本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測領域，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)損傷檢測方法和系統(tǒng)，利用健康聲子晶體與其他外加結(jié)構(gòu)組合成新的人工周期結(jié)構(gòu)，通過新的人工周期結(jié)構(gòu)的缺陷模式來判定外加結(jié)構(gòu)的缺陷(損傷)，為聲子晶體缺陷模式的應用提供新的途徑。

背景技術(shù)：

分析聲子晶體的帶隙特性是物理和工程領域中重要的研究課題之一，由于帶隙的存在，彈性波傳播行為表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)：帶隙頻率范圍內(nèi)的彈性波傳播被抑制；而聲子晶體存在缺陷時，彈性波局域在缺陷內(nèi)或只沿缺陷方向傳播，這使得彈性波傳播的調(diào)控成為可能。

考慮到聲子晶體缺陷本身也是一種損傷，如果利用健康聲子晶體與其他外加結(jié)構(gòu)組合成新的人工周期結(jié)構(gòu)，通過新的人工周期結(jié)構(gòu)的缺陷模式來判定外加結(jié)構(gòu)的缺陷(損傷)，從而利用聲子晶體缺陷模式來進行損傷監(jiān)測，為聲子晶體缺陷模式的應用提供新的途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為聲子晶體缺陷模式的應用提供新的途徑，提供了一種結(jié)構(gòu)損傷檢測方法和系統(tǒng)，本發(fā)明的具體方案如下。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法包括如下步驟：

s1:將聲子晶體與待測對象組合為周期結(jié)構(gòu)；

s2:采用信號發(fā)生器或?qū)崟r控制系統(tǒng)連接電壓放大器輸入激振信號給壓電疊堆陶瓷作動器，壓電疊堆陶瓷作動器位于步驟s1所述周期結(jié)構(gòu)一端底部，壓電疊堆陶瓷作動器激發(fā)周期結(jié)構(gòu)的振動響應，周期結(jié)構(gòu)另一端上部放置位移傳感器或加速度計，位移傳感器或加速度計感受振動導致的位移或加速度變化，記錄產(chǎn)生變化的位移或加速度信號；

s3:改變激振信號，記錄輸入信號與位移信號并分析生成頻率響應函數(shù)，當觀測到帶隙當中出現(xiàn)共振峰，即認為待測對象有損傷，所述的帶隙為頻率響應函數(shù)中明顯低于0db的頻率范圍。

進一步的，在步驟s1中，所述的聲子晶體為沒有缺陷態(tài)的健康聲子晶體；所述的將聲子晶體與待測對象組合為周期結(jié)構(gòu)的方法具體可以為：在待測對象上下表面對稱均勻黏貼聲子晶體，組成周期結(jié)構(gòu)。實際上任何利用利用健康聲子晶體與待測結(jié)構(gòu)組合，生產(chǎn)新的人工周期結(jié)構(gòu)的方法均是允許的。

優(yōu)選的，所述的周期結(jié)構(gòu)的周期數(shù)大于等于8個。周期數(shù)目越多，頻率響應函數(shù)的帶隙越清楚，帶隙越明顯，通常產(chǎn)生8個周期數(shù)目及以上就可以滿足檢測要求。

為了檢測損傷的具體位置，作為優(yōu)選的，所述的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法還包括步驟s4，所述的步驟s4為：當待測對象有損傷時，在每個周期單元內(nèi)等間距布置應變傳感器，觀察頻率響應函數(shù)的缺陷態(tài)頻率，然后通過缺陷態(tài)頻率下的激勵，找尋最大應變處，所述的最大應變處就是損傷處。

損傷的判斷定量的方法可以通過共振頻率的漂移幅度得到，該方法屬于本領域較熟知的方法，不再另做介紹。

本發(fā)明還公開了一種結(jié)構(gòu)損傷檢測系統(tǒng)，包括待測周期結(jié)構(gòu)、實時控制系統(tǒng)、電壓放大器、壓電疊堆陶瓷作動器、光纖光柵位移傳感器、寬帶光源、光纖光柵濾波器、光環(huán)行器a、光環(huán)行器b和光電二極管，所述的實時控制系統(tǒng)與電壓放大器相連，所述的電壓放大器與壓電疊堆陶瓷作動器相連，所述的壓電疊堆陶瓷作動器位于待測周期結(jié)構(gòu)一端的底部，所述的光纖光柵位移傳感器位于待測周期結(jié)構(gòu)一端的上部，所述的光纖光柵位移傳感器與光環(huán)行器b的2號端口相連，光環(huán)行器a的1號端口連接寬帶光源、2號端口連接光纖光柵濾波器、3號端口連接光環(huán)行器b的1號端口，光環(huán)行器b的3號端口通過光電二極管與實時控制系統(tǒng)相連。

優(yōu)選的，所述的待測周期結(jié)構(gòu)為上下表面對稱均勻黏貼聲子晶體的待測結(jié)構(gòu)。所述的待測結(jié)構(gòu)可以為工程梁。

