基於壓電晶片主動傳感器的結構健康監測（原書第二版）Victor Giurgiutiu 著 科學齣版 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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袁慎芳 譯

圖書標籤:

• 結構健康監測
• 壓電傳感器
• 主動傳感
• 壓電晶片
• 傳感器技術
• 損傷檢測
• 振動監測
• 智能結構
• 健康監測
• 結構工程

店鋪： 榮豐通達圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030291905

商品編碼：28717567226

開本：16開

齣版時間：2018-02-01

 

基於壓電晶片主動傳感器的結構健康監測（原書第二版）
	定價	228.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2018年02月
	開本	16
	作者	Victor Giurgiutiu
	裝幀	平裝
	頁數	677
	字數	980000
	ISBN編碼	9787030291905

 

譯者的話

第1章 緒論 1

1.1 結構健康監測基礎和概念 1

1.2 結構的斷裂與失效 2

1.3 飛機結構完整性大綱 6

1.4 基於SHM的優化診斷和預測 11

1.5 關於本書 12

參考文獻 13

第2章 電主動和磁主動材料 14

2.1 引言 14

2.2 壓電效應 14

2.3 壓電現象 21

2.4 鈣鈦礦陶瓷 22

2.5 壓電聚閤物 29

2.6 磁緻伸縮材料 30

2.7 總結 32

2.8 問題和練習 33

參考文獻 33

第3章 振動基礎 34

3.1 引言 34

3.2 單自由度振動分析 34

3.3 杆的軸嚮振動 52

3.4 梁的彎麯振動 69

3.5 軸的扭轉振動 85

3.6 彈性長條的水平剪切振動 88

3.7 梁的垂直剪切振動 91

3.8 總結 92

3.9 問題和練習 92

參考文獻 94

第4章 闆的振動 95

4.1 引言 95

4.2 闆振動的彈性方程 95

4.3 矩形闆的軸嚮振動 95

4.4 圓闆的軸嚮振動 98

4.5 矩形闆的彎麯振動 108

4.6 圓闆的彎麯振動 118

4.7 總結 131

4.8 問題和練習 131

參考文獻 132

第5章 彈性波 133

5.1 引言 133

5.2 固體和結構中的彈性波傳播概述 133

5.3 杆中的軸嚮波 134

5.4 梁中的彎麯波 155

5.5 軸中的扭轉波 173

5.6 長條中的水平剪切波 173

5.7 梁中的縱嚮剪切波 175

5.8 闆波 175

5.9 平麵波、球波和環形波波陣麵 186

5.10 無限大彈性介質中的體波 192

5.11 總結 201

5.12 問題和練習 201

參考文獻 204

第6章 導波 205

6.1 引言 205

6.2 Rayleigh波 205

6.3 SH闆波 209

6.4 Lamb波 215

6.5 環形峰Lamb波 229

6.6 闆中導波的概述 244

6.7 管和殼中的導波 247

6.8 總結 250

6.9 問題和練習 251

參考文獻 251

第7章 壓電晶片主動傳感器 252

7.1 引言 252

7.2 PWAS驅動器 253

7.3 PWAS應力和應變測量 258

7.4 厚度對PWAS激勵與傳感的影響 263

7.5 基於PWAS的振動傳感 264

7.6 基於PWAS的波傳感 267

7.7 PWAS的安裝與質量檢查 269

7.8 PWAS的耐久性和存活能力 274

7.9 PWAS在SHM中的典型應用 278

7.10 總結 280

7.11 問題和練習 280

參考文獻 281

第8章 PWAS與被監測結構的耦閤 282

8.1 引言 282

8.2 1-D剪切層耦閤分析 283

8.3 矩形PWAS的2-D剪切滯分析 293

8.4 圓形PWAS的剪切層分析 302

8.5 PWAS與結構間的能量傳遞 309

8.6 總結 319

8.7 問題和練習 319

參考文獻 320

第9章 PWAS諧振器 321

9.1 引言 321

9.2 1-DPWAS諧振器 321

9.3 圓形PWAS諧振器 341

9.4 PWAS諧振器的耦閤場分析 351

9.5 有約束的PWAS354

9.6 總結 365

9.7 問題和練習 365

參考文獻 366

第10章 基於PWAS的模態傳感器高頻振動SHM——機電阻抗法 367

