张海兵１ 温德宏２
（１．海军航空大学青岛校区，山东青岛；
２．海军装备部，北京）
摘 要：运用ＣＩＶＡ 仿真软件，分别从探头频率、晶片尺寸等方面探究对螺栓声场分布及缺陷响应的影响。根据声场分布结果，选取对检测结果影响较大的晶片尺寸和探头频率，得出在缺陷响应中的仿真检测结果，并对仿真结果进行分析，得出螺栓检测参数的选择依据。
航空螺栓主要用于传递载荷，是当前飞机上许多重要部位的连接方式，长期运行于高载荷的工作环境中，应力集中区域容易产生疲劳裂纹［１］。但由于飞机上许多螺栓不可拆卸或者不便拆卸，而只能直观地看到螺栓首尾部分，以致很多内部损伤及裂纹无法直接发现，而一旦螺栓在飞机机动过程中突然断裂失效，或者在某些关键部位发生松脱，都将会造成重大的损失甚至灾难性后果［２］。
本文以航空螺栓为研究对象，对超声检测过程中不同检测工艺参数下的缺陷响应效果及定位精度进行深入研究，基于ＣＩＶＡ 仿真软件中的超声波模块，模拟了不同检测参数下螺栓中声波的声场分布情况和缺陷响应效果。通过对仿真结果进行分析，得出螺栓检测参数的变化对检测结果的影响，为实际检测提供了参数选择依据。
本课题使用的是ＣＩＶＡ １０仿真软件，为研究适用于航空螺栓的超声检测参数，采用其中的超声检测技术（ＵＴ）。ＵＴ 包含两个模块，即声束计算模块（ＢｅａｍＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ）和缺陷响应模块（ＤｅｆｅｃｔＲｅ－ ｓｐｏｎｓｅ）。此处采用声束计算模块对不同参数条件下超声波在螺栓中的声场分布情况进行比较分析，采用缺陷响应模块在不同参数条件下对螺栓进行超声仿真检测。
首先建立航空螺栓的模型，并设置模型的几何尺寸和材料属性，根据模型的尺寸及位置对探头相关属性以及计算区域进行设置。设置合适的仿真参数，对提高声场分布计算的准确性和计算效率具有重要意义［３］。
在试验件模型及参数设置界面中，工件材料设置为钢材，密度为７．８ｇ／ｃｍ３ ，纵波传导速度为５９００ｍ／ｓ ，横波传导速度为３２３０ｍ／ｓ 。
探头参数：根据螺栓尺寸大小，并且为使探头具有声束集中的特点以及对检测近表面缺陷能有较高的分辨力，探头表面类型为平面；此处选择了直径为６ｍｍ～１８ｍｍ 的接触式圆形单探头，并分别设置探头频率为１ＭＨｚ～７ＭＨｚ，设置带宽为 ３０％～７０％； 楔块材料类型选择为有机玻璃，将探头中心置于螺栓端部中心处。
在同一晶片直径条件下，分别仿真１ＭＨｚ ～ ７ＭＨｚ 频率的检测结果。 图１ 是探头频率为２ＭＨｚ 、晶片直径６ｍｍ 条件下的声场分布图，图２ 是对应检测参数下的螺栓内部沿轴线上的声压分布图，横轴代表声波在螺栓中传播的深度（ｍｍ），纵轴代表声压的强度（ｄＢ）。
图１ 螺栓中的声场分布
根据声场仿真计算的结果能够发现，在各种探头频率下螺栓中声束能量分布均比较集中，并且随着频率的增大，声场能量的聚焦深度会逐渐变大，但频率增大后其信噪比也会有所增大，容易产生干扰波，中轴线处声压分布曲线随着频率增大由光滑曲线逐渐变成锯齿状曲线。因此，可以根据检测深度的需要选择不同的探头频率。
用接触式直探头，采用垂直入射螺栓端面，平面聚焦的方式，选用声场分布情况较好的探头频率５ＭＨｚ 作为此次检测频率。 设置了７级晶片尺寸直径 ，分 别 为 ４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ、１４ｍｍ和 １６ｍｍ。
根据声场仿真计算的结果能够发现，各螺栓中声场分布均比较均匀，并且随着晶片尺寸的增大，声场能量的聚焦深度也会迅速变大，但晶片尺寸增大到比试件检测面还要大后其能量也会有所损失。因此，为提高分辨率，避免能量的损失，可以根据待测螺栓的端面大小，尽量选择尺寸不超过该大小的探头。
在探头形状、带宽等基本参数确定的条件下，通过设置不同的探头频率、晶片尺寸、阵元宽度及间隙来对螺栓试件进行仿真检测，分析设置不同参数时对检测结果影响的特点。
缺陷参数：根据试验件表面实际缺陷情况，用半椭圆型缺陷模拟实际裂纹缺陷，在螺栓表面对应处添加１条长度为５ｍｍ 、高度为 ０．７ｍｍ 、缺陷具体位置坐标为（６．３，０，－１１．０）、沿Ｙ轴方向扩展的近表面缺陷；２号试验件底部孔状缺陷，直径１ｍｍ 、深度３ｍｍ 、缺陷底面位置坐标为（０，０，－２８）。
