Документ описывает использование программного обеспечения CIVA для математического моделирования и аттестации методик ультразвукового контроля. Рассматриваются подходы к аттестации, методы моделирования и основные требования к образцам, а также важные параметры контроля, влияющие на эффективность выявления дефектов. Подчеркивается необходимость создания надежных математических моделей на основе физических принципов для повышения достоверности и точности контроля.

1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ C
ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ
CIVA
ДЛЯ РАЗРАБОТКИ И АТТЕСТАЦИИ
МЕТОДИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО
КОНТРОЛЯ
Бадалян В.Г., Базулин А.Е., Базулин Е.Г., Самарин П.Ф.,
Тихонов Д.С.
ООО «НПЦ «ЭХО+», Россия, Москва
XXI Петербургская конференция «Ультразвуковая дефектоскопия
металлоконструкций» УЗДМ-2013. 29.05.2013.

2. 20
40
60
80
100
0
5
10
15
20
25
Числодефектов
Длина дефекта, мм
Распределение по длине дефектов в заварках
На образцах должна быть реализована наихудшая
дефектная ситуация
+
Два подхода к аттестации методик: прямое и косвенное
подтверждение выявляющей способности
2
Методология ENIQ
сочетание практических испытаний и
технического подтверждения
Методология PDI
демонстрация работоспособности методики на
представительной выборке дефектов
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
0 2 4 6 8 10 12 14
Высота дефекта
PoD
ОБРАЗЦЫ +Р.Т.О.

3. Лучший подход – это реальные объекты с реальными трещинами,
Обычно – искусственные объекты (испытательные образцы) или комбинация реальных и
искусственных объектов
Основные требования к дефектам в образце (для построения кривой POD)
Представительность выборки (95% ДИ): 29 дефектов одного типа и размера в одной
области положения. Для построения кривой POD необходимо хотя бы 4 точки разного
размера. Добавим два типа дефектов и две области положения получаем 29*4*2*2 = 464.
Минимально – это 10 полноразмерных образцов содержащие 40-50 дефектов.
Большинство дефектов должно располагаться в зоне быстрого роста кривой POD (оптимально 50-
60% чтобы сделать выводы или распределение размеров дефектов - линейное на логарифмической шкале).
NONDESTRUCTIVE EVALUATION SYSTEM RELIABILITY ASSESSMENT. USA
MIL-HDBK-1823, 30 April 1999
Определение погрешности измерений и воспроизводимости результатов контроля
накладывает дополнительные требования к дефектам
3
Основные требования к образцам при
реализации подхода PDI

4. МЕТОД КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ в пространственно-временной области
Программа UMASIS
Программа UMASIS разработана в Нидерландах в фирме «TNO Science and Industry». Название программы UMASIS происходит
от сочетания следующих английских слов Ultrasonic Modeling and AnalySIS.
Wave2000
Программные пакеты Wave2000 [] фирмы CyberLogic, США используются для моделирования процессов распространения ультразвука в
неразрушающем контроле.
МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (в основном для задач СОПРОМАТа)
Программа COMSOL
С помощью пакета COMSOL Multiphysics [, ] разработки одноимённой фирмы из Соединённых Штатов можно моделировать
практически все физические процессы, которые описываются дифференциальными уравнениями в частных производных (ДУЧП),
и решаются МКЭ.
в механике: NX NASTRAN, ASKA
в акустике Wave2500 и Wave3000 (фирма CyberLogic, США)
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ
Программа ANSYS
В последнее время особенно широко используется программа ANSYS, разработки одноимённой фирмы из Соединённых
Штатов.
Программа SIMULIA/Abaqus
программный комплекс в области конечно-элементных прочностных расчетов, с помощью которого можно получать точные и
достоверные решения для самых сложных линейных и нелинейных инженерных проблем. Семейство продуктов Abaqus
разрабатывается и поддерживается компанией Abaqus, Inc. (USA) с 1978 года.
ЛУЧЕВОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ
CIVA (French Atomic Energy Commission, Франция)
I3D (фирмаUTEX Scientific Instruments Inc., Канада)
UTSIM (Center for Nondestructive Evaluation of Iowa State University, США)
simSUNDT (Swedish Simulation Centre for NDT, Швеция)
BAM (BAM, Германия)
4
Существующие в мире средства моделирования,
подходящие для УЗК

