基于压电陶瓷的混凝土—钢塔筒损伤监测及谱元法模拟研究

摘要

在能源以及环境问题日益严峻的今天，由于风能的可再生以及环保特性，风能的开发利用在我国发展十分迅速。近十几年来，风力发电机单机装机容量逐渐增大，相应地对风电塔的结构性能要求也日益提高。混凝土-钢组合风电塔筒结合了混凝土结构和钢结构的优势，其作为先进的风电塔筒结构同时也存在混凝土开裂的弊端。因此，对组合结构风电塔筒的损伤监测和可靠性评估相当重要。传统检测方法并不适用于组合结构风电塔筒损伤监测。本文针对混凝土-钢组合风电塔筒结构提出了一种基于压电陶瓷材料的应力波传播分析的监测方法。
　　其具体研究内容如下所述。
　　1、本文开展了混凝土-钢组合风电塔筒缩尺模型结构的试验研究，对塔筒的混凝土段进行了损伤监测。试验采用循环加载制度，运用外贴压电陶瓷片采用波动法对结构进行损伤监测，监测过程从混凝土裂缝发生发展开始，直至构件最终破坏。损伤监测试验分别采用了压电驱动器激励和力锤激励两种监测方案。
　　2、基于压电驱动器激励的激励信号选取了正弦简谐信号和正弦扫频信号，简谐信号采用了基于频域幅值的损伤指标进行分析，扫频信号则采用了基于小波包能量的损伤指标。两种信号的分析结果均表明，裂缝开展的位置与监测结果吻合，能对初始裂缝的产生和不同加载级别下的损伤进行有效识别。
　　3、基于力锤激励的信号，本文采用了频响函数及相应的损伤指标进行分析。分析结果表明，此监测方法对初始裂缝损伤的识别度不佳，当损伤达到一定程度后能对其进行有效识别，并且对损伤位置的识别效果不佳。
　　4、本文采用谱元法对基于应力波传播分析的一维结构损伤监测进行了模拟。首先，以结构平衡微分方程为基础，文中推导了轴向振动杆件基于谱单元法的单元刚度矩阵，对频域上单元刚度矩阵组装成整体刚度矩阵进行了介绍。其次，介绍了谱元法计算中所运用的时频变换。最后，文中以一轴向振动构件开展了应力波传播的理论计算，对基于应力波传播方法的结构损伤检测进行谱元法理论计算验证。计算结果表明，采用基于应力波传播的方法能进行有效的损伤监测。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 选题背景和选题意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题意义

1．2 混凝土-钢组合塔筒

1．2．1 混凝土-钢组合塔筒简介

1．2．2 混凝土-钢组合塔筒的监测研究概述

1．3 土木工程结构健康监测

1．4 基于压电陶瓷的损伤监测研究

1．4．1 压电材料

1．4．2 基于压电陶瓷的被动监测技术

1．4．3 基于压电陶瓷的主动监测技术

1．5 主要研究内容

第2章 混凝土-钢组合塔筒损伤监测试验

2．1 引言

2．2 试验目的

2．3 试验设计

2．3．1 试验构件

2．3．2 试验装置与加载方案

2．3．3 压电驱动器与传感器的制作和固定

2．3．4 损伤监测系统

2．3．5 损伤监测方案

2．4 试验结果

2．5 本章小结

第3章 压电驱动器激励的塔筒损伤监测

3．1 引言

3．2 小波包能量

3．2．1 小波理论

3．2．2 小波包能量理论

3．3 损伤监测分析结果

3．3．1 简谐信号激励的损伤监测

3．3．2 扫频信号激励的损伤监测

3．4 本章小结

第4章 力锤激励的组合塔筒损伤监测

4．1 引言

4．2 频响函数理论

4．3 基于频响函数分析的损伤监测

4．4 不同激励形式的损伤监测结果比较

4．5 本章小结

第5章 一维结构波动监测的谱元法模拟

5．1 引言

5．2 轴向振动结构的动力分析

5．2．1 杆单元轴向振动的平衡微分方程

5．2．2 杆单元轴向振动的谱元法求解

5．3 谱元法中数值变换理论

5．3．1 傅里叶变换

5．3．2 拉普拉斯变换

5．4 损伤结构谱元法算例

5．4．1 数值模拟构件

5．4．2 不同激励频率下的损伤监测

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