基于ABAQUS的壓電智能骨料參數(shù)對靈敏度系數(shù)的影響研究

何明星,管文強(qiáng)，劉向東　(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

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基于ABAQUS的壓電智能骨料參數(shù)對靈敏度系數(shù)的影響研究

何明星,管文強(qiáng)，劉向東(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

[摘要]壓電陶瓷片材質(zhì)較脆且容易氧化，需用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷片封裝于大理石內(nèi)形成壓電智能骨料后方可投入工程應(yīng)用。環(huán)氧樹脂層的厚度和壓電陶瓷片的尺寸是影響壓電智能骨料靈敏度系數(shù)的2個(gè)主要參數(shù)，為研究這2個(gè)參數(shù)對壓電智能骨料靈敏度系數(shù)的具體影響，通過有限元分析軟件ABAQUS對環(huán)氧樹脂層厚度不同和壓電陶瓷片尺寸不同的壓電智能骨料分別進(jìn)行建模模擬分析，探討參數(shù)變化對壓電智能骨料的靈敏度系數(shù)的影響。結(jié)果表明，隨著環(huán)氧樹脂層厚度的增加，壓電智能骨料在受到同樣荷載作用時(shí)其內(nèi)部輸出的電壓幅值在不斷減小，其靈敏度系數(shù)在減?。浑S著壓電陶瓷片邊長的增加，壓電智能骨料輸出的電壓幅值呈現(xiàn)增大的趨勢，但增大的幅度較小，使壓電智能骨料的靈敏度系數(shù)增大，但增大幅度較小。

[關(guān)鍵詞]壓電智能骨料；壓電陶瓷；環(huán)氧樹脂；ABAQUS；靈敏度系數(shù)

壓電陶瓷材料由于具有靈敏度高、耗能低、成本低廉的顯著優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中，尤其是該種材料具備的壓電效應(yīng)，更為其在土木工程健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大的空間[1，2]，但壓電陶瓷材料在空氣中極易氧化且材質(zhì)較脆，往往不能將其單獨(dú)使用。2005年，休斯頓大學(xué)Dr.Song提出將壓電陶瓷片封裝在水泥砂漿塊內(nèi)形成“智能骨料”，有效解決了這一問題，這也快速推動(dòng)了其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展[3，4]。近年來，國內(nèi)外科研工作者對壓電智能骨料進(jìn)行了多方面研究，取得了豐碩的成果[5]。工程實(shí)踐表明，環(huán)氧樹脂層的厚度和壓電陶瓷片的尺寸是影響壓電智能骨料靈敏度系數(shù)和性能的2個(gè)主要參數(shù)，為弄清這2個(gè)參數(shù)對壓電智能骨料靈敏度系數(shù)的影響，筆者在壓電智能骨料靈敏度系數(shù)理論分析的基礎(chǔ)上，通過有限元分析軟件ABAQUS對環(huán)氧樹脂層厚度不同和壓電陶瓷片尺寸不同的壓電智能骨料進(jìn)行建模分析，探討參數(shù)變化對壓電智能骨料的靈敏度系數(shù)的影響，以期能夠?yàn)楣こ痰膶?shí)際應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1壓電智能骨料靈敏度系數(shù)

利用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷片進(jìn)行防水和絕緣處理后，將其封裝在2塊大理石內(nèi)，即形成了壓電智能骨料，其成型圖如圖1所示。

當(dāng)沿著壓電陶瓷片一定的方向施加外力荷載時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的2個(gè)表面產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)外力去除以后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)外力改變方向時(shí)，電荷的極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電陶瓷片的“正壓電效應(yīng)”， “正壓電效應(yīng)”狀態(tài)示意圖如圖2所示。

所謂靈敏度系數(shù)實(shí)際是指壓電智能骨料在受到外荷載作用時(shí)的響應(yīng)，具體表現(xiàn)為埋置在大理石內(nèi)部的壓電陶瓷片在應(yīng)力作用下，在極化方向的表面產(chǎn)生電荷移動(dòng)，并形成電壓。筆者用S表示靈敏度系數(shù)，用T表示在壓電智能骨料上表面施加的均布動(dòng)荷載，用V表示壓電陶瓷片在應(yīng)力作用時(shí)輸出的電壓值，由此靈敏度系數(shù)表示為壓電陶瓷片輸出電壓與壓電陶瓷片所受應(yīng)力的比值：

