基于CIVA仿真复合材料超声C扫描检测

基于CIVA仿真复合材料超声C扫描检测

李鹏, 赵纯聪,李日泉

海洋石油工程股份有限公司  天津  300450

摘要：复合材料优异的热稳定性好，比强度比刚度好与抗冲击性使其在航空航天，新能源，建筑等领域应用广泛。相对而言，其结构复杂，组成多样以及生产时工艺不稳定，在生产或服役阶段都容易产生缺陷和损伤，因此，复合材料检测是尤其重要的任务。目前还没有一种能够有效检测复合材料繁多缺陷的有效手段。一般认为，针对复合材料中的冲击损伤，分层，缩孔等主要缺陷，超声检测特别是是超声 C扫描检测效果很好，是目前用于复合材料无损检测的最多的检测方法之一。

关键词：复合材料；冲击损伤；超声C扫描检验

1.超声C扫描设备及工作原理

超声波C扫描是面扫描，C扫描图像是根据多个A扫描波高绘制而成的， C扫描表示被检工件的投影面的状况，通过图像可清晰直观看到缺陷的轮廓及严重程度。

超声C扫描检测系统主要由计算机、超声发射接收器、超声探头、控制系统、喷水装置（或水槽）、和导轨等部件组成，计算机通过软件发出指令控制超声的发射接收以及探头的移动和对检测结果的评估。

通常超声C扫描检测的方法根据探头不同可分为探头阵列电子扫描法和机械扫描法两种，目前机械扫描法应用更多，在机械法C扫描装置中，探头的坐标与光点的坐标位置是一一对应的。

本文检测的材料为航空应用的树脂基复合材料，超声波在界面多次发射和折射，影响超声波的穿透性，复合材料一般衰减比较大，因此要求能量集中，超声波频率较低，能量集中，所以，选择超声水浸聚焦检测法。

2.检测及数据分析

本实验所采用的试块为冲击损伤的环氧树脂基复合材料。其中板厚为4mm,长为150mm,宽为100mm,缺陷类型为直径16.7mm的平底孔。超声波C扫秒通过CIVA仿真软件结果如下：

2.1 B扫实验结果

实验采用的是频率分别为5MHz、10MHz、15MHz的三种探头，扫查出的结果由两百多张B扫图形成，滚动结果左侧的滚轴，可以显示出在不同位置扫查处的结果，图片也显示由最初的无缺陷到有缺陷，再到无缺陷的过程。需要经过校正，校正后如图3.1所示，5MHz探头扫查所得的实验结果。

图2.1  5MHz探头扫查结果

由如上所示，我们可以清楚的看到试块中存在的缺陷，并且通过建模生成的C扫图（图5.11），我们也能看到直观的看到平底孔缺陷。除此之外，我们还做了频率10MHz探头扫查和15MHz探头扫查，扫查得到的实验数据如下表所示

这三种频率均能扫查出该复合板中的缺陷，通过比较三种不同频率的C扫查结果，发现5MHz频率显示的结果中一次低波二次低波明显要清晰好多。基于此，通过比较三种结果中的一次底波，二次底波来计算衰减，比较哪种频率最好。

2.2衰减系数的计算

对于我们本次实验采用的4mm厚复合板，将直探头放在薄板表面，声波在上下表面来回反射，在示波屏上出现多次底波。由于介质衰减和反射损失，使底波高度依次减小，其介质衰减系数按下式计算：

根据对复合板的超声C扫实验结果，本文中m,n我们采用一次底波，二次底波，取0.8dB.

5MHZ探头得                                                                                            

带入上式得

同理10MHZ探头得 带入公式得

15MHZ探头得     带入公式得

由5MHZ、10MHZ及15MHZ衰减系数比较得探头频率越大，超声波在树脂基复合材料中的衰减系数也就越大。这验证了复合材料的检测宜用较低频率的探头。

2.3 试块不同深度的冲击损伤

基于上述实验验证，后续实验步骤采用较低频率的5MHZ探头进行实验。为了研究该复合板在不同深度的冲击损伤，我们以0.5mm为尺度，每隔0.5mm深度，通过在不同深度方向的损伤后，测量最大损伤直径、损伤宽度、损伤长度以及损伤面积，做表如下。

表3.1不同深度的冲击损伤区域尺寸测量结果

3结论：

实验中5MHZ，10MHZ，15MHZ三种超声波探头均能检测出该缺陷，并且验证了超声波C扫描检测对环氧树脂基复合材料检测效果很好，本实验可以为水浸聚焦检测过程中的探头的选择提供参考，以及评估复合材料受到一定的冲击后在不同深度的损伤程度具有一定的指导意义。通过本实验结果我们可以得出以下结论：

1) 超声波在复合材料中的衰减大，并且频率越高，衰减越大。

2)复合材料检测使用低频探头的效果更佳

3)给定能量冲击时，其损伤的面积大小随复合材料由表面到内部的深度增加而增加。

参考文献

[1] 杨辰龙. 大型航空复杂形状复合构件自动化超无损检测研究[D], 博士论文, 浙江大学, 2005.

[2] 王东宇等. 复合材料超声C扫描检测装备运动控制系统[J]. 测控技术, 2010年第29卷第7期 57-61.

[3] 于波等. 超声C扫描成像自动检测系统的研究与实现[J]. 无损检测, 2011, 33(2)：59-61.

作者简介：李鹏;1992.07.28;男;汉; 江西余干;本科;工程师;无损检测。