基于ABAQUS的压电智能骨料参数对灵敏度系数的影响研究

何明星,管文强，刘向东　(长江大学城市建设学院,湖北 荆州 434023)



基于ABAQUS的压电智能骨料参数对灵敏度系数的影响研究

何明星,管文强，刘向东(长江大学城市建设学院,湖北 荆州 434023)

[摘要]压电陶瓷片材质较脆且容易氧化，需用环氧树脂将压电陶瓷片封装于大理石内形成压电智能骨料后方可投入工程应用。环氧树脂层的厚度和压电陶瓷片的尺寸是影响压电智能骨料灵敏度系数的2个主要参数，为研究这2个参数对压电智能骨料灵敏度系数的具体影响，通过有限元分析软件ABAQUS对环氧树脂层厚度不同和压电陶瓷片尺寸不同的压电智能骨料分别进行建模模拟分析，探讨参数变化对压电智能骨料的灵敏度系数的影响。结果表明，随着环氧树脂层厚度的增加，压电智能骨料在受到同样荷载作用时其内部输出的电压幅值在不断减小，其灵敏度系数在减小；随着压电陶瓷片边长的增加，压电智能骨料输出的电压幅值呈现增大的趋势，但增大的幅度较小，使压电智能骨料的灵敏度系数增大，但增大幅度较小。

[关键词]压电智能骨料；压电陶瓷；环氧树脂；ABAQUS；灵敏度系数

压电陶瓷材料由于具有灵敏度高、耗能低、成本低廉的显著优点，被越来越广泛的应用于实际工程当中，尤其是该种材料具备的压电效应，更为其在土木工程健康监测领域的应用提供了巨大的空间[1，2]，但压电陶瓷材料在空气中极易氧化且材质较脆，往往不能将其单独使用。2005年，休斯顿大学Dr.Song提出将压电陶瓷片封装在水泥砂浆块内形成“智能骨料”，有效解决了这一问题，这也快速推动了其在土木工程领域的应用和发展[3，4]。近年来，国内外科研工作者对压电智能骨料进行了多方面研究，取得了丰硕的成果[5]。工程实践表明，环氧树脂层的厚度和压电陶瓷片的尺寸是影响压电智能骨料灵敏度系数和性能的2个主要参数，为弄清这2个参数对压电智能骨料灵敏度系数的影响，笔者在压电智能骨料灵敏度系数理论分析的基础上，通过有限元分析软件ABAQUS对环氧树脂层厚度不同和压电陶瓷片尺寸不同的压电智能骨料进行建模分析，探讨参数变化对压电智能骨料的灵敏度系数的影响，以期能够为工程的实际应用提供有价值的参考。

1压电智能骨料灵敏度系数

利用环氧树脂将压电陶瓷片进行防水和绝缘处理后，将其封装在2块大理石内，即形成了压电智能骨料，其成型图如图1所示。

当沿着压电陶瓷片一定的方向施加外力荷载时，其内部就产生极化现象，同时在它的2个表面产生极性相反的电荷；当外力去除以后，又重新恢复为不带电的状态。当外力改变方向时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电陶瓷片的“正压电效应”， “正压电效应”状态示意图如图2所示。

所谓灵敏度系数实际是指压电智能骨料在受到外荷载作用时的响应，具体表现为埋置在大理石内部的压电陶瓷片在应力作用下，在极化方向的表面产生电荷移动，并形成电压。笔者用S表示灵敏度系数，用T表示在压电智能骨料上表面施加的均布动荷载，用V表示压电陶瓷片在应力作用时输出的电压值，由此灵敏度系数表示为压电陶瓷片输出电压与压电陶瓷片所受应力的比值：

(1)

此定义忽略了压电智能骨料上表面动荷载以应力波形式传递到压电陶瓷片表面的影响[6]。

图1　压电智能骨料模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　正压电效应示意

2环氧树脂层厚度对压电智能骨料灵敏度系数的影响分析

表1　各种工况环氧树脂层厚度值

表2　压电智能骨料组成材料的属性参数

压电智能骨料的实际制作过程中，由于压电陶瓷片质脆易碎等原因，需要用环氧树脂对压电陶瓷片进行处理，手工制作很难保证环氧树脂层的厚度完全保持一致，环氧树脂层的厚度不均匀往往会影响压电智能骨料的实际灵敏度系数。根据实际的制作经验，对环氧树脂层厚度在1.1～2mm变化的10种工况分别建立有限元模型进行研究，10种工况下的环氧树脂层厚度如表1所示。

2.1有限元建模

笔者共研究了10种工况，现以其中工况1为例，其他工况在进行部件的创建时，只改变环氧树脂层的厚度，其他组成材料的尺寸不发生改变。

图3　压电智能骨料三维模型　　　　　　图4　　　　压电智能骨料边界条件与加载平面示意

图5　线性加载制度　　　　　　　　　图6　网格划分示意

利用有限元分析软件ABAQUS进行建模并建立5个部件，分别为2块封装大理石材、环氧树脂层、压电陶瓷片及垫板，各组成部分的材料属性如表2所示。由于压电陶瓷片具有压电性，故在定义压电陶瓷片的属性时需要在ABAQUS软件中输入3个矩阵，分别为弹性常数矩阵、压电应力常数矩阵和介电常数矩阵，将各个部件的属性定义完成后，接下来对各个部件进行装配，装配完成后的压电智能骨料三维模型图如图3所示。

