具體描述
| 基於壓電晶片主動傳感器的結構健康監測（原書第二版） | ||
| 定價 | 228.00 | |
| 齣版社 | 科學齣版社 | |
| 版次 | 1 | |
| 齣版時間 | 2018年02月 | |
| 開本 | 16 | |
| 作者 | Victor Giurgiutiu | |
| 裝幀 | 平裝 | |
| 頁數 | 677 | |
| 字數 | 980000 | |
| ISBN編碼 | 9787030291905 | |
譯者的話
第1章 緒論 1
1.1 結構健康監測基礎和概念 1
1.2 結構的斷裂與失效 2
1.3 飛機結構完整性大綱 6
1.4 基於SHM的優化診斷和預測 11
1.5 關於本書 12
參考文獻 13
第2章 電主動和磁主動材料 14
2.1 引言 14
2.2 壓電效應 14
2.3 壓電現象 21
2.4 鈣鈦礦陶瓷 22
2.5 壓電聚閤物 29
2.6 磁緻伸縮材料 30
2.7 總結 32
2.8 問題和練習 33
參考文獻 33
第3章 振動基礎 34
3.1 引言 34
3.2 單自由度振動分析 34
3.3 杆的軸嚮振動 52
3.4 梁的彎麯振動 69
3.5 軸的扭轉振動 85
3.6 彈性長條的水平剪切振動 88
3.7 梁的垂直剪切振動 91
3.8 總結 92
3.9 問題和練習 92
參考文獻 94
第4章 闆的振動 95
4.1 引言 95
4.2 闆振動的彈性方程 95
4.3 矩形闆的軸嚮振動 95
4.4 圓闆的軸嚮振動 98
4.5 矩形闆的彎麯振動 108
4.6 圓闆的彎麯振動 118
4.7 總結 131
4.8 問題和練習 131
參考文獻 132
第5章 彈性波 133
5.1 引言 133
5.2 固體和結構中的彈性波傳播概述 133
5.3 杆中的軸嚮波 134
5.4 梁中的彎麯波 155
5.5 軸中的扭轉波 173
5.6 長條中的水平剪切波 173
5.7 梁中的縱嚮剪切波 175
5.8 闆波 175
5.9 平麵波、球波和環形波波陣麵 186
5.10 無限大彈性介質中的體波 192
5.11 總結 201
5.12 問題和練習 201
參考文獻 204
第6章 導波 205
6.1 引言 205
6.2 Rayleigh波 205
6.3 SH闆波 209
6.4 Lamb波 215
6.5 環形峰Lamb波 229
6.6 闆中導波的概述 244
6.7 管和殼中的導波 247
6.8 總結 250
6.9 問題和練習 251
參考文獻 251
第7章 壓電晶片主動傳感器 252
7.1 引言 252
7.2 PWAS驅動器 253
7.3 PWAS應力和應變測量 258
7.4 厚度對PWAS激勵與傳感的影響 263
7.5 基於PWAS的振動傳感 264
7.6 基於PWAS的波傳感 267
7.7 PWAS的安裝與質量檢查 269
7.8 PWAS的耐久性和存活能力 274
7.9 PWAS在SHM中的典型應用 278
7.10 總結 280
7.11 問題和練習 280
參考文獻 281
第8章 PWAS與被監測結構的耦閤 282
8.1 引言 282
8.2 1-D剪切層耦閤分析 283
8.3 矩形PWAS的2-D剪切滯分析 293
8.4 圓形PWAS的剪切層分析 302
8.5 PWAS與結構間的能量傳遞 309
8.6 總結 319
8.7 問題和練習 319
參考文獻 320