(1)

此定義忽略了壓電智能骨料上表面動(dòng)荷載以應(yīng)力波形式傳遞到壓電陶瓷片表面的影響[6]。

圖1　壓電智能骨料模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　正壓電效應(yīng)示意

2環(huán)氧樹脂層厚度對壓電智能骨料靈敏度系數(shù)的影響分析

表1　各種工況環(huán)氧樹脂層厚度值

表2　壓電智能骨料組成材料的屬性參數(shù)

壓電智能骨料的實(shí)際制作過程中，由于壓電陶瓷片質(zhì)脆易碎等原因，需要用環(huán)氧樹脂對壓電陶瓷片進(jìn)行處理，手工制作很難保證環(huán)氧樹脂層的厚度完全保持一致，環(huán)氧樹脂層的厚度不均勻往往會(huì)影響壓電智能骨料的實(shí)際靈敏度系數(shù)。根據(jù)實(shí)際的制作經(jīng)驗(yàn)，對環(huán)氧樹脂層厚度在1.1～2mm變化的10種工況分別建立有限元模型進(jìn)行研究，10種工況下的環(huán)氧樹脂層厚度如表1所示。

2.1有限元建模

筆者共研究了10種工況，現(xiàn)以其中工況1為例，其他工況在進(jìn)行部件的創(chuàng)建時(shí)，只改變環(huán)氧樹脂層的厚度，其他組成材料的尺寸不發(fā)生改變。

圖3　壓電智能骨料三維模型　　　　　　圖4　　　　壓電智能骨料邊界條件與加載平面示意

圖5　線性加載制度　　　　　　　　　圖6　網(wǎng)格劃分示意

利用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行建模并建立5個(gè)部件，分別為2塊封裝大理石材、環(huán)氧樹脂層、壓電陶瓷片及墊板，各組成部分的材料屬性如表2所示。由于壓電陶瓷片具有壓電性，故在定義壓電陶瓷片的屬性時(shí)需要在ABAQUS軟件中輸入3個(gè)矩陣，分別為彈性常數(shù)矩陣、壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣和介電常數(shù)矩陣，將各個(gè)部件的屬性定義完成后，接下來對各個(gè)部件進(jìn)行裝配，裝配完成后的壓電智能骨料三維模型圖如圖3所示。

在壓電智能骨料的邊界條件、施加荷載及網(wǎng)格劃分定義中，在壓電智能骨料底面施加X、Y和Z 3個(gè)方向的局部位移約束，在壓電智能骨料上表面施加豎直向下的均布動(dòng)荷載，其示意如圖4所示，加載制度如圖5所示。網(wǎng)格劃分采用整體劃分的方法，其中定義單元屬性時(shí)，采用C3D8E網(wǎng)格單元模擬壓電陶瓷片，其余材料采用C3D8E網(wǎng)格單元模擬，網(wǎng)格劃分如圖6所示。

對工況1進(jìn)行創(chuàng)建作業(yè)后提交運(yùn)算，獲得運(yùn)算結(jié)果。在可視化窗口可以查看壓電智能骨料的電勢云圖，圖7所示為壓電智能骨料整體電勢云圖，圖8所示為壓電陶瓷片電勢云圖。由圖7中可知，由于壓電智能骨料組成材料中只有壓電陶瓷片具有壓電性，故只有壓電陶瓷片發(fā)生的電勢的變化，其他部分無電勢變化。由圖8可知，由于在設(shè)置邊界條件中，將壓電片底面設(shè)置成為零勢面，壓電陶瓷片在受到應(yīng)力作用時(shí)，內(nèi)部形成勻強(qiáng)電場，電勢云圖出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

圖7　工況1下壓電智能骨料電勢云圖　　　　　　　　　　　圖8　工況1下壓電陶瓷片電勢云圖

圖9　不同環(huán)氧樹脂層厚度對應(yīng)電壓幅值柱狀圖

2.2結(jié)果分析

對ABAQUS模擬所得的各個(gè)工況下壓電陶瓷片輸出的電勢數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖9為不同環(huán)氧樹脂層厚度對應(yīng)壓電智能骨料輸出的電壓幅值柱狀圖。

