基于壓電阻抗技術(shù)的木梁損傷識別研究

韓 芳，汪程鳳，張全景

(1.武漢科技大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430081;2.冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點實驗室(武漢科技大學(xué))，湖北 武漢 430081)

0 引言

木材作為一種低碳環(huán)保的建筑材料，在古建筑和現(xiàn)代建筑中被廣泛使用[1]。然而，相對于混凝土、金屬等現(xiàn)代常用建筑材料而言，木材的“有機”特性會導(dǎo)致開裂腐爛、生物侵襲等材料損傷，進而削弱木結(jié)構(gòu)整體強度，最終影響木結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，木材的健康監(jiān)測和損傷檢測對于確保整個木結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性至關(guān)重要。

近年來，壓電智能材料被廣泛用于結(jié)構(gòu)損傷識別和健康監(jiān)測領(lǐng)域，并受到國內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注。壓電智能材料的正、逆壓電效應(yīng)使其既可作為驅(qū)動器又可作為傳感器，這一特性直接推動了結(jié)構(gòu)微型損傷檢測和健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。其中，常用的是基于壓電阻抗技術(shù)的損傷檢測方法[2]。壓電阻抗技術(shù)最初由Liang等[3]提出，隨后其他學(xué)者利用壓電阻抗技術(shù)在混凝土強度監(jiān)測[4]、管道裂縫檢測[5]、螺栓松動監(jiān)測[6]、板結(jié)構(gòu)損傷檢測[7]、節(jié)點連接損傷檢測[8]等工程領(lǐng)域進行了深入研究。相對于金屬、混凝土等建筑材料，木材中不同方向的透射波和反射波的復(fù)雜性在一定程度上限制了壓電阻抗技術(shù)在木結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。目前，王清華等[9]基于壓電阻抗技術(shù)對正交異性板疲勞損傷監(jiān)測和木梁損傷定位展開實驗研究,提出“馬氏距離”作為損傷指標并通過實驗得到導(dǎo)納曲線隨損傷程度的變化規(guī)律；胡顯燕等[10]采用阻抗技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行損傷測試，利用理論和實驗手段對損傷位置和程度進行了量化評估，并提出新的損傷指標。因此，為充分發(fā)揮壓電阻抗技術(shù)在木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用價值，本文從數(shù)值仿真和實驗的角度出發(fā)，建立不同損傷位置和不同損傷程度的木梁有限元模型，采用壓電阻抗技術(shù)和損傷指數(shù)(均方根偏差(RMSD))研究木梁的阻抗與損傷位置和損傷程度的關(guān)系，為木梁的損傷檢測提供參考。

1 數(shù)值計算

1.1 自由壓電片阻抗分析

表1 壓電片的材料參數(shù)

圖1 自由壓電片有限元模型

計算得到壓電片的阻抗實部和虛部值隨頻率的變化曲線如圖2所示。由圖可知，在100 kHz～1 MHz時阻抗實部有3個峰值，與虛部峰值在相應(yīng)頻率附近一一對應(yīng)。其中,第1個阻抗峰值幅值(在150～300 kHz時)最大，是第2個阻抗峰值(在400～500 kHz時)和第3個阻抗峰值(在600～700 kHz時)幅值的10倍以上，因此，后續(xù)數(shù)值模擬選擇150～300 kHz的頻率段進行重點分析。另外，壓電阻抗的實部對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化更敏感和穩(wěn)定，選擇阻抗的實部作為后續(xù)研究參數(shù)。

圖2 PZT片阻抗實部和虛部圖

1.2 木梁阻抗分析

木材選用北美松木，木梁試件長200 mm，寬60 mm，厚17 mm，彈性模量為15.8 GPa，密度670 kg/m3。圓形壓電陶瓷(PZT)傳感器粘貼在距離木梁左側(cè)端30 mm處。以木梁長度方向為x軸、寬度方向為y軸，厚度方向為z軸建立三維模型。木梁選用SOLID45單元。為簡化問題，孔洞損傷在木梁厚度方向貫穿?？锥磽p傷僅考慮孔洞直徑(D)從無損狀態(tài)增加到?4 mm、?6 mm、?8 mm和?11 mm，孔洞中心位置和PZT圓心位置(L)從40 mm、60 mm、80 mm增加到100 mm。不考慮粘結(jié)層影響，得到帶孔洞損傷的木梁有限元模型如圖3所示?？紤]健康工況1個，孔洞損傷工況16個，共計17個工況，各工況的詳細損傷參數(shù)如表2所示。

圖3 帶孔洞損傷的木梁有限元模型圖

表2 木梁孔洞損傷工況參數(shù)列表

分別對以上17個工況進行諧響應(yīng)分析，激勵頻率為150～300 kHz。計算得到阻抗實部隨激勵頻率的變化曲線如圖4所示。

圖4 帶孔洞損傷的木梁阻抗數(shù)值曲線(L=80 mm)

由圖4可見，在激勵頻率為150～300 kHz時，計算得到木梁損傷前、后阻抗變化非常微小，線條幾乎重合。放大峰值后可看出隨著損傷加劇，阻抗幅值有輕微下降，同時曲線發(fā)生輕微左向偏移，由于損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降帶來結(jié)構(gòu)的共振頻率略微降低。

