晶片采用Euler-Bernoulli梁理论和一维压电双向耦合理论。利用哈密顿原理得到时域中控制方程和边界条件,经FFT变换建立谱元模型,进而利用谱有限元法分析了导波的频率响应特性、导纳特性以及损伤对导纳响应的影响,数值结果与有限元结果取得较好的一致。谱有限元力电耦合模型为深入理解实际检测信号进行损伤检测和评估提供了分析依据。

关键词谱有限元法;损伤检测;机电导纳

收稿日期:2015-04-07

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11172114);江苏省六大人才高峰基金资助项目(2012-ZBZZ-027)

作者简介:许伯强(1963—),男,教授,博士生导师。研究方向:超声无损检测与评价,先进传感器设计。E-mail:bqxu@ ujs.edu.cn。张景秀(1988—),女,硕士研究生。研究方向:压电超声无损检测。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.002

中图分类号TN04;O422文献标识码A

Spectral Finite Element Analysis of Surface Damage on Metal Beam Structure

XU Baiqiang,ZHANG Jingxiu,XU Guidong,XU Chenguang

(School of Science,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

AbstractThe spectral finite element method (SFEM) is developed to model the surface-bonded piezoelectric wafer and beam structure.The Timoshenko beam theory,the Euler-Bernoulli beam theory and linear piezoelectricity are used to model the base beam and electric-mechanical behavior of the piezoelectric wafer respectively.The governing equations are obtained in the time domain by using Hamilton’s principle,and then the Spectral finite element model are formulated via the fast Fourier transform.The SFEM is used to analyze the frequency response function,admittance characteristics and the influence of damage.The high accuracy of the present SFEM is verified by a comparison with the finite element method (FEM) results.The numerical model and its calculation results provide analysis basis for damage detection and assessment of the practical detection signal.

Keywordsspectral finite element method (SFEM);damage detection;electric-mechanical admittance

结构健康检测/监测集力学、材料科学、先进传感技术与信息技术等于一体,通过实时检测/监测结构的动力学响应,对结构性能及其损伤进行评估,在提高工程结构的安全性同时降低工程结构的维护成本。压电晶片换能器结构简单、易于小型化且价格低廉,已广泛应用于基于超声导波技术的梁、板及复合层状材料的损伤检测[1-2]。压电晶片激励频率可高达几百kHz,适合微小损伤的检测。……