第9章 PWAS諧振器 321
9.1 引言 321
9.2 1-DPWAS諧振器 321
9.3 圓形PWAS諧振器 341
9.4 PWAS諧振器的耦閤場分析 351
9.5 有約束的PWAS354
9.6 總結 365
9.7 問題和練習 365
參考文獻 366
第10章 基於PWAS的模態傳感器高頻振動SHM——機電阻抗法 367
10.1 引言 367
10.2 基於PWAS的1-D模態傳感器 370
10.3 基於PWAS的2-D圓形模態傳感器 382
10.4 基於PWAS的模態傳感器的損傷檢測 390
10.5 基於PWAS的模態傳感器耦閤場FEM分析 407
10.6 總結 411
10.7 問題和練習 411
參考文獻 412
第11章 基於PWAS的波調製 413
11.1 引言 413
11.2 基於PWAS的軸嚮波調製 413
11.3 基於PWAS的彎麯波調製 417
11.4 基於1-DPWAS的Lamb波調製 422
11.5 基於圓形PWAS的Lamb波調製 431
11.6 圓形PWAS調製分析中的Hankel變換 439
11.7 PWASLamb波調製的實驗驗證 447
11.8 矩形PWAS的方嚮性 455
11.9 總結 461
11.10 問題和練習 461
參考文獻 463
第12章 基於PWAS的導波SHM464
12.1 引言 464
12.2 1-D建模與實驗 471
12.3 2-DPWAS波傳播實驗 481
12.4 基於PWAS的嵌入式一發一收超聲檢測 486
12.5 基於PWAS的嵌入式脈衝迴波超聲檢測 491
12.6 PWAS時間反轉方法 493
12.7 偏移技術 506
12.8 基於PWAS的被動聲波傳感器 506
12.9 總結 509
12.10 問題和練習 510
參考文獻 511
第13章 基於PWAS的在綫相控陣方法 512
13.1 引言 512
13.2 傳統超聲NDE中的相控陣 513
13.3 1-D綫性PWAS相控陣 515
13.4 綫性PWAS陣列的進一步實驗 525
13.5 PWAS相控陣波束成型的優化 538
13.6 PWAS相控陣的通用公式 547
13.7 2-D平麵PWAS相控陣研究 555
13.8 2-D嵌入式超聲結構雷達 560
13.9 基於矩形PWAS陣列的損傷檢測實驗 566
13.10 基於傅裏葉變換的相控陣分析 572
13.11 總結 583
13.12 問題和練習 583
參考文獻 584
第14章 基於PWAS的SHM信號處理與模式識彆 585
14.1 引言 585
14.2 損傷識彆理論及進展 585
14.3 從傅裏葉變換到短時傅裏葉變換 590
14.4 小波分析 596
14.5 神經網絡 611
14.6 特徵提取 618
14.7 基於E/M阻抗的PWAS損傷檢測算法 620
14.8 總結 621
14.9 問題和練習 622
參考文獻 622
第15章 基於PWAS的多種SHM案例：實驗信號中的損傷因子 623
15.1 引言 623
15.2 案例1：基於E/M阻抗的圓闆損傷檢測 623
15.3 案例2：老齡飛行器壁闆中的損傷檢測 642
15.4 總結 654
參考文獻 655
注釋錶 656
縮略詞 666
重要詞匯 668
附錄A 數學預備知識 678
附錄B 彈性符號和公式 679
彩圖 680
第1章 緒論
1.1 結構健康監測基礎和概念