10.1 引言 367

10.2 基於PWAS的1-D模態傳感器 370

10.3 基於PWAS的2-D圓形模態傳感器 382

10.4 基於PWAS的模態傳感器的損傷檢測 390

10.5 基於PWAS的模態傳感器耦閤場FEM分析 407

10.6 總結 411

10.7 問題和練習 411

參考文獻 412

第11章 基於PWAS的波調製 413

11.1 引言 413

11.2 基於PWAS的軸嚮波調製 413

11.3 基於PWAS的彎麯波調製 417

11.4 基於1-DPWAS的Lamb波調製 422

11.5 基於圓形PWAS的Lamb波調製 431

11.6 圓形PWAS調製分析中的Hankel變換 439

11.7 PWASLamb波調製的實驗驗證 447

11.8 矩形PWAS的方嚮性 455

11.9 總結 461

11.10 問題和練習 461

參考文獻 463

第12章 基於PWAS的導波SHM464

12.1 引言 464

12.2 1-D建模與實驗 471

12.3 2-DPWAS波傳播實驗 481

12.4 基於PWAS的嵌入式一發一收超聲檢測 486

12.5 基於PWAS的嵌入式脈衝迴波超聲檢測 491

12.6 PWAS時間反轉方法 493

12.7 偏移技術 506

12.8 基於PWAS的被動聲波傳感器 506

12.9 總結 509

12.10 問題和練習 510

參考文獻 511

第13章 基於PWAS的在綫相控陣方法 512

13.1 引言 512

13.2 傳統超聲NDE中的相控陣 513

13.3 1-D綫性PWAS相控陣 515

13.4 綫性PWAS陣列的進一步實驗 525

13.5 PWAS相控陣波束成型的優化 538

13.6 PWAS相控陣的通用公式 547

13.7 2-D平麵PWAS相控陣研究 555

13.8 2-D嵌入式超聲結構雷達 560

13.9 基於矩形PWAS陣列的損傷檢測實驗 566

13.10 基於傅裏葉變換的相控陣分析 572

13.11 總結 583

13.12 問題和練習 583

參考文獻 584

第14章 基於PWAS的SHM信號處理與模式識彆 585

14.1 引言 585

14.2 損傷識彆理論及進展 585

14.3 從傅裏葉變換到短時傅裏葉變換 590

14.4 小波分析 596

14.5 神經網絡 611

14.6 特徵提取 618

14.7 基於E/M阻抗的PWAS損傷檢測算法 620

14.8 總結 621

14.9 問題和練習 622

參考文獻 622

第15章 基於PWAS的多種SHM案例：實驗信號中的損傷因子 623

15.1 引言 623

15.2 案例1：基於E/M阻抗的圓闆損傷檢測 623

15.3 案例2：老齡飛行器壁闆中的損傷檢測 642

15.4 總結 654

參考文獻 655

注釋錶 656

縮略詞 666

重要詞匯 668

附錄A 數學預備知識 678

附錄B 彈性符號和公式 679

彩圖 680

 

第1章 緒論

　　1.1 結構健康監測基礎和概念

　　結構健康監測（structural health monitoring，SHM）是一個越來越受到關注並蘊含創新的領域。美國每年在維修裝備上的花費超過2000 億美元，維護和修理費用占美國商業飛機運營成本的四分之一。列在美國國傢清單中的近576 600 座橋梁中1/3因結構性缺陷而需要維修或因功能缺失需要重造，與之相關的老化基礎設施維護費用問題也很突齣。

　　現存基礎設施的老化使得維護和修理的費用越來越不容忽視，結構健康監測運用視情維護（condition-based maintenance，CBM）替代計劃維修來緩解上述問題，一方麵可以減少不必要的維修費用，另一方麵可以避免結構突發問題引起的臨時檢修。對於新結構，在設計階段就集成結構健康監測傳感器及其，可有效減少服役周期費用。更重要的是，結構健康監測可以在減少維護費用的情況下保證結構的安全性和可靠性。

　　結構健康監測應用廣泛，該技術可以評估結構健康狀態，通過閤理的數據處理與解釋分析預估結構剩餘壽命。在實際應用中，很多航空航天和民用基礎設施在超過設計壽命後仍能繼續使用，所以人們希望可以延長這些設施的使用壽命。結構健康監測是可實現該目的的技術之一，它可以找齣老化結構問題所在，而這正是工程界所關心的。結構健康監測可以讓視情維護替代傳統的計劃維護。結構健康監測的另一種應用前景是與結構融為一體，也就是將結構健康監測傳感器和相關的傳感嵌入新結構中，從而改變設計模式，大幅減少結構的重量、尺寸和費用。圖1-1是通用結構健康監測的示意圖。

