基于壓電阻抗技術的木梁損傷識別研究

韓 芳，汪程鳳，張全景

(1.武漢科技大學 理學院，湖北 武漢 430081;2.冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學湖北省重點實驗室(武漢科技大學)，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”特性會導致開裂腐爛、生物侵襲等材料損傷，進而削弱木結構整體強度，最終影響木結構的使用壽命。因此，木材的健康監(jiān)測和損傷檢測對于確保整個木結構的安全性和可靠性至關重要。

近年來，壓電智能材料被廣泛用于結構損傷識別和健康監(jiān)測領域，并受到國內(nèi)外學者的密切關注。壓電智能材料的正、逆壓電效應使其既可作為驅動器又可作為傳感器，這一特性直接推動了結構微型損傷檢測和健康監(jiān)測技術的發(fā)展。其中，常用的是基于壓電阻抗技術的損傷檢測方法[2]。壓電阻抗技術最初由Liang等[3]提出，隨后其他學者利用壓電阻抗技術在混凝土強度監(jiān)測[4]、管道裂縫檢測[5]、螺栓松動監(jiān)測[6]、板結構損傷檢測[7]、節(jié)點連接損傷檢測[8]等工程領域進行了深入研究。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雜性在一定程度上限制了壓電阻抗技術在木結構的廣泛應用。目前，王清華等[9]基于壓電阻抗技術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]采用阻抗技術對結構進行損傷測試，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)揮壓電阻抗技術在木結構領域的應用價值，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，與虛部峰值在相應頻率附近一一對應。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構力學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。孔洞損傷僅考慮孔洞直徑(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。不考慮粘結層影響，得到帶孔洞損傷的木梁有限元模型如圖3所示。考慮健康工況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，由于損傷導致結構剛度下降帶來結構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L不變時，RMSD隨D的增大而增大；當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。可見，損傷程度越大，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，利用阻抗技術結合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 實驗設計

采用北美松木作為實驗模型，試件尺寸長200 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與孔洞間的位置關系如圖6所示。

圖6 PZT與孔洞位置關系

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。現(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致結構剛度下降帶來結構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L不變時，RMSD隨D的增大而增大；當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)值計算和實驗結果對比圖如圖10、11所示。由圖10、11可知，實驗結果和數(shù)值計算結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，且阻抗峰值對應的結構頻率在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，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 結束語

基于壓電阻抗技術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。