由于各工況下智能骨料的加載方式及施加的荷載都是相同的，為了對比環(huán)氧樹脂層厚度改變對壓電智能骨料靈敏度系數(shù)的影響，只需對比各工況下壓電陶瓷片輸出的電壓幅值即可。由圖9可知，隨著環(huán)氧樹脂層厚度的增加，智能骨料輸出的電壓幅值逐漸減小，說明環(huán)氧樹脂層厚度增加影響了壓電智能骨料的內(nèi)部應(yīng)力傳遞，致使其靈敏度系數(shù)減小，但減小的幅度并不大。

3壓電陶瓷片尺寸對電壓智能骨料靈敏度系數(shù)的影響分析

壓電陶瓷片生產(chǎn)廠家不同其尺寸往往并不相同，筆者選擇方形壓電陶瓷片，其厚度為0.4mm,分別對邊長為7～12mm的6種工況建立有限元模型，模擬壓電陶瓷片尺寸改變對壓電智能骨料在受動(dòng)荷載作用下的電壓輸出的影響。6種工況的壓電陶瓷片的尺寸如表3所示，有限元建模過程與2.1節(jié)相同，以工況1為例說明。

表3　6種工況壓電陶瓷片尺寸

對工況A創(chuàng)建作業(yè)后提交運(yùn)算，查看仿真模擬后的運(yùn)算結(jié)果，圖10所示壓電智能骨料整體電勢云，圖11為壓電陶瓷片的電勢云圖。

由于各工況下對智能骨料的加載方式及施加的荷載都是相同的，為了對比壓電陶瓷片尺寸改變對智能骨料靈敏度系數(shù)的影響，只需對比各工況下壓電陶瓷片輸出的電壓幅值，圖12為不同壓電陶瓷片尺寸對應(yīng)壓電智能骨料輸出的電壓幅值柱狀圖。

圖10　工況A下壓電智能骨料電勢云圖　　　　　　　　　　　圖11　工況A下壓電陶瓷片電勢云圖

圖12　　　　不同壓電陶瓷片尺寸對應(yīng)壓電智能　　　骨料輸出的電壓幅值柱狀圖

由圖12可以看出，隨著壓電陶瓷片邊長的增加，壓電智能骨料輸出的電壓幅值呈現(xiàn)增大的趨勢，由式(1)可知，壓電陶瓷片邊長的改變使得壓電智能骨料的靈敏度系數(shù)增大。

4結(jié)論

通過有限元分析軟件ABAQUS對環(huán)氧樹脂層厚度不同和壓電陶瓷片尺寸不同的壓電智能骨料進(jìn)行建模，并對模擬數(shù)據(jù)的處理與分析可得以下結(jié)論：

1)隨著環(huán)氧樹脂層厚度的增加，壓電智能骨料在受到同樣荷載作用時(shí)其內(nèi)部輸出的電壓幅值在不斷減小，其靈敏度系數(shù)在減小。

2)隨著壓電陶瓷片邊長的增加，壓電智能骨料輸出的電壓幅值呈現(xiàn)增大的趨勢，但增大的幅度較小，使壓電智能骨料的靈敏度系數(shù)增大，但增大幅度較小。

[參考文獻(xiàn)]

[1]雷晉芳.基于壓電智能路面的車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[2]張海濱.基于壓電智能骨料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震應(yīng)力檢測方法[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[3] Song G, Gu H, Mo Y L.Health monitoring of a concrete structure using piezoceramic materials [J].Smart Materials and Structures,2005，16 (4)：959～968.

[4]Song G,Gu H, Mo Y L.Smart aggregates: multi-functional sensors for concrete structures-a tutorial and a review[J].Smart Materials and Structures, 2008, 17(3): 330～337.

[5]孫威.利用壓電陶瓷的智能混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[6]趙曉燕.基于壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷診斷[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0044-04

[中圖分類號]TU317

[作者簡介]何明星 (1992-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事鋼管混凝土損傷監(jiān)測方面的研究工作；E-mail:hmx669562@163.com。

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378077)；湖北省自然科學(xué)基金(創(chuàng)新群體)項(xiàng)目(2015CFA029)；湖北省教育廳科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(D20131205)。

[收稿日期]2015-10-28

[引著格式]何明星,管文強(qiáng)，劉向東.基于ABAQUS的壓電智能骨料參數(shù)對靈敏度系數(shù)的影響研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(4)：44～47.