　　圖1-1 通用結構健康監測示意圖

　　結構健康監測的實現主要有兩種方法：被動監測和主動監測。被動監測關注的是各種運行參數測量並通過這些參數來評估結構健康狀況。例如，通過監測飛行器的飛行參數（空速、空氣擾動、過載係數、重要部位應力等），然後運用飛機設計算法推斷已消耗的使用壽命和剩餘壽命。被動監測方式的結構健康監測非常有用，但它不能直接檢查齣結構是否破壞。主動結構健康監測可以直接發現現有與潛在的結構損傷，從而評估結構的健康狀況。從這個方麵來說，主動SHM與無損評估（non-destructive evaluation，NDE）所用方法相似，但主動SHM在NDE的基礎上又前進瞭一步：主動方法嘗試發展可以**安裝於結構中的損傷監測傳感器和可以提供按需結構健康檢測的方法。近年來，運用導波NDE來發現結構損傷的方法正引起人們的重視。導波（如闆中的Lamb波）是一種在薄闆結構中能進行長距離傳播且振幅損失較小的彈性擾動，因此在Lamb波無損檢測（non-destructiveinspection，NDI）中，所需傳感器數量會大大減少。運用導波相控陣技術，在固定位置掃描大範圍的結構區域也成為可能。然而，將傳統NDE技術轉變成SHM技術存在一個明顯的限製，那就是傳統的NDE傳感器都存在尺寸大和費用高的問題。將傳統無損檢測傳感器**安裝在結構中也不太適用，尤其是在重量和費用嚴格限製的航空領域。*近發展起來的壓電晶片主動傳感器（piezoelectric wafer active sensors，PWAS）對於結構健康監測、損傷診斷和無損檢測技術的優化具有良好的發展前景。PWAS具有體積小、重量輕、價格便宜和便於加工成形等優點。PWAS可以安裝在結構的錶麵也可以安裝在結構的內部，甚至可以嵌入結構層與非結構層之間，盡管這樣有可能帶來對結構強度和損傷容限的影響，這些問題還在研究中。

　　基於PWAS的結構損傷診斷方法主要有以下幾種：①波的傳播法；②頻率響應傳遞函數法；③機電阻抗法（electromechanical，E/M）。其他運用PWAS進行監測的方法還在研究和發展中，但通過錶麵粘貼或者埋入PWAS實現Lamb波激勵和傳感的模型建立與特徵分析的研究仍有很長道路要走。評估結構健康狀態的損傷因子也不完全可靠。將PWAS集成在結構中實現Lamb波損傷診斷的方法還在研究中。研發結構健康監測還缺乏用以選擇各種相關監測參數的數學理論基礎，如傳感器的幾何特徵、維數、位置、材料、激勵頻率和帶寬等。

　　不可否認，結構健康監測領域涉及的內容很多，存在不同類型的傳感器、方法和數據壓縮技術可以用於查詢“結構有何感覺”，並確定其狀態“健康否”，包括結構的完整性、可能存在的損傷和剩餘壽命。本書目的不是提供此類百科全書式的敘述。本書主要以基於PWAS的結構健康監測的綜閤性方法為例，引導讀者一步一步瞭解如何運用PWAS來評估和診斷給定結構的健康狀況。本書從易到難，從簡單到復雜，從對實驗室簡單試件的建模和測試過渡到評估大型真實結構。本書可用為課堂教材，也可用作相關領域感興趣讀者的自學書籍，或者作為相關領域專傢需要運用主動結構健康監測方法時的參考書。

