Сравнение динамических характеристик пьезокерамических актуаторов, применяемых в вибродиагностике крупномасштабных конструкций

Сравнение динамических характеристик пьезокерамических актуаторов, применяемых в вибродиагностике крупномасштабных конструкций

Автор: Шардаков И.Н., Шестаков А.П., Глот И.О., Гусев Г.Н., Епин В.В., Цветков Р.В.

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 3 т.17, 2024 года.

Бесплатный доступ

Одним из эффективных методов неразрушающего контроля крупномасштабных конструкций является активная вибродиагностика. Она заключается в локальном динамическом воздействии на объект и регистрации его вибрационного отклика. По совокупности откликов в разных точках определяется механическое состояние предмета исследования. Согласно методу активной вибродиагностики, динамические воздействия реализуются с помощью специальных устройств - актуаторов. На сегодняшний день наибольшее распространение получили пьезокерамические актуаторы. Как правило, они представляют собой пластину из пьззокерамики, которая может располагаться на поверхности объекта или быть внедренной в него. Ранее авторами предложен пьезокерамический актуатор с присоединенной массой, способный создавать более интенсивное воздействие на конструкцию. В данной работе с использованием численного моделирования проведено сравнение эффективности применения модифицированного устройства с традиционными на примере бетонной плиты и модельного 4-этажного здания из железобетона. На основе полученных результатов сделан вывод, что интенсивность упругих волн, возбуждаемых актуаторами трех перечисленных видов, существенно отличается. Пьезокерамическая пластина, размещенная на поверхности конструкции, дает волну с наименьшей амплитудой, у пластины, внедренной в бетон, амплитуда увеличивается в 1.9 раза, у пластины с присоединенной массой - в 12 раз. Вычислительный эксперимент, демонстрирующий распространение упругой волны по элементам модельного здания, позволил оценить интенсивность колебаний на разном расстоянии от источника вибраций. При использовании актуатора с присоединенной массой амплитуда ускорений в точке, удаленной от актуатора на 1.7 м, составила 20 м/с2, на 5.2 м - 5 м/с2; на 8.7 м - 2 м/с2. Ускорения такого уровня могут быть достоверно измерены большинством современных акселерометров, Таким образом, для активной вибродиагностики крупномасштабных железобетонных конструкций наиболее перспективным является применение пьезокерамических актуаторов с присоединенной массой. Включение их в систему мониторинга дает возможность снизить общее число актуаторов и сенсоров за счет увеличения расстояния между ними.

Еще

Мониторинг, неразрушающий контроль, вибродиагностика, актуатор, пьезокерамика, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/143183414

IDR: 143183414   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.3.31

Список литературы Сравнение динамических характеристик пьезокерамических актуаторов, применяемых в вибродиагностике крупномасштабных конструкций

