基于波动理论的压电传感器结构可靠性分析：识别高频动态载荷下的关键应力集中区域

《IEEE Sensors Journal》：Reliability Analysis of Piezoelectric Sensor Structures Based on Wave Theory: Identifying Critical Stress Concentration Zones Under High-Frequency Dynamic Loading

　　

摘要：

航空航天结构健康监测（SHM）中使用的压电传感器结构通常含有功能性不连续性，如紧固孔或局部空隙，波致应力集中可能同时影响结构可靠性和传感稳定性。本研究建立了一种基于波函数展开的解析框架，以研究PZT-4压电介质中圆形空隙周围的SH波散射和动态应力集中问题。通过动态应力集中系数（DSCF），系统地考察了无量纲波数（ka）和压电耦合参数（λ)）的影响。结果表明，峰值DSCF在低（ka）区域最为显著，此时空隙表现为类似静态的几何不连续性。随着（ka）的增大，高阶散射模式重新分布边界应力并降低峰值局部集中。参数（λ)）主要改变DSCF的绝对水平，而不会逆转这种应力重分布趋势。有限元验证进一步证实了解析预测，耦合场有限元结果表明空隙边界同时表现出冯·米塞斯应力放大和电位移放大效应。这些发现表明，DSCF识别的临界区域不仅在机械应力方面敏感，在电响应方面也敏感。因此，所提出的基于DSCF的准则为识别可靠性敏感区域以及定义压电传感器和电极布局围绕功能性孔洞的保守排除区提供了理论基础。

I. 引言

压电材料因其将机械能转化为电信号的能力而受到广泛关注，使其成为现代工程中传感器、执行器和结构健康监测（SHM）的重要候选材料[1]、[2]、[3]、[4]。近期的研究进展集中在陶瓷、聚合物和复合材料体系的材料优化和结构设计上[5]、[6]、[7]。在恶劣的使用环境中，压电器件越来越多地被设计为多功能用途，既作为应力传感器又作为能量收集器。因此，孔隙率、材料品质因数以及自谐振调谐对机电耦合效率的影响已得到广泛研究[8]、[9]、[10]、[11]。