　　1.2 結構的斷裂與失效

　　1.2.1 綫彈性斷裂力學概述

　　裂紋**應力強度因子通常錶示為式中，為外加應力；a為裂紋長度；C是取決於試件幾何尺寸和載荷分布的常數。應力強度因子和應力有關；也和裂紋長度有關，隨著裂紋擴展，應力強度因子相應增加。裂紋快速擴展到不可控時，會達到臨界狀態。和裂紋快速擴展有關的變量稱作臨界應力強度因子，是反映材料抵抗脆性斷裂能力的參數。也就是說，對於同一材料，裂紋的快速擴展總是開始於同一應力強度。對不同樣品試件、不同的裂紋長度、不同的幾何尺寸，裂紋快速擴展的情況是不一樣的，但不變。是反映材料抵抗脆性斷裂能力的參數，是材料的一種屬性。發生斷裂是因為當前應力強度超過，即為斷裂預測提供瞭單參數斷裂準則。雖然具體的計算和的確定在某些時候比較睏難，但是用去預測脆性斷裂是可行的。的概念可以用於具有延展性的材料，比如高強度閤金。在這種情況下，的錶達式（1-1）可以改進為描述裂紋**塑性區域的應力強度錶達：的*大值可以估計為(平麵應力狀態)(平麵應變狀態)1-5）式中，是材料的屈服應力。研究材料的行為發現，平麵應變狀態的是*小的，而平麵應力狀態的是平麵應變狀態的2～10倍。這種影響與施加在材料上的約束程度有關。材料約束越多，越小。平麵應變狀態約束*多，平麵應變狀態下的也叫作材料斷裂韌性。標準測試方法可以確定材料的斷裂韌性。設計中使用時，斷裂韌性準則比彈塑性斷裂力學的方法要安全得多，比如：①裂紋**張開位移量方法（crack tiPopen ingdisplacement，CTOD）；②R麯綫法；③J積分法。斷裂韌性的方法比較保守，更安全，但更繁瑣。設計者應該考慮以下兩點：①脆性斷裂可能的失效形式；②柔性屈服可能的失效形式。

　　1.2.2 裂紋擴展的斷裂力學進展

　　綫性斷裂力學概念可用於分析特定結構，並且可以預測在特定載荷下裂紋自發擴展到失效時的裂紋長度大小。臨界裂紋的大小可以由式（1-3）中定義的臨界應力強度因子確定。循環載荷或其他損傷機理引起的疲勞裂紋在持續的循環載荷作用下會不斷擴展，直到擴展到臨界裂紋長度，此時裂紋快速擴展造成災難性的失效。其中給定的裂紋損傷擴展到臨界值所需要的時間是典型的結構健康壽命重要指標。為瞭測定結構的使用壽命，需掌握以下幾點：①理解裂紋萌生機製；②定義臨界裂紋長度，當超過臨界裂紋長度時，結構將發生災難性破壞；③理解裂紋從亞臨界狀態到臨界裂紋長度的力學擴展原理。

　　大量循環載荷下裂紋擴展的實驗錶明：循環載荷越大，裂紋擴展得越快；循環載荷越小，裂紋擴展得越慢[1]。裂紋擴展現象有明顯的幾個區間，如圖1-2所示：①區間I被稱為裂紋萌生區，在初始階段，裂紋擴展緩慢；②區間II為穩定擴展區，裂紋擴展速率與循環次數的對數成正比，呈綫性；③區間III為快速擴展區，當應力強度因子大於閾值強度因子時，裂紋擴展快速直至破壞失效，呈現非綫性。

　　圖1-2 金屬材料的疲勞裂紋擴展示意圖

　　為瞭分析裂紋疲勞擴展，Paris和Erdogan[2]定義疲勞裂紋擴展依賴於交變應力和裂紋長度：式中，為循環應力中*大值與*小值之間的差值；a為裂紋長度；C為依賴於載荷、材料性能和其他次要變量的常數。

　　考慮式（1-1），可以假定裂紋擴展速率依賴於循環應力強度因子，如式中，為應力強度因子的*大值與*小值之差。實驗錶明，對於不同的應力等級和裂紋長度，裂紋擴展速率與應力強度因子之間的關係服從同一準則[1]。這個標誌性的行為現象後來被稱為Paris規則，它與圖1-2中穩定擴展區II是一緻的，疲勞裂紋擴展速率規則適用於大量工程材料。Paris規則適用於常幅載荷。圖1-2中第二區域的綫性麯綫是式（1-7）取對數後的麯綫，可以寫為式中，是麯綫的斜率；是和材料性質、測試頻率、均布載荷和一些次要變量有關的經驗參數。如果n和EPC已知，裂紋經N次循環後的擴展長度可以計算為式中，是原始裂紋長度。

　　Paris規則錶示圖1-2中第二區域的綫性麯綫，但是完整的裂紋擴展行為有獨立的三種相態：①裂紋形成；②在log-log坐標下成穩定的綫性裂紋擴展；③轉變到不穩定的快速裂紋擴展及斷裂狀態。三種相態分彆對應於圖1-2中的區間I、區間II和區間III。研究發現，存在可以錶徵裂紋所在擴展區域的臨界值，但不同材料之間的應力強度因子臨界值相差很大。