  • Hou R., Xia Y. Review on the new development of vibration-based damage identification for civil engineering structures: 2010–2019 // Journal of Sound and Vibration. 2021. Vol. 491. 115741. DOI: 10.1016/j.jsv.2020.115741
  • Su J., Xia Y., Weng S. Review on field monitoring of high-rise structures // Structural Control and Health Monitoring. 2020. Vol. 27, no. 12. e2629. DOI: 10.1002/stc.2629
  • Pallarйs F.J., Betti M., Bartoli G., Pallarйs L. Structural health monitoring (SHM) and Nondestructive testing (NDT) of slender masonry structures: A practical review // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 297. 123768. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123768
  • Shardakov I.N., Shestakov A.P., Glot I.O., Bykov A.A. Process of cracking in reinforced concrete beams (simulation and experiment) // Frattura ed Integritа Strutturale. 2016. Vol. 10, no. 38. P. 339–350. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.38.44
  • Abasi A., Sadhu A. Performance Evaluation of Blind Modal Identification in Large-Scale Civil Infrastructure // Infrastructures. 2022. Vol. 7, no. 8. P. 98. DOI: 10.3390/infrastructures7080098
  • Савин С.Н., Смирнова Е.Э. Проблема определения динамических параметров для прогноза ресурса зданий и сооружений в условиях природных и техногенных ЧС // Вестник гражданских инженеров. 2019.№3. C. 14–19. DOI: 10.23968/1999-5571-2019-16-3-14-19
  • Яшнов А.Н., Снежков И.И. Опыт диагностики искусственных сооружений методом малых воздействий // Транспортные сооружения. 2019. Т. 6, №3. 23SATS319. DOI: 10.15862/23SATS319
  • Полякова Л.А. Диагностика размывов опор железнодорожных мостов по частотам собственных колебаний // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2023.№3. C. 5–12. DOI: 10.52170/1815-9265_2023_66_5
  • Liao W.-I., Chiu C.-K. Seismic Health Monitoring of a Space Reinforced Concrete Frame Structure Using Piezoceramic-Based Sensors // Journal ofAerospace Engineering. 2019.Vol. 32, no. 3. 04019015. DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000999
  • Song G., Gu H., Mo Y.L., Hsu T.T.C., Dhonde H. Concrete structural health monitoring using embedded piezoceramic transducers // Smart Materials and Structures. 2007. Vol. 16, no. 4. P. 959–968. DOI: 10.1088/0964-1726/16/4/003
  • Chiu C.-K., Sugianto S., Liao W.-I., Ho C.-E. Crack-based damage quantification for shear-critical HSRC column members using piezoceramic transducers // Engineering Structures. 2019. Vol. 201. 109777. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109777
  • Shardakov I., Shestakov A., Tsvetkov R., Glot I. Investigation of the effect of cracks on the vibration processes in reinforced concrete structures // Frattura ed Integritа Strutturale. 2018. Vol. 12, no. 46. P. 383–390. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.46.35
  • Wu F., Chang F.-K. Debond Detection using Embedded Piezoelectric Elements in Reinforced Concrete Structures - Part I: Experiment // Structural Health Monitoring. 2006. Vol. 5, no. 1. P. 5–15. DOI: 10.1177/1475921706057978
  • Shardakov I., Glot I., Shestakov A., Tsvetkov R., Yepin V., Gusev G. Analysis of Quasistatic Deformation of Reinforced Concrete Structure on the Basis of Acoustic Emission on the Results of Vibration Diagnostics and Acoustic Emission // Procedia Structural Integrity. 2020. Vol. 28. P. 1407–1415. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.10.113
  • Dinh K., Tran K., Gucunski N., Ferraro C.C., Nguyen T. Imaging Concrete Structures with Ultrasonic Shear Waves—Technology Development and Demonstration of Capabilities // Infrastructures. 2023. Vol. 8, no. 3. P. 53. DOI: 10.3390/infrastructures8030053
  • Lin S., Wang Y. Crack-Depth Estimation in Concrete Elements Using Ultrasonic Shear-HorizontalWaves // Journal of Performance of Constructed Facilities. 2020. Vol. 34, no. 4. 04020064. DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001473
  • Gao W., Li H., Ho S.C.M. A Novel Embeddable Tubular Piezoceramics-Based Smart Aggregate for Damage Detection in Two-Dimensional Concrete Structures // Sensors. 2019. Vol. 19, no. 7. 1501. DOI: 10.3390/s19071501
  • Park S., Ahmad S., Yun C.-B., Roh Y. Multiple Crack Detection of Concrete Structures Using Impedance-based Structural Health Monitoring Techniques // Experimental Mechanics. 2006. Vol. 46. P. 609–618. DOI: 10.1007/s11340-006-8734-0
  • Shardakov I., Shestakov A., Glot I., Gusev G., Epin V., Tsvetkov R. Piezoceramics Actuator with Attached Mass for Active Vibration Diagnostics of Reinforced Concrete Structures // Sensors. 2024. Vol. 24, no. 7. 2181. DOI: 10.3390/s24072181
  • Новацкий В. Теория упругости. М.: Мир, 1975. 872 с.
  • Шардаков И.Н., Шестаков А.П., Глот И.О. Определение упругих и диссипативных свойств бетона при динамическом деформировании // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2018. №4. C. 127–135. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.4.12
  • Гринченко В.Т., Улитко А.Ф., Шульга Н.А. Механика связных полей в элементах конструкций. Т. 5. Электроупругость. Киев: Наукова думка, 1989. 280 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp