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

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

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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。