　　Paris規則廣泛應用於工程實踐，應用時要考慮以下因素：①循環應力比對臨界值的影響；②常幅載荷和復雜載荷譜下的區彆；③載荷譜上*大應力的影響；④過載帶來的遲滯和加速的影響。

　　考慮應力比和臨界值的影響，Paris規則可修正為[3]式中，R為應力比為臨界應力強度因子；是閾值應力強度因子幅；為經驗參數。

　　常幅載荷和復雜載荷譜下裂紋擴展的不同之處主要取決於*大應力值。如果所加的常幅載荷和復雜載荷譜下*大應力值相同，裂紋擴展速率將會遵循同一規則。但是，如果*大應力不同，復雜載荷譜下的結果更依賴於所加循環載荷的順序。值得注意的是，復雜載荷譜下總體裂紋擴展速率比常幅載荷快[4]。有研究者將過載引起的遲滯效應理解為疲勞損傷和裂紋的擴展與循環載荷曆史的相互影響。*有可能的相互影響是裂紋的遲滯效應，裂紋**循環載荷過載就會引起遲滯效應。遲滯效應定義為裂紋擴展速率的減緩，由於載荷峰值逐漸減小，裂紋擴展速率減緩。文獻[4]解釋遲滯效應：過載使得裂紋**産生塑性區，引起局部塑性變形。去除過載後，塑性區轉變為殘餘壓應力區，因此會阻礙裂紋擴展。另一方麵，裂紋加速也會齣現在裂紋閉閤過載後。在這種情況下，過載屈服區域會産生殘餘拉伸應力，會産生額外載荷，進而引起裂紋擴展加速。

　　對於簡單幾何形狀試件，可以通過分析，預測齣其應力強度因子，其預測可以通過大量實驗、製作成圖錶以供設計時查閱。例如，一個有中心裂紋的矩形試件，在I型裂紋下的應力強度因子為式中，是拉應力；是裂紋長度的一半；是有中心裂紋無限大闆的理想應力強度因子；錶示有限尺寸闆的影響，即闆的邊界距離裂紋不是無限遠時彈性場的變化，如圖1-3 所示。文獻中可以查閱到大量不同幾何尺寸試件的值。

　　圖1-3 帶有2a長度的中心裂紋的長2h、寬2b矩形闆

　　1.3 飛機結構完整性大綱

　　美國空軍在20世紀70年代提齣飛機結構完整性大綱（aircraft structural integrity program，ASIP）[5-8]。ASIP的基本假設是所有在役飛機的結構（機身）都存在現有無損檢測技術檢測不到的內在損傷，由於機身結構具有損傷容限，因此飛機能夠帶著這些“初始缺陷”安全飛行。ASIP同時假設這些初始缺陷會在正常飛行的服役循環和腐蝕作用下不斷擴展直至達到能夠被無損檢測方法檢測到的長度。

　　損傷容限理論的基本前提是飛機結構存在現有無損檢測技術檢測不到的內在損傷，但仍能夠繼續安全的飛行。ASIP製定瞭一套定期檢測和維修活動，目的是發現和修復那些已經增長到可以通過無損檢測方法檢齣的損傷。一旦損傷被修復，在下次檢測和維修活動前，飛機重新給定壽命。

　　ASIP的持續應用避免瞭結構由於疲勞、應力腐蝕和腐蝕疲勞而産生失效的現象[9]。現存的結構製造質量缺陷（例如劃痕、瑕疵、毛邊、微裂紋等），服役引起的損傷（如腐蝕斑點），還有維修引起的損傷都有可能成為裂紋擴張的開端。這些缺陷對飛機安全的影響取決於它們的初始尺寸、服役中的擴展速度、關鍵缺陷尺寸、結構的可檢性和初始結構設計時的損傷容限能力等。

　　飛機的可靠性、疲勞和損傷容限[9]需要保障結構可能存在的初始*大損傷在飛機服役過程中，不會擴展至影響飛機安全的尺寸。同時也要盡可能減緩疲勞和腐蝕作用下在役飛行器結構裂紋的産生及結構特性的減退。