在压电智能骨料的边界条件、施加荷载及网格划分定义中，在压电智能骨料底面施加X、Y和Z 3个方向的局部位移约束，在压电智能骨料上表面施加竖直向下的均布动荷载，其示意如图4所示，加载制度如图5所示。网格划分采用整体划分的方法，其中定义单元属性时，采用C3D8E网格单元模拟压电陶瓷片，其余材料采用C3D8E网格单元模拟，网格划分如图6所示。

对工况1进行创建作业后提交运算，获得运算结果。在可视化窗口可以查看压电智能骨料的电势云图，图7所示为压电智能骨料整体电势云图，图8所示为压电陶瓷片电势云图。由图7中可知，由于压电智能骨料组成材料中只有压电陶瓷片具有压电性，故只有压电陶瓷片发生的电势的变化，其他部分无电势变化。由图8可知，由于在设置边界条件中，将压电片底面设置成为零势面，压电陶瓷片在受到应力作用时，内部形成匀强电场，电势云图出现明显的分层现象。

图7　工况1下压电智能骨料电势云图　　　　　　　　　　　图8　工况1下压电陶瓷片电势云图

图9　不同环氧树脂层厚度对应电压幅值柱状图

2.2结果分析

对ABAQUS模拟所得的各个工况下压电陶瓷片输出的电势数据进行处理，图9为不同环氧树脂层厚度对应压电智能骨料输出的电压幅值柱状图。

由于各工况下智能骨料的加载方式及施加的荷载都是相同的，为了对比环氧树脂层厚度改变对压电智能骨料灵敏度系数的影响，只需对比各工况下压电陶瓷片输出的电压幅值即可。由图9可知，随着环氧树脂层厚度的增加，智能骨料输出的电压幅值逐渐减小，说明环氧树脂层厚度增加影响了压电智能骨料的内部应力传递，致使其灵敏度系数减小，但减小的幅度并不大。

3压电陶瓷片尺寸对电压智能骨料灵敏度系数的影响分析

压电陶瓷片生产厂家不同其尺寸往往并不相同，笔者选择方形压电陶瓷片，其厚度为0.4mm,分别对边长为7～12mm的6种工况建立有限元模型，模拟压电陶瓷片尺寸改变对压电智能骨料在受动荷载作用下的电压输出的影响。6种工况的压电陶瓷片的尺寸如表3所示，有限元建模过程与2.1节相同，以工况1为例说明。

表3　6种工况压电陶瓷片尺寸

对工况A创建作业后提交运算，查看仿真模拟后的运算结果，图10所示压电智能骨料整体电势云，图11为压电陶瓷片的电势云图。

由于各工况下对智能骨料的加载方式及施加的荷载都是相同的，为了对比压电陶瓷片尺寸改变对智能骨料灵敏度系数的影响，只需对比各工况下压电陶瓷片输出的电压幅值，图12为不同压电陶瓷片尺寸对应压电智能骨料输出的电压幅值柱状图。

图10　工况A下压电智能骨料电势云图　　　　　　　　　　　图11　工况A下压电陶瓷片电势云图

图12　　　　不同压电陶瓷片尺寸对应压电智能　　　骨料输出的电压幅值柱状图

由图12可以看出，随着压电陶瓷片边长的增加，压电智能骨料输出的电压幅值呈现增大的趋势，由式(1)可知，压电陶瓷片边长的改变使得压电智能骨料的灵敏度系数增大。

4结论

通过有限元分析软件ABAQUS对环氧树脂层厚度不同和压电陶瓷片尺寸不同的压电智能骨料进行建模，并对模拟数据的处理与分析可得以下结论：

1)随着环氧树脂层厚度的增加，压电智能骨料在受到同样荷载作用时其内部输出的电压幅值在不断减小，其灵敏度系数在减小。

2)随着压电陶瓷片边长的增加，压电智能骨料输出的电压幅值呈现增大的趋势，但增大的幅度较小，使压电智能骨料的灵敏度系数增大，但增大幅度较小。

[参考文献]

[1]雷晋芳.基于压电智能路面的车辆动态称重技术的研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[2]张海滨.基于压电智能骨料的钢筋混凝土结构地震应力检测方法[D].大连：大连理工大学，2012.

[3] Song G, Gu H, Mo Y L.Health monitoring of a concrete structure using piezoceramic materials [J].Smart Materials and Structures,2005，16 (4)：959～968.

[4]Song G,Gu H, Mo Y L.Smart aggregates: multi-functional sensors for concrete structures-a tutorial and a review[J].Smart Materials and Structures, 2008, 17(3): 330～337.

[5]孙威.利用压电陶瓷的智能混凝土结构健康监测技术[D].大连：大连理工大学，2009.

[6]赵晓燕.基于压电陶瓷的结构健康监测与损伤诊断[D].大连：大连理工大学，2008.

[编辑]计飞翔

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)04-0044-04

[中图分类号]TU317

[作者简介]何明星 (1992-)，男，硕士生，现主要从事钢管混凝土损伤监测方面的研究工作；E-mail:hmx669562@163.com。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51378077)；湖北省自然科学基金(创新群体)项目(2015CFA029)；湖北省教育厅科技计划重点项目(D20131205)。

[收稿日期]2015-10-28

[引著格式]何明星,管文强，刘向东.基于ABAQUS的压电智能骨料参数对灵敏度系数的影响研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(4)：44～47.