本發(fā)明方法利用健康聲子晶體與其他結(jié)構(gòu)組合成新的人工周期結(jié)構(gòu)，通過新的人工周期結(jié)構(gòu)的缺陷模式來判定外加結(jié)構(gòu)的缺陷(損傷)，從而利用聲子晶體缺陷模式來進行損傷監(jiān)測，為聲子晶體缺陷模式的應用提供新的途徑。同時本發(fā)明方法對待測結(jié)構(gòu)沒有任何損傷，聲子晶體法對損傷程度敏感，開拓了聲子晶體的應用途徑，也為損傷監(jiān)測的方法提供了新的思路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的周期結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中第6元胞梁損傷示意圖；

圖4為復合梁不同程度損傷的頻率響應函數(shù)圖。

圖中，實時控制系統(tǒng)1，電壓放大器2，壓電疊堆陶瓷作動器3，待測周期結(jié)構(gòu)4，光纖光柵位移傳感器5，寬帶光源6，光纖光柵濾波器7，光環(huán)行器a8，光環(huán)行器b9，光電二極管10。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖本發(fā)明做進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷檢測系統(tǒng)，包括待測周期結(jié)構(gòu)4、實時控制系統(tǒng)1、電壓放大器2、壓電疊堆陶瓷作動器3、光纖光柵位移傳感器5、寬帶光源6、光纖光柵濾波器7、光環(huán)行器a8、光環(huán)行器b9和光電二極管10，所述的實時控制系統(tǒng)與電壓放大器相連，所述的電壓放大器與壓電疊堆陶瓷作動器相連，所述的壓電疊堆陶瓷作動器位于待測周期結(jié)構(gòu)一端的底部，所述的光纖光柵位移傳感器位于待測周期結(jié)構(gòu)一端的上部，所述的光纖光柵位移傳感器與光環(huán)行器b的2號端口相連，光環(huán)行器a的1號端口連接寬帶光源、2號端口連接光纖光柵濾波器、3號端口連接光環(huán)行器b的1號端口，光環(huán)行器b的3號端口通過光電二極管與實時控制系統(tǒng)相連。

在本實施例中，所述的待測周期結(jié)構(gòu)為上下表面對稱均勻黏貼聲子晶體的待測結(jié)構(gòu)。所述的待測結(jié)構(gòu)可以為工程鋁梁。周期數(shù)為8，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中鋁梁的尺寸參數(shù)為1.28m*0.03m*0.004m。在8個周期的聲子晶體梁中，所選材料為鋁和有機玻璃，晶格常數(shù)a＝0.16m，截面為正方形，邊長b＝0.015m，材料組分比1:1。

為了進一步分析如何應用聲子晶體缺陷模式來進行損傷監(jiān)測。在聲子晶體第6元胞對應的鋁梁中，設置不同長度損傷來比較其對傳輸特性曲線的影響，如圖3所示為第6元胞梁損傷示意圖。

在將聲子晶體與待測對象組合為周期結(jié)構(gòu)后，采用實時控制系統(tǒng)連接電壓放大器輸入激振信號給壓電疊堆陶瓷作動器，壓電疊堆陶瓷作動器位于步驟s1所述周期結(jié)構(gòu)一端底部，壓電疊堆陶瓷作動器激發(fā)周期結(jié)構(gòu)的振動響應，周期結(jié)構(gòu)一端上部放置光纖光柵位移傳感器，光纖光柵位移傳感器感受振動導致的位移變化，產(chǎn)生變化的位移信號通過光纖光柵傳感系統(tǒng)輸入到實時控制系統(tǒng)；改變激振信號，記錄輸入信號與位移信號并分析生成頻率響應函數(shù)，圖4是復合梁不同程度損傷的頻率響應仿真圖。

如圖4所示，不同程度的損傷時，帶隙內(nèi)的通帶頻率會發(fā)生漂移，其他頻率幾乎不變，如損傷長度從0.05a(晶格長度為a)變化到0.15a時，第二帶隙內(nèi)的通帶頻率從b移到b'，漂移幅度為8％。而且發(fā)現(xiàn)頻率越高，對通帶頻率影響更為明顯，如第三帶隙內(nèi)從a移到a'，漂移幅度達20％，觀察第一帶隙，發(fā)現(xiàn)帶隙內(nèi)沒有通帶。這是因為頻率越高，對應的波長越小，而波傳播時波長越小對局部的損傷更為敏感。綜上所述，聲子晶體法對損傷程度敏感，當觀測到頻率響應函數(shù)帶隙當中出現(xiàn)共振峰(共振峰即缺陷態(tài))，即認為待測對象有損傷；而不是周期結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)頻率響應函數(shù)沒有帶隙。故可以利用聲子晶體法對結(jié)構(gòu)進行損傷監(jiān)測。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)損傷檢測方法和系統(tǒng)，利用健康聲子晶體與其他外加結(jié)構(gòu)組合成新的人工周期結(jié)構(gòu)，通過新的人工周期結(jié)構(gòu)的缺陷模式來判定外加結(jié)構(gòu)的缺陷(損傷)，當觀測到帶隙當中出現(xiàn)共振峰，即認為待測對象有損傷。根據(jù)帶隙內(nèi)通帶的漂移情況來測量損傷的大小，為聲子晶體缺陷模式的應用提供新的途徑。

技術(shù)研發(fā)人員：莊國志;汪華鑫;張志強;袁志文
受保護的技術(shù)使用者：浙江大學
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.29
技術(shù)公布日：2017.07.28