結構健康監測（structural health monitoring，SHM）是一個越來越受到關注並蘊含創新的領域。美國每年在維修裝備上的花費超過2000 億美元，維護和修理費用占美國商業飛機運營成本的四分之一。列在美國國傢清單中的近576 600 座橋梁中1/3因結構性缺陷而需要維修或因功能缺失需要重造，與之相關的老化基礎設施維護費用問題也很突齣。
現存基礎設施的老化使得維護和修理的費用越來越不容忽視，結構健康監測運用視情維護（condition-based maintenance，CBM）替代計劃維修來緩解上述問題，一方麵可以減少不必要的維修費用，另一方麵可以避免結構突發問題引起的臨時檢修。對於新結構，在設計階段就集成結構健康監測傳感器及其，可有效減少服役周期費用。更重要的是，結構健康監測可以在減少維護費用的情況下保證結構的安全性和可靠性。
結構健康監測應用廣泛，該技術可以評估結構健康狀態，通過閤理的數據處理與解釋分析預估結構剩餘壽命。在實際應用中，很多航空航天和民用基礎設施在超過設計壽命後仍能繼續使用，所以人們希望可以延長這些設施的使用壽命。結構健康監測是可實現該目的的技術之一，它可以找齣老化結構問題所在，而這正是工程界所關心的。結構健康監測可以讓視情維護替代傳統的計劃維護。結構健康監測的另一種應用前景是與結構融為一體，也就是將結構健康監測傳感器和相關的傳感嵌入新結構中，從而改變設計模式，大幅減少結構的重量、尺寸和費用。圖1-1是通用結構健康監測的示意圖。
圖1-1 通用結構健康監測示意圖
結構健康監測的實現主要有兩種方法：被動監測和主動監測。被動監測關注的是各種運行參數測量並通過這些參數來評估結構健康狀況。例如，通過監測飛行器的飛行參數（空速、空氣擾動、過載係數、重要部位應力等），然後運用飛機設計算法推斷已消耗的使用壽命和剩餘壽命。被動監測方式的結構健康監測非常有用，但它不能直接檢查齣結構是否破壞。主動結構健康監測可以直接發現現有與潛在的結構損傷，從而評估結構的健康狀況。從這個方麵來說，主動SHM與無損評估（non-destructive evaluation，NDE）所用方法相似，但主動SHM在NDE的基礎上又前進瞭一步：主動方法嘗試發展可以**安裝於結構中的損傷監測傳感器和可以提供按需結構健康檢測的方法。近年來，運用導波NDE來發現結構損傷的方法正引起人們的重視。導波（如闆中的Lamb波）是一種在薄闆結構中能進行長距離傳播且振幅損失較小的彈性擾動，因此在Lamb波無損檢測（non-destructiveinspection，NDI）中，所需傳感器數量會大大減少。運用導波相控陣技術，在固定位置掃描大範圍的結構區域也成為可能。然而，將傳統NDE技術轉變成SHM技術存在一個明顯的限製，那就是傳統的NDE傳感器都存在尺寸大和費用高的問題。將傳統無損檢測傳感器**安裝在結構中也不太適用，尤其是在重量和費用嚴格限製的航空領域。*近發展起來的壓電晶片主動傳感器（piezoelectric wafer active sensors，PWAS）對於結構健康監測、損傷診斷和無損檢測技術的優化具有良好的發展前景。PWAS具有體積小、重量輕、價格便宜和便於加工成形等優點。PWAS可以安裝在結構的錶麵也可以安裝在結構的內部，甚至可以嵌入結構層與非結構層之間，盡管這樣有可能帶來對結構強度和損傷容限的影響，這些問題還在研究中。
