2020年，北京航空航天大学超声无损检测实验室在超声检测系统的研发及应用、超声检测过程的理论研究等方面取得了系列成果。在检测系统的研发及应用方面，优化了机器人控制超声检测系统，实现了对复杂曲面构件的仿形及成像检测;研制了适用于金属复杂结构试件及多层各向异性结构试件的超声仿真软件系统，有效提高了检测工艺方案设计的效率及准确性。在检测过程的理论研究方面，仿真分析了碳纤维增强树脂基复合材料中的声波传播规律，为复合材料中典型缺陷的检测提供了基础。

复杂曲面构件的超声C扫描检测系统

对复杂曲面构件进行超声C扫描检测时，需要根据待测工件的几何外形规划超声的扫描轨迹。为了重建工件表面CAD数模，使用激光轮廓仪获取待测工件的几何信息，如图1所示。

图1 激光轮廓仪获取叶片外形信息现场

使用激光轮廓仪获取表面点云数据时，对每条轮廓数据增加时间戳信息，根据时间戳获得每条轮廓对应的准确位置信息，避免了数据传输时的丢点现象导致的采集数据错位，实现了更精确的轮廓重建;通过滤波等方法对点云进行降噪处理，进一步提高了数模重建精度。

针对复杂形面结构，激光轮廓仪直接测量的点云无法简单重建为单独的一片曲面，为解决该问题，首先利用复杂形面不同曲面的连接处曲率变化较大的特点，然后根据曲率信息对点云进行分割，对分割后的点云数据，利用填充曲面造型方法以及NURBS(非均匀有理B样条)曲面拟合方法实现曲面的重建，最后根据重建的工件表面CAD数模进行超声扫描轨迹规划。

团队基于曲面仿形重建软件、超声检测轨迹规划软件以及六自由度机械臂系统，建立了超声C扫描自动检测系统，如图2所示，实现了对如图3所示的发动机叶片试件的仿形及C扫描成像，验证了该系统对复杂曲面试件的检测能力。

图2 复杂形面超声C扫描自动检测系统外观

图3 发动机叶片试件外观

 

复杂结构件的超声仿真软件系统

为满足金属复杂曲面结构以及多层各向异性结构试样的超声检测工艺参数设计需求，研制了基于时域有限差分方法的超声检测过程仿真软件系统。仿真系统可对复杂结构件阵列超声检测的声线路径、声场分布及声波对缺陷的响应关系等进行仿真分析，如图4所示。

图4 声线仿真示例

对于金属复杂曲面结构，可通过直接导入CAD模型进行建模;对于多层各向异性结构，通过对现有实体模型进行切割再定义的方式来构造新的多层材料模型，如图5所示。该方式可定义每一层工件的弹性模量、剪切模量、泊松比、密度及复合材料的纤维走向等参数，可在试样内部任意位置自定义球形、圆柱形或长方体缺陷，如图6所示。

图5 复杂结构件超声检测仿真模型

图6 缺陷定义界面

通过活动坐标架可自定义换能器或楔块与试样的装配位置，并可利用试样实体模型对楔块进行切割，以获得表面与试样表面形状相同的楔块，保证楔块与工件的良好耦合。由于试样种类繁多，且部分试样定义过程复杂，所以软件系统基于MySQL数据库建立了试样数据库来存储自定义试样模型参数，使软件系统具有良好的重复使用性。

碳纤维增强树脂基复合材料超声检测研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)通常由不同方向的单向铺层铺设而成，研究单向铺层的声学特性是理解整个CFRP零件内部声学现象的基础。利用Christoffel 方程、各向异性材料相速度与群速度的关系分析不同声波入射方向对声波能量传播速度的影响，如图7所示。

由声波在单向铺层中的传播规律可发现，准纵波的群速度随传播方向的变化在一定区间范围内较为平缓，随后各入射平面内的声速快速分散。该结论为超声检测有效入射角范围的确定提供了理论依据。

(a)建立的坐标

(b)声速随角度的变化曲线

图7 入射方向对声波传播速度的影响

对变曲率弯曲碳纤维增强树脂基复合材料内超声的传播规律进行了有限元仿真，如图8所示，分析复合材料内各部分脱黏缺陷的回波特点。脱黏缺陷信号同时受树脂层结构噪声与材料特性变向噪声的干扰，尤其是材料特性变向噪声的信号特性与缺陷信号十分相似，如图9所示，这严重影响了复合材料内部不同位置脱黏缺陷的可检性。

图8 变曲率弯曲碳纤维增强树脂基复合材料超声传播规律有限元仿真

图9 变曲率弯曲碳纤维增强树脂基复合材料有限元仿真超声回波信号

仿真分析CFRP中褶皱使声波能量偏转的现象，发现声波在褶皱处能量的耗散与聚集现象复杂，受铺层方向、弯曲程度、褶皱所在深度等因素的影响;同时，声波也受单向板交叉铺叠的影响，通过检测底面回波的方法来检测褶皱基本不可行。通过换能器发射特定频率的超声，增强层间树脂反射信号，利用反射信号的相位信息追踪铺层位置获得褶皱缺陷信息的检测思路具有较大潜力。

结 语

2020年北京航空航天大学超声无损检测实验室取得的成果与进步离不开国内同行的大力支持和帮助。实验室期望继续保持与国内同行的深入交流与合作，一起攻克各重大领域中的无损检测难题，为我国先进无损检测技术的发展贡献力量。