基于CIVA仿真复合材料超声C扫描检测
复合材料超声C扫描检测装备运动控制系统
Ｋ ｅ ｒ ｓ ｕ ｔａ ｏ ｃ ｔｓｉ ｇ ｍｏ ｉｎ ｃ ｎｒ ｌ Ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｌｒ ｓ ｎｉ ｅ ｔｎ ； ｔｏ ｏ ｔｏ ； ｗｉ ＣＡＴ； ｓ ａ Ｃ—ｃ ｎ
复 合材 料具 有 比强 度 高 、 疲 劳性 能 好 等 一 系 列 抗 优 点 ， 广 泛应用 于 航 空 、 天 、 器 等 众 多 工 业 和 军 被 航 兵 事 领域 ， 国航 空航 天 材 料 专 家 Ｊｓｐ ａｏ 美 ｏｅｈ Ｆ Ｒ ｋ ｗ博 士 预测 ，在未来 １ ０年 里 ，下 一 代 飞 机 是 复 合 材 料 的 飞 机 ， 合材料 从 过去 非承 力结 构 正不 断 被用 于主 承 力 复 结构 ¨ 。但 由于复 合材 料 制造 工 艺 的独 特 性 ， 导致 其 制造 缺 陷很难 避免 ， 因此在 航空 航 天应用 中 ， 须对 重 必 要部 件 的复合 材 料 进 行 １ ０ 的无 损 检 测 ， ０％ 目前 常用 的检测 方 法是 喷水 超声 Ｃ扫描 自动 检测 。 超 声 Ｃ 扫 描 装 备 的 扫 查 速 度 一 般 在 １０～２ ０ ０ ０ ｍｍ ｓ 问 ， 以满足 大 面 积 复 合材 料 全 检 的要 求 ， ／之 难 而
复合材料 超 声 ｃ扫描 检 测装 备运 动控 制 系统
・ ７・ ５
复 合材 料 超 声 Ｃ扫 描 检 测 装 备 运 动 控 制 系统
王 东 宇 ，黄 志 刚 韩 赞 东 原 可 义 ， ，
（ ．北 京 固鸿 科 技 有 限 公 司 ， 京 １ 北 １０ ８ ；．清 华 大 学 机 械 工 程 系 先 进 成 形 制 造 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 京 ００３２ 北 １０ ８ ） ０ ０ ４
ｃｒｃ ． ｍ ａ ｄｒｐ ａｅ ｏｉｏ ｉｇａｃ ｒｃ ． ５ｍ ，ａｔ ｅｐ ｎｅａｄｌ ｌ ｔ ｍａｎ ｔ ｔｒ ｕａｙｉ０ １ｍ ｎ ｅｔ ｐ ｓｉｎｎ ｃｕａｙｉ０ ０ ｍ） ｆｓ ｒｓｏ ｓ ｎ ｗ ｅｅ ｒ ｇ ｅ ｃｉ ｅ— ｓ ｅ ｄ ｔ ｓ ｏ ｃｏ ｉ ｎ
碳纤维复合材料缺陷的超声检测及材料力学性能仿真研究
生高频脉冲激励信号ꎬ将信号传输到超声换能器ꎬ再由换
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能器的压电效应将脉冲激励信号转换成脉冲超声波ꎮ Nhomakorabea当
声波在换能器与工件之间的耦合介质内传输时ꎬ一部分声
波被工件表面反射ꎬ反射后由换能器接收ꎬ并转换成激励
信号传输到超声脉冲激励 / 接收单元ꎬ通过单元进行信号
合介质的界面发生强烈折射ꎬ并在界面处发生轴向聚焦ꎮ
透镜和样品之间的耦合介质主要用于传播超声波ꎮ 换能
器安装在 ｘ、ｙ、ｚ 三轴移动平台上ꎬ可在三维空间范围内运
4K
图 ３ 复合材料内部缺陷建模
模型中界面层通过插入 Ｃｏｈｅｓｉｖｅ 内聚力单元来连接
两材料ꎬ并模拟裂纹产生和损伤演化ꎮ 基于胶合力学理论
ＺＨＡＮＧ Ｑｕａｎｌｉ １ ꎬ ＺＥＮＧ Ｊｉａｈｅｎｇ１ ꎬ ＹＡＮＧ Ｚｈｅｎ１ ꎬ ＧＵＯ Ｎａｎ１ ꎬ ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎｇｓｈｅｎｇ２ ꎬ ＳＵ Ｈｏｎｇｈｕａ１
(１. Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｍａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬ
时ꎬ其材料的抗拉强度下降 １３. ２％ꎮ 王雪明等
[１５]
对碳纤
维复合材料整体成型过程中温度对材料缺陷的影响进行
动ꎮ 为了防止检测过程中近表面产生扫描盲区问题ꎬ内部
平台采用有机玻璃ꎮ 探头与平台之间采用去离子水作为
检测耦合剂ꎬ探头下沉至水中ꎬ距离工件表面约１ ｃｍꎮ采用
徕卡 ＤＭＣ ４５００ 光学显微镜、科视达 ＫＨ－ ７７００ 三维视屏
增强树脂基复合材料层压板进行分层缺陷检测ꎬ获得了复
复合材料多轴联动超声C扫描检测技术评述
复合材料多轴联动超声C扫描检测技术评述王东升;杨党纲;刘颖韬;徐娜;李硕宁【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2014(000)003【摘要】随着航空、航天装备研制中非规则曲面复合材料制件比重的增加，传统的超声C扫描检测手段已难以满足实际应用需求。
多轴联动超声C扫描检测技术为非规则曲面复合材料制件的检测提供了重要技术支撑。
本文分析和评述了多轴联动超声C扫描检测的技术原理、典型设备形式和主要功能，分析了存在的问题，并指出发展方向。