基於PWAS的結構損傷診斷方法主要有以下幾種：①波的傳播法；②頻率響應傳遞函數法；③機電阻抗法（electromechanical，E/M）。其他運用PWAS進行監測的方法還在研究和發展中，但通過錶麵粘貼或者埋入PWAS實現Lamb波激勵和傳感的模型建立與特徵分析的研究仍有很長道路要走。評估結構健康狀態的損傷因子也不完全可靠。將PWAS集成在結構中實現Lamb波損傷診斷的方法還在研究中。研發結構健康監測還缺乏用以選擇各種相關監測參數的數學理論基礎，如傳感器的幾何特徵、維數、位置、材料、激勵頻率和帶寬等。
不可否認，結構健康監測領域涉及的內容很多，存在不同類型的傳感器、方法和數據壓縮技術可以用於查詢“結構有何感覺”，並確定其狀態“健康否”，包括結構的完整性、可能存在的損傷和剩餘壽命。本書目的不是提供此類百科全書式的敘述。本書主要以基於PWAS的結構健康監測的綜閤性方法為例，引導讀者一步一步瞭解如何運用PWAS來評估和診斷給定結構的健康狀況。本書從易到難，從簡單到復雜，從對實驗室簡單試件的建模和測試過渡到評估大型真實結構。本書可用為課堂教材，也可用作相關領域感興趣讀者的自學書籍，或者作為相關領域專傢需要運用主動結構健康監測方法時的參考書。
1.2 結構的斷裂與失效
1.2.1 綫彈性斷裂力學概述
裂紋**應力強度因子通常錶示為式中，為外加應力；a為裂紋長度；C是取決於試件幾何尺寸和載荷分布的常數。應力強度因子和應力有關；也和裂紋長度有關，隨著裂紋擴展，應力強度因子相應增加。裂紋快速擴展到不可控時，會達到臨界狀態。和裂紋快速擴展有關的變量稱作臨界應力強度因子，是反映材料抵抗脆性斷裂能力的參數。也就是說，對於同一材料，裂紋的快速擴展總是開始於同一應力強度。對不同樣品試件、不同的裂紋長度、不同的幾何尺寸，裂紋快速擴展的情況是不一樣的，但不變。是反映材料抵抗脆性斷裂能力的參數，是材料的一種屬性。發生斷裂是因為當前應力強度超過，即為斷裂預測提供瞭單參數斷裂準則。雖然具體的計算和的確定在某些時候比較睏難，但是用去預測脆性斷裂是可行的。的概念可以用於具有延展性的材料，比如高強度閤金。在這種情況下，的錶達式（1-1）可以改進為描述裂紋**塑性區域的應力強度錶達：的*大值可以估計為(平麵應力狀態)(平麵應變狀態)1-5）式中，是材料的屈服應力。研究材料的行為發現，平麵應變狀態的是*小的，而平麵應力狀態的是平麵應變狀態的2～10倍。這種影響與施加在材料上的約束程度有關。材料約束越多，越小。平麵應變狀態約束*多，平麵應變狀態下的也叫作材料斷裂韌性。標準測試方法可以確定材料的斷裂韌性。設計中使用時，斷裂韌性準則比彈塑性斷裂力學的方法要安全得多，比如：①裂紋**張開位移量方法（crack tiPopen ingdisplacement，CTOD）；②R麯綫法；③J積分法。斷裂韌性的方法比較保守，更安全，但更繁瑣。設計者應該考慮以下兩點：①脆性斷裂可能的失效形式；②柔性屈服可能的失效形式。
1.2.2 裂紋擴展的斷裂力學進展
綫性斷裂力學概念可用於分析特定結構，並且可以預測在特定載荷下裂紋自發擴展到失效時的裂紋長度大小。臨界裂紋的大小可以由式（1-3）中定義的臨界應力強度因子確定。循環載荷或其他損傷機理引起的疲勞裂紋在持續的循環載荷作用下會不斷擴展，直到擴展到臨界裂紋長度，此時裂紋快速擴展造成災難性的失效。其中給定的裂紋損傷擴展到臨界值所需要的時間是典型的結構健康壽命重要指標。為瞭測定結構的使用壽命，需掌握以下幾點：①理解裂紋萌生機製；②定義臨界裂紋長度，當超過臨界裂紋長度時，結構將發生災難性破壞；③理解裂紋從亞臨界狀態到臨界裂紋長度的力學擴展原理。
