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　　【摘要】： 隨著國民經濟的飛速發展和西部大開發的進行，基礎設施的建設取得了巨大成就。道路橋梁在西部的不斷拓展，出現了大型復雜邊坡以及形式與功能的日趨復雜化的大跨度橋梁設計。邊坡、橋梁監測這項技術更成為國內外學術界、工程界的研究焦點。但是由于目前監測手段的不足，重大事故還是頻頻發生。 本碩士學位論文來源于重慶市“十五”攻關項目《壓電式基礎設施健康安全主動監測技術》，這是一種具有實時、在線、無損、分布式特性的監測技術，其目的在于為基礎設施工程結構監測提供一種嶄新的，而又切實可行、可靠的工程方法和儀器系統。我們在進行該項課題研究過程中，根據壓電陶瓷片在混凝土中實際工況，結合實驗提出了本學位論文的研究題目、內容及思路，是面向應用的基礎理論與實驗相結合的課題。 論文涉及了力學、聲學、壓電傳感技術等多種專業學科的知識，通過前期理論探討，以求證壓電無損檢測技術在混凝土基礎設施中應用的可行性。 在壓電陶瓷無損監測技術研究中，壓電陶瓷傳感器振動行為分析是關鍵環節之一。本文著重研究了在混凝土約束條件下壓電陶瓷片的樣本模型，在此基礎上通過理論探討和實驗現象分析，認為埋置于混凝土中的壓電陶瓷片是符合彈性力學中克希霍夫有關薄板理論的假設，是屬于薄板振動問題，并確定了其邊界約束條件。而后采用一種簡單的附加荷載法，即認為壓電陶瓷層對薄圓板的激勵可以視為一均布周期激振力作用于周邊固定的薄銅片上，迫使其作周期性振動，較好地解決了此類壓電陶瓷片的壓電耦合問題。同時，通過對大型通用有限元軟件ANSYS6.1的研究，找到了其單元庫中可以處理壓電場與結構場三維空間耦合的SOLIDE5單元，并試圖利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對簡化了的在混凝土約束條件下壓電陶瓷的壓電耦合變形進行模擬分析，為今后進一步研究壓電陶瓷在混凝土的聲發射和聲接收技術以及混凝土基礎設施狀態監測方面打下基礎。 在定性方面，根據混凝土中聲波傳輸的能耗以及混凝土中裂縫對振幅和相位影響，本文提出了一種相位振幅分析法。試圖利用這種方法，對埋置于混凝土中的壓電陶瓷片的聲發射和聲接收波譜進行分析，定性地確定混凝土內裂縫發展情況，以初步實現壓電混凝土基礎設施健康安全主動監測。并闡述了與壓電陶瓷監測技術相關的兩個問題（即聲耦合問題和采用何種聲場問題）。 【關鍵詞】：混凝土基礎設施 健康監測 壓電陶瓷 薄板振動 ANSYS壓電耦合 相位振幅分析法
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2003
【分類號】：TU755.7
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2003.113789
【目錄】：

• 中文摘要4-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-17
• 1．1 智能結構系統與混凝土基礎設施工程10-11
• 1．1．1 智能材料－結構系統簡介10
• 1．1．2 混凝土基礎設施工程中的智能混凝土結構10-11
• 1．2 目前的現狀及問題的提出11-15
• 1．2．1 傳統的混凝土監測方法及存在的問題11-13
• 1．2．2 現有的其它混凝土無損監測技術13-14
• 1．2．3 問題的提出14-15
• 1．3 本課題研究意義和主要研究內容15-17
• 1．3．1 研究意義15
• 1．3．2 本課題所做的主要工作15-17
• 2 壓電式機敏混凝土主要原理及技術17-23
• 2．1 引言17
• 2．2 壓電效應和壓電材料17-20
• 2．2．1 壓電效應17-18
• 2．2．2 壓電材料的分類及其主要特點18-20
• 2．3 壓電方程和壓電參數20-22
• 2．3．1 壓電方程20-21
• 2．3．2 幾個主要的參數21-22
• 2．4 小結22-23
• 3 混凝土約束條件下壓電陶瓷片特性研究23-32
• 3．1 引言23
• 3．2 樣本模型描述23-24
• 3．3 壓電陶瓷層的壓電方程24-27
• 3．3．1 柱坐標下薄圓片的壓電方程及其簡化24-25
• 3．3．2 電路狀態方程25-26
• 3．3．3 實驗用機電等效電路圖及穩態聲壓輸出26-27
• 3．4 置于混凝土中的壓電陶瓷片的動力學模型27-31
• 3．4．1 模型定義及其邊界條件的簡化27-28
• 3．4．2 埋置于混凝土中圓形壓電陶瓷片振動分析28-31
• 3．5 小結31-32
• 4 ANSYS在壓電耦合中的應用32-47
• 4．1 引言32
• 4．2 有限元基本知識32-34
• 4．2．1 基本概念32
• 4．2．2 有限元的發展歷史32-33
• 4．2．3 有限元方法介紹33-34
• 4．2．4 有限元的優點34
• 4．3 ANSYS軟件介紹34-35
• 4．3．1 ANSYS的發展34
• 4．3．2 ANSYS的功能34-35
• 4．4 關于ANSYS中的耦合問題35-36
• 4．4．1 自由度耦合35
• 4．4．2 場耦合35-36
• 4．5 壓電耦合ANSYS分析36-45
• 4．5．1 ANSYS中的SOLID5單元介紹36-37
• 4．5．2 問題描述和分析37-38
• 4．5．3 ANSYS中壓電耦合有限元原理38-40
• 4．5．4 模型的建立和網絡劃分40
• 4．5．5 求解過程40-45
• 4．6 小結45-47
• 5 超聲波的基本傳播規律及能量衰減47-54
• 5．1 引言47
• 5．2 超聲波的基本概念47-49
• 5．2．1 超聲波的基本物理量47-48
• 5．2．2 超聲波波型48-49
• 5．3 超聲波在混凝土中傳播的衰減49-52
• 5．3．1 固體中超聲波傳播的波動方程49-50
• 5．3．2 混凝土材料的特點50
• 5．3．3 超聲波在混凝土內傳播過程中的衰減50-52
• 5．4 壓電陶瓷監測技術相關問題52-53
• 5．4．1 接觸耦合問題52
• 5．4．2 聲源的聲場特性問題52-53
• 5．5 小結53-54
• 6 混凝土中超聲波的相位振幅分析法54-61
• 6．1 引言54
• 6．2 傳統的“波速時差分析法”及其不足54-55
• 6．2．1 “波速時差分析法”主要工作原理54-55
• 6．2．2 主要缺陷及實例證明55
• 6．3 “相位振幅分析法”的研究55-59
• 6．3．1 “半波損失”56
• 6．3．2 “相位分析法”研究56-59
• 6．4 小結59-61
• 7 結論61-63
• 致謝63-64
• 參考文獻64-65