【总页数】5页(P6-10)【作者】王东升;杨党纲;刘颖韬;徐娜;李硕宁【作者单位】北京航空材料研究院航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095【正文语种】中文【中图分类】TG115.28【相关文献】1.柔性、复合、多轴联动、高精、高速化是多轴联动机床发展的主流——CIMT2011部分首展的五轴联动加工中心 [J], 王慧2.铝基复合材料粘结质量超声C扫描检测技术 [J], 吴斌斌;颜继东3.复合材料深度方向超声C扫描检测技术 [J], Vadim M Levin;张路根;姚文增;刘松平;郭恩明;张谦琳4.CIMT2009 多轴联动高速龙门工中心评述 [J], 王晓慧5.多轴超声C扫描系统在车辆负重轮检测中的应用 [J], 乔日东;张维国;郭智敏;唐盛明;李红伟;齐子诚;谢志萍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
玻璃纤维增强复合材料超声检测声场的CIVA仿真与试验研究
玻璃纤维增强复合材料超声检测声场的CIVA仿真与试验研究史洪源;任文坚;党杰;周鹏
【期刊名称】《复合材料科学与工程》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】针对单晶片超声检测玻璃纤维增强复合材料层压板内声场分布,使用CIVA软件得到了不同楔块厚度下材料内部声场的变化规律;同时进行试块内不同规格的预制缺陷仿真试验,通过对缺陷进行B扫图及A扫回波波形分析,得到不同深度缺陷回波特点及波高规律。
最后,使用超声检测仪器对制作的玻璃纤维层压板进行实际检测验证试验。
试验结果表明:不同尺寸及埋深的分层缺陷的波形特点及检测结果与仿真试验结果相同;当缺陷距离表面太近时,检测得到的尺寸比实际缺陷大很多;当缺陷位于层压板中间时,检测结果均接近实际尺寸;当缺陷位于层压板底部时,检测结果比实际尺寸小。
【总页数】6页(P20-24)
【作者】史洪源;任文坚;党杰;周鹏
【作者单位】西安航空职业技术学院航空材料工程学院;西安航天发动机有限公司无损检测中心;西安航空职业技术学院学生工作处;西安航空职业技术学院科研处【正文语种】中文
【中图分类】TB332
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1.换热器管板角焊缝相控阵超声声场CIVA仿真和检测
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换热器管板角焊缝相控阵超声声场CIVA仿真和检测
换热器管板角焊缝相控阵超声声场CIVA仿真和检测钱盛杰;郭伟灿【摘要】针对换热器管板角焊缝的结构特征,分析了相控阵声场的聚焦性能.以波束的主瓣尖锐、较低的旁瓣、消除栅瓣为相控阵探头的设计准则,对相控阵参数进行优化分析.利用CIVA软件对相控阵声场进行建模仿真,确定了阵元数目、阵元尺寸、偏转角、超声波频率等相控阵探头参数.最后,根据优化后的相控阵参数研制了探头,并进行了角焊缝试样的检测试验.试验结果表明,优化后的探头可以有效地检测出换热器管板角焊缝中的气孔、未熔合等缺陷.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2015(037)001【总页数】5页(P11-15)【关键词】换热器;管板角焊缝;相控阵【作者】钱盛杰;郭伟灿【作者单位】宁波市特种设备检验研究院,宁波 315048;浙江省特种设备检验研究院,杭州 310020【正文语种】中文【中图分类】TG115.28相控阵超声检测技术已被广泛应用于医疗、压力容器、石化工业、航空航天等领域，成为无损检测行业的重要组成部分。
具有快速、直观、高分辨力、缺陷定量精确、无辐射危害等优点。
换热器管板角焊缝的检测一般采用常规超声检测系统，其周向和轴向均采用机械扫查方式，装置复杂且检测周期较长，检测效率明显低于相控阵电子线扫查。
因此，笔者提出了相控阵超声检测方法，利用CIVA 软件建立换热器管板角焊缝相控阵模型并仿真声束的聚焦性能，得到了一组较理想的相控阵探头设计参数。
以此为理论依据，研制了换热器管板角焊缝专用相控阵探头，对角焊缝进行了检测，成功地检测出气孔、未熔合等缺陷，可以将其应用到工程实践检测。
1 线性相控阵辐射声场分析采用线性相控阵进行声场理论分析、参数优化设计及仿真。
线性相控阵的几何参数如图1所示，其中a为单个阵元宽度，d 为阵元间距，N 为阵元个数，L 为阵元长度。
图1 线性相控阵的几何参数根据叠加定理可得，一维线阵元在空间某点处产生的声压为：式中：P0为阵元在单位距离上产生的声压；Δtn 为相控阵第n 阵元的延时时间；k为波数［1］。
基于CIVA仿真的塑料材料TOFD检测技术研究
