玻璃纤维增强树脂基复合材料内部缺陷检测的仿真

凡丽梅，王从科，于 波，段 剑，苗德山

（1.中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031；2.必维船级社（中国）有限公司，青岛 266000）

Imagine 3D是加拿大UTEX公司开发的一款声线跟踪超声模拟软件。它可以通过三维界面，精确地展现材料中的声场分布，实现三维旋转展现任意视角；也可根据设定的探头模拟声场分布，并为待测工件选择最佳探头和工艺条件，大大提高了检测效率。该软件不仅可以模拟A扫描和B扫描，还具有报告输出功能，同时能够进行各种纵波和横波模式的转换，以及精确识别不明A扫描信号的来源。

作者采用Imagine 3D仿真模拟软件，模拟不同探头、不同频率、不同水距下的超声检测效果，从而得出最佳检测工艺条件；用此最佳检测工艺条件，模拟检测玻璃纤维增强树脂基复合材料的内部缺陷，并与超声脉冲反射法的检测结果进行对比。

1 水浸聚焦探头声场原理

晶片直径为D 的探头所发射的聚焦声束在水中传播距离H后，进入试件，由于界面折射作用，使声束进一步会聚于焦点A′，这时在试件中的聚焦深度为l，如图1所示。

图1 水浸聚焦检测示意

探头的焦距F和l，H的关系可由下式计算：

式中：H为水层距离，mm；F为焦距，mm；l为聚焦深度，mm；cL为试件中的纵波声速，m／s；c水为水中声速，m／s。

从式（1）可以看出，确定了聚焦深度和焦距，即可计算出所需的水层距离H。

2 试验过程［2－4］

2.1 主要仪器和设备

仪器：加拿大R／D TECH公司生产的六轴水浸相控阵超声C扫描成像系统。

探头：聚焦探头和平探头，频率分别为2.25，5，10MHz，直径为25.4mm，聚焦探头焦距为63mm，由加拿大R／D TECH公司生产。

软件：加拿大UTEX公司生产的Imagine 3D超声仿真软件。

2.2 试样制备

参照GJB－1038.1A－2004《纤维增强复合材料无损检验方法第一部分：超声波检验的对比试样的制作方法》，制备模拟分层缺陷的玻璃纤维增强树脂基复合材料试样（250mm×150mm×10mm）。

在试样的上表面、两中心层和下表面不同厚度位置，预制模拟分层缺陷：每层面均含有边长为12.7，9.6，6.4，3.2mm 四种尺寸的人工正方形缺陷，三层缺陷埋深依次为1，5，9mm。

2.3 检测工艺条件仿真模拟

2.3.1 模拟声场

采用Imagine 3D仿真模拟界面，如图2所示；采用频率为2.25MHz，直径为25.4mm，焦距为63mm的聚焦探头模拟声场，如图3所示。

图2 Imagine 3D模拟界面

从图3的声压分布曲线可以看出，探头的焦距约为63mm，与探头标称的焦距相符，且模拟声场分布与实际的聚焦探头声场分布相一致。

2.3.2 探头频率选择

图3 聚焦探头的模拟声场

采用Imagine 3D软件，选用频率分别为2.25，5，10MHz，直径为25.4mm的平探头和聚焦探头进行模拟检测。模拟条件：平探头水距40mm，聚焦探头水距52mm，增益21dB，模拟检测的缺陷大小为12.7mm×12.7mm，埋深依次为1，5，9mm。从A扫描信号图中得到的信号幅值大小，如表1所示。

表1 2.25，5，10MHz聚焦探头和平探头在不同缺陷埋深下模拟检测的回波信号幅值 V

根据表1绘制上述探头的距离波幅曲线，如图4所示。

图4 不同探头在不同频率下模拟检测的距离波幅曲线

从图4中可以看出，平探头对不同埋深下缺陷幅值的变化很小，而聚焦探头对不同埋深下缺陷幅度的变化较大。2.25MHz聚焦探头在不同埋深缺陷的幅值高于5MHz和10MHz聚焦探头，且高于平探头的幅值，得出2.25MHz的聚焦探头的检测灵敏度优于其他探头的结论。因此选择2.25MHz聚焦探头进行检测最佳。

