玻璃纖維增強樹脂基復合材料內部缺陷檢測的仿真

凡麗梅，王從科，于 波，段 劍，苗德山

（1.中國兵器工業集團第五三研究所，濟南 250031；2.必維船級社（中國）有限公司，青島 266000）

Imagine 3D是加拿大UTEX公司開發的一款聲線跟蹤超聲模擬軟件。它可以通過三維界面，精確地展現材料中的聲場分布，實現三維旋轉展現任意視角；也可根據設定的探頭模擬聲場分布，并為待測工件選擇最佳探頭和工藝條件，大大提高了檢測效率。該軟件不僅可以模擬A掃描和B掃描，還具有報告輸出功能，同時能夠進行各種縱波和橫波模式的轉換，以及精確識別不明A掃描信號的來源。

作者采用Imagine 3D仿真模擬軟件，模擬不同探頭、不同頻率、不同水距下的超聲檢測效果，從而得出最佳檢測工藝條件；用此最佳檢測工藝條件，模擬檢測玻璃纖維增強樹脂基復合材料的內部缺陷，并與超聲脈沖反射法的檢測結果進行對比。

1 水浸聚焦探頭聲場原理

晶片直徑為D 的探頭所發射的聚焦聲束在水中傳播距離H后，進入試件，由于界面折射作用，使聲束進一步會聚于焦點A′，這時在試件中的聚焦深度為l，如圖1所示。

圖1 水浸聚焦檢測示意

探頭的焦距F和l，H的關系可由下式計算：

式中：H為水層距離，mm；F為焦距，mm；l為聚焦深度，mm；cL為試件中的縱波聲速，m／s；c水為水中聲速，m／s。

從式（1）可以看出，確定了聚焦深度和焦距，即可計算出所需的水層距離H。

2 試驗過程［2－4］

2.1 主要儀器和設備

儀器：加拿大R／D TECH公司生產的六軸水浸相控陣超聲C掃描成像系統。

探頭：聚焦探頭和平探頭，頻率分別為2.25，5，10MHz，直徑為25.4mm，聚焦探頭焦距為63mm，由加拿大R／D TECH公司生產。

軟件：加拿大UTEX公司生產的Imagine 3D超聲仿真軟件。

2.2 試樣制備

參照GJB－1038.1A－2004《纖維增強復合材料無損檢驗方法第一部分：超聲波檢驗的對比試樣的制作方法》，制備模擬分層缺陷的玻璃纖維增強樹脂基復合材料試樣（250mm×150mm×10mm）。

在試樣的上表面、兩中心層和下表面不同厚度位置，預制模擬分層缺陷：每層面均含有邊長為12.7，9.6，6.4，3.2mm 四種尺寸的人工正方形缺陷，三層缺陷埋深依次為1，5，9mm。

2.3 檢測工藝條件仿真模擬

2.3.1 模擬聲場

采用Imagine 3D仿真模擬界面，如圖2所示；采用頻率為2.25MHz，直徑為25.4mm，焦距為63mm的聚焦探頭模擬聲場，如圖3所示。

圖2 Imagine 3D模擬界面

從圖3的聲壓分布曲線可以看出，探頭的焦距約為63mm，與探頭標稱的焦距相符，且模擬聲場分布與實際的聚焦探頭聲場分布相一致。

2.3.2 探頭頻率選擇

圖3 聚焦探頭的模擬聲場

采用Imagine 3D軟件，選用頻率分別為2.25，5，10MHz，直徑為25.4mm的平探頭和聚焦探頭進行模擬檢測。模擬條件：平探頭水距40mm，聚焦探頭水距52mm，增益21dB，模擬檢測的缺陷大小為12.7mm×12.7mm，埋深依次為1，5，9mm。從A掃描信號圖中得到的信號幅值大小，如表1所示。

表1 2.25，5，10MHz聚焦探頭和平探頭在不同缺陷埋深下模擬檢測的回波信號幅值 V

根據表1繪制上述探頭的距離波幅曲線，如圖4所示。

圖4 不同探頭在不同頻率下模擬檢測的距離波幅曲線

從圖4中可以看出，平探頭對不同埋深下缺陷幅值的變化很小，而聚焦探頭對不同埋深下缺陷幅度的變化較大。2.25MHz聚焦探頭在不同埋深缺陷的幅值高于5MHz和10MHz聚焦探頭，且高于平探頭的幅值，得出2.25MHz的聚焦探頭的檢測靈敏度優于其他探頭的結論。因此選擇2.25MHz聚焦探頭進行檢測最佳。