　　1.3.1 術語

　　以下術語從參考文獻[6]中摘錄。

　　①損傷：缺陷、裂紋、空隙、分層等，在生産製造或使用過程中齣現在結構中的問題。在金屬機身中，損傷往往被考慮成尖角裂紋。

　　②損傷容限：在規定的壽命增量內，結構能成功遏製損傷而無損於飛行安全的能力。

　　③安全性：在預計服役壽命下，每架飛機的重要結構（例如機身上對於飛行十分重要的結構）可以維持特定強度水平（在未知損傷齣現的情況下）的保障。

　　④耐久性：在常規裂紋、腐蝕、磨損等影響下，采用*少的結構維護、檢測、停場時間、翻新、維修和替換主要結構的情況下，保障飛機可以有效服役的能力。

　　⑤壽命管理：維護每架飛機或者整個機群的安全性和耐久性所需要的行動。

　　⑥確定性分析方法/進展：通過考慮所有離散量輸入數據來預測壽命和損傷水平（如裂紋長度）的方法。對一組給定數據，預測是單一值。

　　⑦概率分析方法/進展：通過考慮一個或多個輸入變量的統計特性來預測壽命的分布或損傷水平分布（如裂紋尺寸分布）的方法。對於一個給定的數據集，結果錶示為等於或超過某給定值的概率。

 

　　本書英文原著由美國南卡羅來納大學機械工程係Victor Giurgiutiu教授撰寫。中文譯本由南京航空航天大學機械結構力學及控製國傢重點實驗室教育部“長江學者”特聘教授袁慎芳完成。本書循序漸進地講解瞭基於壓電晶片主動傳感器的結構健康監測理論、方法和案例，所涉及內容包括結構健康監測相關基本概念、電主動材料和磁主動材料、結構振動及其分析方法、彈性波理論和建模方法、壓電晶片主動傳感器及其與結構的耦閤分析、壓電晶片諧振器、基於結構機電阻抗的結構健康監測方法、壓電彈性波調製方法、壓電導波結構健康監測方法、壓電在綫相控陣方法和壓電結構健康監測信號處理與模式識彆方法，*後介紹瞭基於壓電晶片主動傳感器的結構健康監測研究案例。本書內容全麵，通俗易懂，既有性，又兼具可讀性，特彆適閤讀者學習有關結構健康監測的概念、原理和方法，為他們在該領域開展深入研究奠定基礎。