2.3.3 水距选择

采用2.25MHz聚焦探头，在水距分别为48，50，52，54，56，58，60，62，63，64，66，68，70，72mm下对不同埋深的缺陷进行模拟检测，由A扫描信号图得到的回波信号幅值大小如表2所示。

根据表2绘制2.25MHz聚焦探头在不同水距下模拟检测的距离幅度曲线，如图5所示。

表2 2.25MHz聚焦探头在不同水距下模拟检测的幅值V

图5 2.25MHz聚焦探头在不同水距下模拟检测的距离波幅曲线

从图5中可以看出，水距为48，50，52，54mm时，虽然缺陷幅值变化规律相似，但是水距为52mm时，对于埋深5mm缺陷，其幅值高于其余三个水距下的幅值；对于埋深1mm和9mm缺陷的幅值相差最小，这有利于不同埋深下缺陷的检出，并提高了横向分辨率。而在其余水距下，随着缺陷埋深的增加，幅值下降很快，容易造成缺陷漏检，影响横向分辨率。因此，采用2.25MHz聚焦探头、水距为52mm进行检测最佳。

对于中厚板的检测，一般把聚焦焦点放在试样中间，即l＝5mm，cL＝3300m／s，c水＝1500m／s，从公式（1）计算出水层距离为52mm。因此用Imagine3D仿真软件模拟的结果与理论公式计算的结果相吻合。

综上所述，由Imagine3D仿真模拟得出的最佳检测条件为：水浸聚焦探头，频率为2.25MHz，水距为52mm。

2.3.4 Imagine 3D仿真模拟检测内部人工缺陷

根据Imagine 3D仿真模拟得出的最佳检测工艺条件，即采用频率为2.25MHz，直径为25.4mm，焦距为63mm的水浸聚焦探头，在水距52mm，增益21dB，扫描间距0.5mm，扫描速率70mm／s条件下模拟检测试样中的三层缺陷。缺陷的模拟检测A扫描图和B扫描图，分别如图6～8所示。

从图6～8中可以看出，各层中不同尺寸大小的缺陷均能清晰识别，且缺陷信号反射波较高。由于软件的不足，笔者没有考虑材料中的衰减及材料复杂的内部性质，只在理想条件下进行仿真模拟检测。2.3.5 聚焦探头超声脉冲反射法检测内部人工缺陷

采用频率为2.25MHz，直径为25.4mm，焦距为63mm聚焦探头，在水距52mm，增益21dB，扫描间距0.5mm，扫描速率70mm／s的条件下检测试样中的三层缺陷。检测结果分别如图9～11所示。图中由于聚焦探头具有声束细、声能集中、分辨力高、信噪比高等特点，各层不同尺寸大小的缺陷均能检出。

从图9～11中可以看出，采用Imagine 3D仿真模拟得出的最佳检测工艺条件，用聚焦探头超声脉冲反射法对试样进行检测，检测结果表明，能够检测出各层不同尺寸大小的缺陷，这与仿真模拟的结果相匹配。但是因为存在材料的散射衰减、扩散衰减及复合材料复杂的内部性质，所以实际检测信噪比不如Imagine 3D仿真模拟时理想。

3 结论

（1）采用Imagine 3D软件仿真模拟，既能模拟已知探头的声场，又能模拟检测条件，从而获得最佳检测工艺条件。

（2）试验结果表明，用Imagine 3D软件仿真模拟的结果与实际检测结果相吻合，因此，Imagine 3D仿真模拟是确定检测工艺的最佳辅助工具之一。

［1］史亦韦.国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材.超声检测［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］徐向群，张唯国.电子束焊缝超声C扫描检测技术［J］.兵器材料科学与工程，2007，30（4）：70－74.

［3］李家伟，陈积懋.无损检测手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［4］王浩全，曾光宇.玻璃纤维复合材料超声C扫描检测研究［J］.兵工学报，2005，26（4）：570－572.