2.3.3 水距選擇

采用2.25MHz聚焦探頭，在水距分別為48，50，52，54，56，58，60，62，63，64，66，68，70，72mm下對不同埋深的缺陷進行模擬檢測，由A掃描信號圖得到的回波信號幅值大小如表2所示。

根據表2繪制2.25MHz聚焦探頭在不同水距下模擬檢測的距離幅度曲線，如圖5所示。

表2 2.25MHz聚焦探頭在不同水距下模擬檢測的幅值V

圖5 2.25MHz聚焦探頭在不同水距下模擬檢測的距離波幅曲線

從圖5中可以看出，水距為48，50，52，54mm時，雖然缺陷幅值變化規律相似，但是水距為52mm時，對于埋深5mm缺陷，其幅值高于其余三個水距下的幅值；對于埋深1mm和9mm缺陷的幅值相差最小，這有利于不同埋深下缺陷的檢出，并提高了橫向分辨率。而在其余水距下，隨著缺陷埋深的增加，幅值下降很快，容易造成缺陷漏檢，影響橫向分辨率。因此，采用2.25MHz聚焦探頭、水距為52mm進行檢測最佳。

對于中厚板的檢測，一般把聚焦焦點放在試樣中間，即l＝5mm，cL＝3300m／s，c水＝1500m／s，從公式（1）計算出水層距離為52mm。因此用Imagine3D仿真軟件模擬的結果與理論公式計算的結果相吻合。

綜上所述，由Imagine3D仿真模擬得出的最佳檢測條件為：水浸聚焦探頭，頻率為2.25MHz，水距為52mm。

2.3.4 Imagine 3D仿真模擬檢測內部人工缺陷

根據Imagine 3D仿真模擬得出的最佳檢測工藝條件，即采用頻率為2.25MHz，直徑為25.4mm，焦距為63mm的水浸聚焦探頭，在水距52mm，增益21dB，掃描間距0.5mm，掃描速率70mm／s條件下模擬檢測試樣中的三層缺陷。缺陷的模擬檢測A掃描圖和B掃描圖，分別如圖6～8所示。

從圖6～8中可以看出，各層中不同尺寸大小的缺陷均能清晰識別，且缺陷信號反射波較高。由于軟件的不足，筆者沒有考慮材料中的衰減及材料復雜的內部性質，只在理想條件下進行仿真模擬檢測。2.3.5 聚焦探頭超聲脈沖反射法檢測內部人工缺陷

采用頻率為2.25MHz，直徑為25.4mm，焦距為63mm聚焦探頭，在水距52mm，增益21dB，掃描間距0.5mm，掃描速率70mm／s的條件下檢測試樣中的三層缺陷。檢測結果分別如圖9～11所示。圖中由于聚焦探頭具有聲束細、聲能集中、分辨力高、信噪比高等特點，各層不同尺寸大小的缺陷均能檢出。

從圖9～11中可以看出，采用Imagine 3D仿真模擬得出的最佳檢測工藝條件，用聚焦探頭超聲脈沖反射法對試樣進行檢測，檢測結果表明，能夠檢測出各層不同尺寸大小的缺陷，這與仿真模擬的結果相匹配。但是因為存在材料的散射衰減、擴散衰減及復合材料復雜的內部性質，所以實際檢測信噪比不如Imagine 3D仿真模擬時理想。

3 結論

（1）采用Imagine 3D軟件仿真模擬，既能模擬已知探頭的聲場，又能模擬檢測條件，從而獲得最佳檢測工藝條件。

（2）試驗結果表明，用Imagine 3D軟件仿真模擬的結果與實際檢測結果相吻合，因此，Imagine 3D仿真模擬是確定檢測工藝的最佳輔助工具之一。

［1］史亦韋.國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材.超聲檢測［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］徐向群，張唯國.電子束焊縫超聲C掃描檢測技術［J］.兵器材料科學與工程，2007，30（4）：70－74.

［3］李家偉，陳積懋.無損檢測手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［4］王浩全，曾光宇.玻璃纖維復合材料超聲C掃描檢測研究［J］.兵工學報，2005，26（4）：570－572.