压电驱动器激发的Lamb波在板结构中传播的数值模拟

摘要

目前，采用谱元法对基于Lamb波的损伤检测进行数值模拟已较为成熟，其高效性得到了广泛认可，但是大多数的模拟过程都没有考虑压电驱动器与传感器的力电耦合效应及其对Lamb波激发和接收的影响。另一方面，常规有限元方法在压电效应的模拟中已屡见不鲜，但采用谱元法模拟压电效应却较为罕见。本文结合压电本构方程和Lamb波数值模拟中较热门的谱有限元方法，由简到繁，建立了含压电杆谱单元、含压电梁谱单元、含压电平面应变谱单元和含压电板壳谱单元，将它们应用于Lamb波在杆、梁、板中激发、传播、接收过程的数值模拟中。将模拟结果与其它文献中的已有数值结果及采用商用有限元软件 ANSYS重新计算得到的数值模拟结果进行了对比，验证了所建立的单元的正确性；之后，结合椭圆定位技术，对单一损伤进行了识别。研究表明，压电驱动器通过逆压电效应，将电载荷转化为力载荷作用于基板上，且主要集中在其与压电片边缘相连处，即使忽略压电激励器模拟，也不能简单的将力载荷仅加在某个节点上，压电片与基板粘接边缘存在应力集中，最大von Mises应力随其与基板厚度比减小而急剧增大；另一方面，传感器能够通过压电效应将多个自由度的复杂的位移信号转变为单一的电信号，利于实际测量分析，该信号幅值随压电驱动器与基板厚度比增大而减小，随压电传感器与基板厚度比增大而先增大后减小。本文的研究结果为实际应用提供了一定的指导依据。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 压电效应与损伤检测

1.3 Lamb波传播模拟现状

1.4 压电结构数值模拟现状

1.5 本文章节安排及主要内容

第二章 压电谱有限元基本理论

2.1 压电本构方程

2.2 压电谱有限元系统方程的推导

2.3 本章小结

第三章 谱单元及压电谱单元的构建

3.1 谱单元

3.2 压电谱单元

3.3 本章小结

第四章 压电谱单元的应用

4.1 控制方程的离散与求解

4.2 含压电杆谱单元的应用

4.3 含压电梁谱单元的应用

4.4 含压电平面应变谱单元的应用

4.5 含压电板壳谱单元的应用

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表（待发表）的论文