基于瞬态超声导向波的PZT型钢筋混凝土梁的数值模拟

摘要

近年来，运用压电陶瓷（PZT）进行结构健康监测，在学术界和工业界得到了的广泛应用和研究。PZT不仅具备压电效应，而且具有性能好、造价低等优点，被广泛应用于各类激励器和传感器的制造，为钢筋混凝土结构健康监测提供了一种新的技术手段。
　　由于混凝土微观结构和耦合场分析的复杂性，给基于PZT的结构损伤识别研究带来了困难。有限元方法可以精确的模拟并分析此类问题，本文利用商业有限元软件ANSYS对基于PZT的混凝土结构探伤监测进行瞬态超声导向波法数值模拟，为后续相关试验研究提供理论指导。本文主要研究工作包括如下几个方面：
　　（1）介绍了压电陶瓷的基本特性和应力波的相关概念，根据波在传播过程中的衰减规律，对基于瞬态超声导向波损伤监测的基本原理进行说明，并以钢筋混凝土裂缝损伤为例，探讨判定损伤位置基本方法。
　　（2）介绍ANSYS进行有限元分析的基本过程及其耦合场分析功能，比较不同耦合场分析方法的优缺点，并选取直接耦合法作为模型分析的基础；在此基础上，对建模过程中的主要参数和分析方法展开讨论，标定模型的参数，精确化有限元分析结果。
　　（3）基于PZT型钢筋试验建立有限元模型，使用选定的压电耦合瞬态分析进行数值计算，并与试验数据进行对比，以验证有限元模型；利用解析和有限元分析两种方法讨论钢筋肋对输出信号的影响；对有限元模型进行优化，以达到更好的检测效果。
　　（4）介绍PZT型钢筋混凝土结构损伤试验，基于此试验建立有限元模型，模拟试验中PZT型钢筋混凝土试件的脱粘损伤，将模拟分析结果与试验数据进行对比，并进一步对PZT型钢筋混凝土结构的损伤、优化和损伤定位等进行讨论。
　　（5）对本文工作内容和所得结论进行归纳总结，并对今后的研究提出展望。

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上海交通大学硕士学位答辩决议书

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第一章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2应用于土木工程的结构健康监测技术

1.3基于PZT的结构健康监测

1.4国内外研究现状

1.5主要研究内容

第二章 基于瞬态超声导向波的结构健康监测基本原理

2.1引言

2.2压电材料概述

2.3压电陶瓷基本特性

2.4基于导向波法的结构健康监测基本原理

2.5本章小结

第三章 数值模拟参数设置

3.1引言

3.2 ANSYS 软件介绍

3.3有限元分析参数研究

3.4本章小结

第四章 PZT型钢筋有限元分析

4.1引言

4.2 PZT型钢筋试验

4.3 PZT型钢筋有限元模拟

4.4钢筋肋的影响

4.5有限元结果处理

4.6有限元结果验证及分析

4.7有限元模型优化

4.8总结

第五章 基于导向波的PZT型钢筋混凝土有限元分析

5.1引言

5.2 PZT型钢筋混凝土损伤试验回顾

5.3 PZT型钢筋混凝土有限元模拟

5.4 PZT型钢筋混凝土有限元模型验证

5.5 PZT型钢筋混凝土裂缝损伤模拟

5.6模型优化

5.7优化后的损伤定位

5.8本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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