結構健康監測技術的新視野：理論、方法與前沿應用 本書深入探討瞭結構健康監測（Structural Health Monitoring, SHM）領域的核心理論、前沿方法與實際應用，旨在為土木、航空航天、機械工程以及材料科學的研究人員、工程師和決策者提供一個全麵且深入的知識框架。本書聚焦於如何利用先進的傳感、數據采集、信號處理與智能分析技術，對關鍵基礎設施和復雜結構的安全性和服役性能進行實時、可靠的評估。 第一部分：結構健康監測的基礎理論與係統架構 第一章：結構健康監測的戰略意義與發展曆程 本章首先界定瞭結構健康監測的概念、目標及其在現代工程中的不可替代性。通過迴顧從傳統的定期無損檢測（NDT）到當前依賴分布式傳感網絡的SHM技術的發展脈絡，闡述瞭SHM如何從被動檢測轉嚮主動預測性維護。重點分析瞭SHM在減少意外失效、延長使用壽命、降低維護成本和提升公眾安全方麵的戰略價值。本章還討論瞭當前SHM麵臨的挑戰，如傳感器的長期穩定性、數據處理的實時性以及多源異構數據的融閤問題。 第二章：結構動力學基礎與損傷識彆的理論基礎 結構健康監測的核心在於通過對結構動力學特性的微小變化來推斷損傷的發生、位置和程度。本章係統迴顧瞭經典梁、殼、闆單元的振動理論，並深入講解瞭有限元模型（FEM）在構建基準動力學模型中的應用。隨後，詳細闡述瞭基於模態參數（固有頻率、振型、阻尼比）的損傷識彆原理。討論瞭模態識彆技術，包括頻域分析法（如FFT、峰值拾取）和時域分析法（如ERA、FDD），並對比瞭它們在不同噪聲環境下的性能錶現。 第三章：傳感器技術與數據采集係統 SHM的有效性直接依賴於傳感器的質量和數據采集係統的性能。本章對主流的結構健康監測傳感器進行瞭詳盡的分類和性能比較。內容涵蓋： 1. 電阻應變片與光縴傳感器： 重點介紹基於布拉格光柵（FBG）的應變和溫度測量技術，探討其抗電磁乾擾能力和分布式傳感潛力。 2. 加速度計與位移傳感器： 比較壓電式、電容式加速度計的優缺點，並介紹激光多普勒測振儀（LDV）在高精度測量中的應用。 3. 超聲波與聲發射（AE）傳感器： 深入分析聲發射技術捕獲瞬態應力波的機理，以及其在早期微裂紋檢測中的優勢。 此外，本章還詳細介紹瞭高性能數據采集（DAQ）係統的設計原則，包括采樣率、量化精度、同步性要求，以及無綫傳感網絡（WSN）在廣域結構監測中的組網、功耗管理與數據傳輸協議。 第二部分：損傷檢測與狀態評估方法 第四章：基於模態參數的損傷定量評估 本章將理論模型與實際應用相結閤，探討如何將采集到的模態數據轉化為可操作的損傷指標。首先，介紹瞭模態應變能法（Modal Strain Energy, MSE）和模態靈敏度法，它們是基於振型變化的經典損傷定位技術。接著，重點闡述瞭基於模型的損傷識彆方法，如： 直接承跡法 (Direct Damage Identification)： 通過修正有限元模型參數（如剛度矩陣）以最小化理論模態與實驗模態之間的殘差。 基於頻率響應函數的損傷指標： 介紹如C2D指標、頻率響應函數（FRF）的差分分析等，這些方法對環境溫度變化具有較好的魯棒性。 第五章：信號處理與先進的特徵提取技術 在復雜的實際工況下，傳感器信號往往混雜著環境噪聲、操作荷載和基綫漂移。本章專注於先進的信號處理技術，以提取隱藏在噪聲中的損傷特徵： 1. 去噪技術： 應用經驗模態分解（EMD）/集閤經驗模態分解（EEMD）和小波變換（Wavelet Transform）對時域信號進行去噪和多尺度分析。 2. 基於高階統計量的特徵提取： 探討峰度、偏度等高階矩在識彆非綫性損傷（如摩擦、接觸變化）中的應用。 3. 模式識彆與機器學習： 詳細介紹如何將信號特徵嚮量輸入到支持嚮量機（SVM）、隨機森林（RF）以及深度學習網絡（如捲積神經網絡CNN）中，實現損傷類型的自動分類和狀態的實時判讀。 第六章：環境對SHM係統的影響與補償策略 結構監測數據受溫度、濕度、風載等環境因素的顯著影響，這可能導緻虛假警報。本章係統分析瞭環境因素對模態參數的影響機製，並提齣有效的補償與解耦方法： 溫度敏感性分析： 利用迴歸模型或PCA（主成分分析）來分離溫度引起的模態變化與實際損傷引起的模態變化。 基綫數據的動態化處理： 介紹如何利用多變量統計方法構建一個隨環境變化的“動態基綫”，從而提高損傷檢測的可靠性。 第三部分：前沿應用與未來展望 第七章：無源與主動傳感策略的融閤應用 本章探討瞭如何將兩種主要的傳感機製——被動（如振動響應監測）和主動（如導波傳播）——有效地融閤，以構建更魯棒的SHM係統。重點分析瞭： 1. 導波（Guided Wave）檢測技術： 探討在管道、橋梁索股等長結構中，如何利用高頻導波實現區域性的損傷快速掃描。 2. 多尺度監測集成： 討論如何將宏觀結構健康狀態（如模態分析）與微觀損傷演化（如聲發射監測）相結閤，實現從裂紋萌生到結構失效的完整監測鏈條。 第八章：SHM的數字化孿生與預測性維護 本章展望瞭SHM技術的未來發展方嚮——與數字孿生（Digital Twin）技術的深度融閤。闡述瞭如何利用實時監測數據對高保真有限元模型進行持續校準（Model Updating），從而創建結構的實時數字副本。通過結閤可靠性分析和剩餘使用壽命（RUL）預測模型，實現從“故障診斷”到“預測性維護”的轉變。討論瞭數據治理、雲計算和邊緣計算在處理海量SHM數據流中的關鍵作用。 第九章：特定結構領域的案例研究 本章通過多個具體案例，展示SHM技術在不同工程領域中的成功實施與挑戰： 橋梁與大型結構： 針對風緻振動、車輛衝擊的監測案例。 航空航天結構： 復閤材料疲勞損傷的在綫監測。 能源基礎設施： 渦輪機葉片和儲油罐的腐蝕與裂紋監測。 本書力求在嚴謹的理論基礎上，充分展示結構健康監測技術的廣闊應用前景與工程實踐中的關鍵技術細節。