基于CIVA仿真的塑料材料TOFD检测技术研究钱盛杰应家仪高星沈成业王杜（宁波市特种设备检验研究院）摘要设计了高密度聚乙烯（HDPE"和聚氯乙烯（PVC）不同厚度、不同类型缺陷的对比试块，在CIVA 仿真平台上对这两种塑料试块进行了TOFD检测技术研究%仿真结果表明:TOFD检测技术能有效地检测出两种塑料一定范围内的上、下表面缺陷和埋藏缺陷，并能实现缺陷的精确定位和定量检测，对这两种塑料材料TOFD检测工艺的制定具有重要意义%关键词高密度聚乙烯聚氯乙烯TOFD检测CIVA仿真缺陷中图分类号TQ050.4D25文献标识码A 塑料具有质量轻、耐蚀性好、使用寿命长且易于安装的优势，塑料板材和管材已大量应用于非金属压力容器和燃气管道的制造中，工程上常采用的材料有聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯塑料（ABS）及高密度聚乙烯（HDPE）等热塑性塑料。
塑料在特种设备领域中的应用正在不断地普及，如：压力容器、压力管道、钢制容器和管道的衬里。
由于塑料制品的生产工艺和技术水平还不够完善,在生产过程中容易产生制造缺陷，影响其使用安全［1］）无损检测等手段可以对塑料产品质量进行有效地检测，有助于及时发现和处理安全隐患。
因此，对塑料的无损检测研究具有重要的意义。
国内对塑料设备的无损检测已有一定研究,但无损检测手段还不够成熟、完善,而且相对缺乏经验。
随着在聚乙烯燃气管道、塑料容器等方面推出了一些可行的无损检测技术，获得了不少试验和应用数据，制定了我国塑料设备的一系列标准，如JB/T10662—2013《无损检测聚乙烯管道焊缝超声检测》、GB/T33488—2017《化工用塑料焊接制承压设备检验方法》等。
塑料设备的常见检测方法有超声检测、射线检测、声发射检测及红外热成像检测等。
其中，超声检测因具有检文章编号0254-6094（2021）01-0019-06测灵敏度高、效率高及安全无害等优点，被许多学者深入研究。
基于CIVA仿真的管道超声内检测参数设计与优化
基于CIVA仿真的管道超声内检测参数设计与优化缪存坚;凌张伟;杜兴吉;王敏【摘要】为了设计并优化管道超声内检测工艺参数,从检测原理、聚焦法则、工艺参数等方面阐述了超声相控阵在管道内检测中对凹面结构检测的应用,基于CIVA 仿真对安装在管道内部的凸面相控阵装置参数及其检测工艺展开研究,模拟了带有焊缝、环切槽、侧向孔等缺陷特征的管道的声场特性,并利用仿真获得的数据演化规律对水程和阵列动态孔径进行了优化.基于仿真与优化获得的参数制造了相应的相控阵检测装置,并通过对样管的超声检测测试,验证了设计参数的合理性以及基于CIVA仿真设计装置的可行性.%In order to design and optimize the parameters of ultrasonic inner inspection,the application of ultrasonic phased array in the detection of concave structure was described from the aspects of inspection principle,focal law and process parameters.Based on CIVA simulation,the parameters and detection technology of convex phase phased array device installed inside the pipe were studied,and the ultrasound field characteristics in the pipe were simulated with defects characteristics of welds,circumferential cutting grooves,lateral hole and so on were simulated.Furthermore,the ultrasound propagation in water and dynamic element window were optimized by using the obtained simulation data.Thus,the phased array detection device was fabricated with the reference of the characteristics above.The experiments on the testing pipe were conducted and the rationality of the design parameters was verified,as well as the feasibility of designing device with the assistance of CIVA simulation.