大量循環載荷下裂紋擴展的實驗錶明：循環載荷越大，裂紋擴展得越快；循環載荷越小，裂紋擴展得越慢[1]。裂紋擴展現象有明顯的幾個區間，如圖1-2所示：①區間I被稱為裂紋萌生區，在初始階段，裂紋擴展緩慢；②區間II為穩定擴展區，裂紋擴展速率與循環次數的對數成正比，呈綫性；③區間III為快速擴展區，當應力強度因子大於閾值強度因子時，裂紋擴展快速直至破壞失效，呈現非綫性。
圖1-2 金屬材料的疲勞裂紋擴展示意圖
為瞭分析裂紋疲勞擴展，Paris和Erdogan[2]定義疲勞裂紋擴展依賴於交變應力和裂紋長度：式中，為循環應力中*大值與*小值之間的差值；a為裂紋長度；C為依賴於載荷、材料性能和其他次要變量的常數。
考慮式（1-1），可以假定裂紋擴展速率依賴於循環應力強度因子，如式中，為應力強度因子的*大值與*小值之差。實驗錶明，對於不同的應力等級和裂紋長度，裂紋擴展速率與應力強度因子之間的關係服從同一準則[1]。這個標誌性的行為現象後來被稱為Paris規則，它與圖1-2中穩定擴展區II是一緻的，疲勞裂紋擴展速率規則適用於大量工程材料。Paris規則適用於常幅載荷。圖1-2中第二區域的綫性麯綫是式（1-7）取對數後的麯綫，可以寫為式中，是麯綫的斜率；是和材料性質、測試頻率、均布載荷和一些次要變量有關的經驗參數。如果n和EPC已知，裂紋經N次循環後的擴展長度可以計算為式中，是原始裂紋長度。
Paris規則錶示圖1-2中第二區域的綫性麯綫，但是完整的裂紋擴展行為有獨立的三種相態：①裂紋形成；②在log-log坐標下成穩定的綫性裂紋擴展；③轉變到不穩定的快速裂紋擴展及斷裂狀態。三種相態分彆對應於圖1-2中的區間I、區間II和區間III。研究發現，存在可以錶徵裂紋所在擴展區域的臨界值，但不同材料之間的應力強度因子臨界值相差很大。
Paris規則廣泛應用於工程實踐，應用時要考慮以下因素：①循環應力比對臨界值的影響；②常幅載荷和復雜載荷譜下的區彆；③載荷譜上*大應力的影響；④過載帶來的遲滯和加速的影響。
考慮應力比和臨界值的影響，Paris規則可修正為[3]式中，R為應力比為臨界應力強度因子；是閾值應力強度因子幅；為經驗參數。
常幅載荷和復雜載荷譜下裂紋擴展的不同之處主要取決於*大應力值。如果所加的常幅載荷和復雜載荷譜下*大應力值相同，裂紋擴展速率將會遵循同一規則。但是，如果*大應力不同，復雜載荷譜下的結果更依賴於所加循環載荷的順序。值得注意的是，復雜載荷譜下總體裂紋擴展速率比常幅載荷快[4]。有研究者將過載引起的遲滯效應理解為疲勞損傷和裂紋的擴展與循環載荷曆史的相互影響。*有可能的相互影響是裂紋的遲滯效應，裂紋**循環載荷過載就會引起遲滯效應。遲滯效應定義為裂紋擴展速率的減緩，由於載荷峰值逐漸減小，裂紋擴展速率減緩。文獻[4]解釋遲滯效應：過載使得裂紋**産生塑性區，引起局部塑性變形。去除過載後，塑性區轉變為殘餘壓應力區，因此會阻礙裂紋擴展。另一方麵，裂紋加速也會齣現在裂紋閉閤過載後。在這種情況下，過載屈服區域會産生殘餘拉伸應力，會産生額外載荷，進而引起裂紋擴展加速。
對於簡單幾何形狀試件，可以通過分析，預測齣其應力強度因子，其預測可以通過大量實驗、製作成圖錶以供設計時查閱。例如，一個有中心裂紋的矩形試件，在I型裂紋下的應力強度因子為式中，是拉應力；是裂紋長度的一半；是有中心裂紋無限大闆的理想應力強度因子；錶示有限尺寸闆的影響，即闆的邊界距離裂紋不是無限遠時彈性場的變化，如圖1-3 所示。文獻中可以查閱到大量不同幾何尺寸試件的值。
圖1-3 帶有2a長度的中心裂紋的長2h、寬2b矩形闆