評分☆☆☆☆☆

本書的行文風格非常具有感染力，雖然主題高度專業化，但作者在闡述復雜原理時，總能保持一種清晰、有條理的敘述節奏，用詞精準而又不失活力。閱讀過程中，很少齣現那種被晦澀術語堆砌而産生的閱讀疲勞感。尤其是在介紹一些新興或前沿的研究方嚮時，作者的態度是開放而審慎的，他既展示瞭技術的潛力，也坦誠地指齣瞭當前方法的局限性以及未來亟待解決的關鍵問題。這種誠實的態度，極大地提升瞭讀者對作者的信賴感，我們仿佛能感受到作者真誠地希望讀者能夠完全掌握並批判性地發展這些技術，而非僅僅是接受既有的結論。這使得閱讀體驗從單嚮的信息接收，轉變成瞭一種雙嚮的學術對話。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀和印刷質量絕對是頂級的，拿到手裏就感覺非常紮實，紙張的選擇很有檔次，閱讀起來眼睛不容易疲勞，這對於一本技術性很強的著作來說至關重要。尤其是那些復雜的圖錶和公式，排版得一絲不苟，綫條清晰銳利，即便是初次接觸這些高深概念的讀者，也能通過直觀的圖形輔助理解理論的復雜性。這足以看齣齣版社在細節處理上的專業態度，畢竟學術專著的價值很大程度上也體現在這種嚴謹的呈現方式上。我特彆欣賞其中關於圖示的用心，它不僅僅是文字的補充，更像是獨立的敘事綫索，幫助讀者在大腦中構建起一個清晰的物理模型，這對於理解波的傳播和傳感器的實際工作機製，提供瞭極大的便利。 整體而言，這種對實體書品質的重視，讓閱讀過程本身變成瞭一種享受，而非僅僅是信息的獲取。

評分☆☆☆☆☆

全書的邏輯架構處理得極其精妙，作者仿佛是一位經驗老到的工程師，他沒有急於拋齣最尖端的技術細節，而是采取瞭一種循序漸進、層層遞進的講解方式。開篇的理論基礎鋪墊得非常紮實，像是為後續復雜的應用打下瞭一個堅不可摧的地基，確保即便是背景知識稍弱的讀者也能跟上節奏。隨著章節深入，話題自然而然地過渡到實驗驗證和實際案例分析，這種從理論到實踐的無縫銜接，極大地增強瞭內容的實用性和可信度。每當引入一個新的數學模型或者物理現象時，作者總能巧妙地將其與現實世界中的工程問題聯係起來，使得抽象的知識點立刻變得鮮活、可觸及。這種教科書式的嚴謹布局，讓學習麯綫變得平滑且高效，很少齣現突然的知識斷層感。

評分☆☆☆☆☆

我個人對書中涉及的實際操作指南和工程考量部分留下瞭非常深刻的印象。很多技術書籍往往止步於理論的完美闡述，但在實際部署中卻忽略瞭環境噪聲、傳感器耦閤效率、長期穩定性這些“髒活纍活”。然而，這本書在後續章節中花費瞭大量篇幅來討論這些現實中的挑戰，比如如何優化電極設計以減少寄生電容，如何進行環境溫度補償以保證測量精度，甚至包括瞭數據采集係統的具體要求。這些實戰經驗的分享，遠比純粹的理論推導來得更接地氣，它體現瞭作者在真實工程環境中摸爬滾打多年的積纍，避免瞭讀者在項目初期走不必要的彎路。這使得這本書不僅是知識的寶庫，更像是一位資深顧問的經驗總結。

評分☆☆☆☆☆

如果用一個詞來形容這本書的深度，那便是“透徹”。它絕非那種泛泛而談、隻做概念羅列的入門讀物，而是深入到瞭材料科學、電磁學以及信號處理等多個學科的交叉地帶，並且對每一個關鍵環節都進行瞭深入的剖析。例如，在探討壓電材料的本構方程時，作者沒有迴避那些復雜的張量錶示，反而通過詳細的推導，展示瞭這些方程是如何精確地描述機械能與電能相互轉換的物理過程的。對於那些想要將這些理論應用於研發工作的專業人士來說，書中提供的這些詳盡的數學依據和參數依賴性分析，無疑是寶貴的資源，它幫助我們理解為什麼某些設計在特定工況下會錶現優異，而另一些則會失效。這種層麵的剖析，真正體現瞭一本權威參考書的價值所在。