進一步采用RMSD做量化分析，得到16個損傷工況的柱狀圖如圖5所示。由圖可知，當(dāng)L不變時，RMSD隨D的增大而增大；當(dāng)D一定時，RMSD隨損傷位置和PZT貼片間距的增大而減小。另一方面，從RMSD變化程度來看，當(dāng)PZT貼片距離損傷較近時(如L=40 mm)，隨著損傷增大，RMSD變化急劇上升，此后隨著距離的增加(L=60 mm、80 mm、100 mm)，RMSD仍保持隨損傷增大而上升的趨勢，但上升程度明顯變緩；與之相似，當(dāng)損傷程度一定及PZT貼片距離損傷較近時，RMSD隨損傷距離的增加而急劇下降，此后隨著距離的進一步增大，RMSD的下降趨勢明顯變緩?？梢姡瑩p傷程度越大，PZT貼片距損傷位置越近，阻抗變化越敏感。進一步說明阻抗對局部損傷更敏感，利用阻抗技術(shù)結(jié)合RMSD對木梁進行損傷檢測是有效的。

圖5 16個損傷工況的柱狀圖

2 實驗分析

2.1 實驗設(shè)計

采用北美松木作為實驗?zāi)Ｐ停嚰叽玳L200 mm，寬60 mm，厚17 mm。采用鉆孔方式模擬木梁的孔洞損傷，D依次為?4 mm、?6 mm、?8 mm和?11 mm。在距離木梁左端30 mm處粘貼直徑為10 mm、厚為2 mm的PZT-5型壓電陶瓷傳感器。L依次為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm和100 mm，PZT與孔洞間的位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 PZT與孔洞位置關(guān)系

2.2 實驗裝置及實驗過程

實驗系統(tǒng)由Agilent 4294A阻抗分析儀、壓電陶瓷傳感器、木梁試件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。在木梁損傷檢測實驗中，首先通過Agilent 4294A阻抗分析儀發(fā)射100 kHz～1 MHz的掃頻波，為保證精度采用儀器最大801個采樣點。選擇在優(yōu)勢頻率段(150～300 kHz)對木梁進行掃頻識別，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實測PZT壓電傳感器的電壓信號并進行數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)場實驗裝置如圖7所示，為保證實驗精度，每組工況測量5次，計算取5次平均值以減少測量誤差。此外，為降低實驗環(huán)境對阻抗測量的影響，木梁試件始終被固定在臺鉗同一位置上，實驗在2 h內(nèi)完成。

圖7 實驗裝置圖

2.3 實驗結(jié)果與分析

木梁從健康狀態(tài)到不同程度的損傷狀態(tài)，其壓電片阻抗信號經(jīng)采集分析后的曲線如圖8所示，由圖可知，在激勵頻率為150～300 kHz時，實驗得到木梁損傷前、后阻抗變化非常微小。放大峰值后可看出隨著損傷加劇，即D從0、?4 mm、?6 mm、?8 mm增大到?11 mm，阻抗幅值有輕微下降，同時曲線發(fā)生輕微左向偏移，說明木梁由于損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降帶來結(jié)構(gòu)的共振頻率輕微降低。

圖8 帶孔洞損傷的木梁阻抗實驗曲線

進一步采用RMSD做量化分析，得到損傷工況的柱狀圖如圖9所示。由圖可知，當(dāng)L不變時，RMSD隨D的增大而增大；當(dāng)D一定時，RMSD隨損傷位置和PZT貼片間距的增大而減小，與圖5數(shù)值仿真結(jié)果規(guī)律一致。

圖9 帶孔洞損傷的木梁RMSD損傷指數(shù)

圖10 工況8阻抗曲線對比圖

圖11 工況16阻抗曲線對比圖

以工況8、16為例，列出數(shù)值計算和實驗結(jié)果對比圖如圖10、11所示。由圖10、11可知，實驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果得到的阻抗曲線趨勢一致，在150～300 kHz的掃頻范圍內(nèi)都存在一個較大的阻抗峰值，且阻抗峰值對應(yīng)的結(jié)構(gòu)頻率在225～230 kHz之間，但是數(shù)值計算得到的阻抗幅值更大。分析原因是數(shù)值計算與材料參數(shù)選取密切相關(guān)，數(shù)值計算考慮的是理想環(huán)境，而實驗中存在溫度、濕度、邊界條件等一些不確定影響因素，后續(xù)數(shù)值計算還會進一步完善。

3 結(jié)束語

基于壓電阻抗技術(shù)對木梁的孔洞損傷進行數(shù)值計算和實驗研究，并采用損傷指數(shù)RMSD進行定量評估，計算表明,壓電阻抗對木梁局部損傷識別敏感，可為工程實際提供參考；當(dāng)損傷位置不變時，損傷指數(shù)RMSD隨損傷程度的增大而增大；當(dāng)損傷程度一定時，RMSD隨損傷位置和PZT貼片間距的增大而減小；PZT貼片與損傷位置之間的距離越近，RMSD變化越急劇，隨著距離的增加，RMSD變化趨于平緩，建議工程中考慮PZT貼片位置對損傷識別精度的影響因素。