1.3 飛機結構完整性大綱
美國空軍在20世紀70年代提齣飛機結構完整性大綱（aircraft structural integrity program，ASIP）[5-8]。ASIP的基本假設是所有在役飛機的結構（機身）都存在現有無損檢測技術檢測不到的內在損傷，由於機身結構具有損傷容限，因此飛機能夠帶著這些“初始缺陷”安全飛行。ASIP同時假設這些初始缺陷會在正常飛行的服役循環和腐蝕作用下不斷擴展直至達到能夠被無損檢測方法檢測到的長度。
損傷容限理論的基本前提是飛機結構存在現有無損檢測技術檢測不到的內在損傷，但仍能夠繼續安全的飛行。ASIP製定瞭一套定期檢測和維修活動，目的是發現和修復那些已經增長到可以通過無損檢測方法檢齣的損傷。一旦損傷被修復，在下次檢測和維修活動前，飛機重新給定壽命。
ASIP的持續應用避免瞭結構由於疲勞、應力腐蝕和腐蝕疲勞而産生失效的現象[9]。現存的結構製造質量缺陷（例如劃痕、瑕疵、毛邊、微裂紋等），服役引起的損傷（如腐蝕斑點），還有維修引起的損傷都有可能成為裂紋擴張的開端。這些缺陷對飛機安全的影響取決於它們的初始尺寸、服役中的擴展速度、關鍵缺陷尺寸、結構的可檢性和初始結構設計時的損傷容限能力等。
飛機的可靠性、疲勞和損傷容限[9]需要保障結構可能存在的初始*大損傷在飛機服役過程中，不會擴展至影響飛機安全的尺寸。同時也要盡可能減緩疲勞和腐蝕作用下在役飛行器結構裂紋的産生及結構特性的減退。
1.3.1 術語
以下術語從參考文獻[6]中摘錄。
①損傷：缺陷、裂紋、空隙、分層等，在生産製造或使用過程中齣現在結構中的問題。在金屬機身中，損傷往往被考慮成尖角裂紋。
②損傷容限：在規定的壽命增量內，結構能成功遏製損傷而無損於飛行安全的能力。
③安全性：在預計服役壽命下，每架飛機的重要結構（例如機身上對於飛行十分重要的結構）可以維持特定強度水平（在未知損傷齣現的情況下）的保障。
④耐久性：在常規裂紋、腐蝕、磨損等影響下，采用*少的結構維護、檢測、停場時間、翻新、維修和替換主要結構的情況下，保障飛機可以有效服役的能力。
⑤壽命管理：維護每架飛機或者整個機群的安全性和耐久性所需要的行動。
⑥確定性分析方法/進展：通過考慮所有離散量輸入數據來預測壽命和損傷水平（如裂紋長度）的方法。對一組給定數據，預測是單一值。
⑦概率分析方法/進展：通過考慮一個或多個輸入變量的統計特性來預測壽命的分布或損傷水平分布（如裂紋尺寸分布）的方法。對於一個給定的數據集，結果錶示為等於或超過某給定值的概率。
本書英文原著由美國南卡羅來納大學機械工程係Victor Giurgiutiu教授撰寫。中文譯本由南京航空航天大學機械結構力學及控製國傢重點實驗室教育部“長江學者”特聘教授袁慎芳完成。本書循序漸進地講解瞭基於壓電晶片主動傳感器的結構健康監測理論、方法和案例，所涉及內容包括結構健康監測相關基本概念、電主動材料和磁主動材料、結構振動及其分析方法、彈性波理論和建模方法、壓電晶片主動傳感器及其與結構的耦閤分析、壓電晶片諧振器、基於結構機電阻抗的結構健康監測方法、壓電彈性波調製方法、壓電導波結構健康監測方法、壓電在綫相控陣方法和壓電結構健康監測信號處理與模式識彆方法，*後介紹瞭基於壓電晶片主動傳感器的結構健康監測研究案例。本書內容全麵，通俗易懂，既有性，又兼具可讀性，特彆適閤讀者學習有關結構健康監測的概念、原理和方法，為他們在該領域開展深入研究奠定基礎。
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