使用嵌入式PZT传感器对CFRP螺栓连接结构疲劳失效过程监测研究

摘要

螺栓连接作为碳纤维增强复合材料(CFRP)结构中常见的连接方式，其疲劳损伤过程复杂、失效突发性强，因此对其进行结构健康监测具有重要意义．针对传统传感方法存在布设复杂、操作不便等问题，本文提出一种基于嵌入式PZT传感器的监测技术，研究了疲劳加载过程中CFRP螺栓连接结构的损伤识别机制．通过断铅试验与频谱响应验证了优化嵌入工艺的有效性，PZT传感器存活率由传统方法的40%提高至80%．基于Hilbert-Huang变换(HHT)对PZT信号进行时频分析，识别出10 Hz频率分量在初始损伤阶段的显著突变特征．对比AE信号与SEM微观损伤形貌，验证了PZT信号与界面脱黏、微裂纹扩展等微损伤机制之间的对应关系．定量分析了加载频率与PZT信号中不同频率分量之间的响应相关性，指出加载频率主导的分量在疲劳过程中的演化趋势最能反映结构内部的损伤演进，其皮尔逊相关系数高达0.82．结果表明：PZT信号在损伤3阶段中均具有良好的识别能力，特别是在早期微裂纹萌生阶段的响应敏感性高，可实现结构状态的实时预警与演化识别．本文研究成果为嵌入式智能传感技术在复合材料结构健康监测中的应用提供了理论依据与工程参考．

关键词

碳纤维增强复合材料螺栓连接 / 压电陶瓷传感器 / 疲劳失效监测 / 结构健康监测