扫查方式：对于扫查方式的设置，可以根据缺陷的位置以及尺寸，设置探头波束沿Ｘ 轴方向的扫描步数为１４步，设置步距０．５ｍｍ ；沿Ｙ轴方向的扫描步数也为１４步，设置步距０．５ｍｍ ，探头贴于螺栓端面中心位置，按设定方式对螺栓进行扫查。通过设置不同的扫查数据来扫查不同尺寸（直径）的螺栓，可完成对螺栓缺陷的全面检测，且步距越小，精确度越高。
３．２ 螺栓缺陷响应的仿真结果
３．２．１ 探头频率对螺栓缺陷响应的影响
Ｘ 方向步进１４步，步距为０．５ｍｍ ；Ｙ 方向步进１４步，步距为０．５ｍｍ ，根据图３ 中仿真结果，将晶片尺寸设置为６ｍｍ ，带宽为５０％ ，探头频率渐大，频率为１ＭＨｚ 时仿真结果如图３所示。
在保持其他有关参数不变的情况下，将探头的频率从１ＭＨｚ调整至７ＭＨｚ，间隔为１ＭＨｚ。 结果表明不同频率的探头都可以检测出缺陷。当设置不同的探头频率时模拟检测出的缺陷中心位置有一定差别。 通过仿真结果中Ａ 扫描结果的幅值能够确定缺陷中心位置坐标，对比结果如表２所示。
由表２和图 ４可以看出，对于试验件侧面裂纹缺陷，不同探头频率下虽然均能检测出缺陷的存在，但仿真检测出的缺陷中心位置与预设的缺陷中心位置差别比较明显，并且随频率变化波动较大，极差能达到２．３ｍｍ ，可知对于螺栓侧面裂纹缺陷的检测不需要太大的频率，控制在 ２ＭＨｚ～３ＭＨｚ 左右时检测效果比较好。
在保持其他有关参数不变的情况下，将晶片的直径尺寸从６ｍｍ 调整至１８ｍｍ ，间隔为２ｍｍ ，结果表明不同尺寸的探头都可以检测出缺陷。 对比Ｂ 扫描图能够非常直观地看出，当设置不同的晶片尺寸时模拟检测出的缺陷信号有一定差别。通过仿真结果中Ａ 扫描结果的幅值能够确定缺陷中心位置坐标，对比结果如图５所示。
由图５ 能够发现，对于试验件侧面裂纹缺陷，不同晶片尺寸下均能检测出缺陷，并且仿真检测出的缺陷中心位置与预设的缺陷中心位置差别较小，而且随频率变化波动较小，极差基本能够保持在０．２ｍｍ 以内，可知晶片尺寸对于螺栓侧面裂纹缺陷的检测影响作用没有频率的影响作用大，一般情况下可直接根据螺栓的尺寸来选择探头晶片尺寸。
本文以航空螺栓为研究对象，运用 ＣＩＶＡ 仿真软件，对螺栓进行声场分布计算及缺陷响应计算。分别从探头频率、晶片尺寸等方面探究对螺栓声场分布及缺陷响应的影响。根据声场分布结果，选取对检测结果影响较大的晶片尺寸和探头频率，进而在缺陷响应仿真检测中继续加以探究。并将仿真结果与实际缺陷预设位置坐标进行距离误差计算，基于对螺栓缺陷定位误差最小的原则，最终得出航空螺栓检测参数的选择依据，为航空螺栓无损检测工艺的制订提供了参考。
5 兹懋的仿真支持
螺栓是各类设备设计中常用的联接件之一，其具有结构简单、拆装方便、调整容易等优点，被广泛应用于航空航天、汽车以及各种工程结构之中。
传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。未对连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细化（如应力集中、应力分布）等进行考虑。
通过有限元法，整体建模、局部细化，可弥补传统力学解析的缺陷。有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。
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［１］缪宏，左敦稳．冲击载荷对飞机起落架螺纹连接的影响
［Ｊ］．振动与冲击，２０１０（２）：２０８－２１１．
［２］艾红，马树润．高强度螺栓的在线超声波检测［Ｊ］．新疆电
［３］帅心容，杨小林．飞机前起落架关键部位超声检测技术的
ＣＩＶＡ仿真［Ｊ］．南昌航空大学学报：自然科学版，２０１６ （１）：１０３－１０８．
作为德国领先紧固技术在中国的代言人，旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备，以及紧固连接全寿命周期的解决方案，并定期举办专业的紧固培训研讨会，深受业内好评。