【期刊名称】《焊管》【年(卷),期】2017(040)007【总页数】6页(P6-11)【关键词】管道;无损检测;CIVA仿真;人工缺陷;超声内检测;相控阵【作者】缪存坚;凌张伟;杜兴吉;王敏【作者单位】浙江省特种设备检验研究院,杭州310020;浙江省特种设备检验研究院,杭州310020;浙江省特种设备检验研究院,杭州310020;浙江省特种设备检验研究院,杭州310020【正文语种】中文【中图分类】TE973.6Abstract:In order to design and optimize the parameters of ultrasonic inner inspection,the application of ultrasonic phased array in the detection of concave structure was described from the aspects of inspection principle，focal law and process parameters.Based on CIVA simulation,the parameters and detection technology of convex phase phased array device installed inside the pipe were studied，and the ultrasound field characteristics in the pipe were simulated with defects characteristics of welds，circumferential cutting grooves,lateral hole and so on were simulated.Furthermore，the ultrasound propagation in water and dynamic element window were optimized by using the obtained simulation data.Thus,the phased array detection device was fabricated with thereference of the characteristics above.The experiments on the testing pipe were conducted and the rationality of the design parameters was verified，as well as the feasibility of designing device with the assistance of CIVA simulation.Key words:pipeline;noudestructive examination;CIVA simulation;artificial defect;ultrasonic inner detection;phased array随着无损检测技术的不断发展和新材料、新结构、新环境的接连出现，出现了埋在公路和铁路下的管道、深藏在河流与海洋底部的管线以及高空悬空管道等，管道检测面临着各种新的考验，管道安装要求也日益提高。
超声C扫描的碳纤维复合材料缺陷检测及分析
移移 蓸 蔀 蓸 蔀 S-1 T-1
H（粤）=-
i=0 j=0
p ij PA
ln
p ij PA
=ln 蓸 PA
蔀+
HA PA
（6）
移移 蓸 蔀 蓸 蔀 l-1 l-1
H（月）=-
i=S j=T
p ij PB
ln
p ij PB
=ln 蓸 PB
蔀+
HA PB
（7）
定义判别函数为：
H（S，T）=H（A）+H（月）
f （' x，y）。图像 F' 中像素的灰度级为图像 F 中相应
像素的邻域平均灰度级。由 F 和 F' 构成一个二元组
蓸 F，F' 蔀 = 嗓 蓸（f x，y），f（' x，y）蔀 瑟 x伊y
（1）
设 F 的广义图像 蓸 F，F' 蔀 中的二元组（i，j）出现
的总数为 fij，有
l-1 l-1
移移fij=xy i=0 j=0
耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 窑111窑
焊接设备
第 源9 卷
件时采用常规的超声扫描手段进行缺陷检测显得 力不从心[5]。若能够汲取超声探伤的诸多优势并且 克服常规超声自动扫描成像对不规则曲面结构适 应性差的技术弊端，建立一套快速有效的检测方法 及检测、诊断系统，对于列车车体生产和维护有较高 的工程指导意义。
1 碳纤维连接方式
碳纤维复合材料的生产分为二维编织和三维 编织。前者发挥了碳纤维复合材料的质轻、强韧的优 点，但脆性高、抗弯抗冲击性能差，使得其难以作为 受载结构应用于列车车体高强度的服役环境中。三 维编织手段如图 1a 所示，这种方式将碳纤维增强 相织成整体织物板材，大大改善了二维编织及层压 所带来的力学性能上的不足。碳纤维复合材料本身
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基于CIVA仿真复合材料超声C扫描检测
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。