5. Физические основы численной модели
модель должна быть основана на надежных физических принципах,
таких, как волновое уравнение для упругой среды.
возможно использование приближенных моделей:
Теория Кирхгофа,
Геометрическая теория дифракции,
методы Конечных разностей, Конечных элементов и Граничных
элементов.
физические принципы и приближения, лежащие в основе модели
должны быть увязаны, с соответствующими материалами объекта.
(ENIQ RECOMMENDED PRACTICE 6:THE USE OF MODELLING IN INSPECTION QUALIFICATION.
December 1999 ENIQ Report nr. 15 EUR 19017 EN)
ЦЕЛИ применения моделирования
Подтверждение выполнения требований технического задания. При
этом обеспечивается:
расширение доказательной базы.
возможности получения количественных оценок достоверности контроля.
снижение стоимости испытаний.
Пополнение и обобщение результатов практических испытаний.
Подтверждение правильности выбора основных параметров методики
УЗК.
Сравнительные испытания методик ультразвукового контроля.
5
Рекомендации ENIQ для использования
моделирования при обосновании свойств методик УЗК

6. 6
МОДЕЛИРОВАНИЕ УЗК
CIVA 10.1
Преобразователи
Компоненты: файлы 2D-CAD,
3D-CAD
Материалы
Антенные решётки
Различные законы
фокусировки
Дефекты
Примеры моделированияПараметры контроля

7. 7
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ,
РЕАЛИЗОВАННЫЕ В CIVA
Для расчёта акустических полей преобразователей и антенных решёток
используется теория лучевых трубок, которая описывает
распространение звука в скалярном приближении
Для расчёта взаимодействия акустических полей с дефектами
применяются:
Теория дифракции Кирхгофа
[дифракция на плоском полуэллиптическом и прямоугольном дефектах, на
отверстиях бокового сверления, плоскодонном и полусферическим
отверстиях],
Геометрическая теория дифракции
[для описания процесса дифракции на краях трещин],
Модифицированное Борновское приближение
[дифракция на твердых включениях в упругой матрице],
Метод разделения переменных
[более точное описания процесса дифракции на отв. бокового сверления].

8. 8
Области верификации CIVA
CIVA
Корректность описания программой CIVA
акустических полей ПЭП И АР
Корректность описания программой CIVA
взаимодействия акустических волн с
неоднородностями
Корректность описания программой CIVA
влияния условий контроля на его
результаты

9. 9
Поля ПЭП – одноэлементных и ФР
Акустическое поле фокусирующего излучателя:
слева – двумерное представление акустического
поля;
справа вверху – амплитуда поля на оси излучателя
(см.);
справа внизу – амплитуда акустического поля с
фокальной области.
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
-8 -3 2 7
Амплитуда,дБ
Угол, град.
Равно
мерно
е
Косину
с на
пьедес
тале
Параб
ола на
пьедес
тале
Диаграммы направленности линейной
16-элементной ФАР с
- Равномерным распределением возбуждения
элементов,
- «косинус на пьедестале
- парабола на пьедестале

10. 10
Корректность описания программой CIVA
взаимодействия акустических волн с неоднородностям
(качественное описание)
Изображение В – типа эхо-сигналов, связанных с пазом в
тест-образце. Слева – изображение получено по
результатам эксперимента, справа – по результатам
расчетов CIVA
/ пунктир – продольные волны, сплошная – сдвиговые/

11. 11
Прямое сопоставление эксперимента и моделирования

12. 12
Прямое сопоставление эксперимента и моделирования
Эксперимент Моделирование на CIVA
Изображение В-типа эхосигналов от отверстий бокового
сверления в стандартном образце СО-1

13. 13
НТЦ ЯРБ и Ростехнадзор

14. 1. Выявление дефектов в заданной области контроля
2. Моделирование наихудшей дефектной ситуации
3. Выявление предполагаемых дефектов, подтверждение
выбранного уровня чувствительности, интерполяция
поведения методики при пробеле между
экспериментальными данными
4. Оценка влияния анизотропии и неоднородности
материала объекта контроля
5. Оценка достоверности контроля
6. Оценка работоспособности методики в заданной
области изменения параметров контроля
7. Оценка погрешности измерения размеров и положения
дефектов
8. Оценка разрешающей способности
14
Основные задачи моделирования для разработки
и аттестации методик УЗК

15. ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНТРОЛЯ
Группу входных параметров составляют
параметры, определяющие основные задачи
НК, описывающие объект и область контроля, условия
проведения контроля, а также параметры выявляемых
несплошностей. Требуемый по методике диапазон их
изменения должен обеспечиваться ПС. К группе
входных параметров относятся:
акустические свойства объекта контроля
(скорость, звука, затухание УЗ волн, структура
металла в области контроля);
геометрия и особенности конструкции объекта
контроля (точное задание конструкции, условий
доступа преобразователей, валики усиления
сварных соединений, наличие наплавки из другого
материала);
параметры несплошностей (их тип и размеры) и их
местоположение в заданной области контроля.
15
Существенные параметры контроля
ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ УЗК
Группа параметров системы УЗК включает
методические и аппаратные параметры системы
контроля. Аппаратные параметры включают в
себя параметры аппаратуры, предназначенной
для использования по методике контроля. Для
моделирования используются методические
параметры в соответствии с испытываемой
методикой контроля. К группе параметров
системы УЗК относятся:
параметры аппаратуры;
типы используемых акустических волн
(продольные, сдвиговые, поверхностные, головн
ые и т.д. или их комбинации);
рабочая частота, длительность и форма
излучённого импульса;
углы ввода УЗ волн и другие параметры
диаграммы направленности преобразователей;
размеры и тип акустического преобразователя и
т. п.;
используемые при контроле акустические схемы.
Для каждой задачи моделирования
из двух групп методики контроля необходимо определить
существенные параметры контроля

16. расчётные параметры: типы дефектов, размер минимально выявляемого
дефекта, ориентация дефектов, шаг изменения ориентации дефектов.
отчётные материалы: таблицы или графики зависимости вероятности выявления
от места расположения дефекта в области контроля.
критерии: способность к выявлению дефектов заданных минимальных размеров
во всей области контроля. 16
Выявление дефектов в заданной области контроля

17. 17
Выявление дефектов в заданной области контроля
Эталонные отражатели в СС Ду1200 Выявление эталонного паза на фоне язвы

18. 18
Оценка изменения амплитуды эхо-сигналов во всей
области контроля

19. расчётные параметры: определение наихудшей дефектной ситуации как набора
влияющих параметров с диапазоном и шагом их изменения;
отчётные материалы: выходные параметры (например, А-сканы, изображения
дефектов) с указанием их значений, подтверждающих факт выявления или
пропуска дефектов, и/или графики (таблицы) зависимости вероятности выявления
дефектов от значений изменяемых параметров;
критерии: способность выявлять дефекты в наихудшей дефектной ситуации
(например, с заданной вероятностью выявления).
19
Моделирование наихудшей дефектной ситуации

20. расчётные параметры: перечень предполагаемых дефектов, диапазон и шаги изменения из
размеров, области расположения дефектов, параметры испытательного образца с опорным
дефектом для определения уровня предельной чувствительности;
отчётные материалы: графики зависимости выбранного выходного параметра
(например, амплитуды эхо-сигналов или максимального значения В-изображения дефектов) от
размеров дефекта с указанием уровня выходного параметра от опорного дефекта и/или
уровня предельной чувствительности;
критерии: выявление дефектов при заданных критериях.
20
Выявление дефектов, подтверждение уровня
чувствительности, интерполяция поведения методики
32
элемента,
5 МГц
16
элементов,
2,5 МГц
16
элементов
, 5 МГц
ПДО
эквивалентн
ого пазу 10x2
3,5 2,3 3,2
Δ
БО 3 мм
ПАЗ 10x2 дБ
4 7 1
Таблица – Результаты моделирования

21. расчётные параметры: параметры объекта контроля, параметры анизотропии, уровень и
способ задания структурных шумов, параметры минимально выявляемого дефекта и
координаты областей его размещения;
отчётные материалы: погрешность определения координат дефекта в различных частях
области контроля, выявляемость дефектов в различных областях контроля;
критерии: соответствие погрешности определения координат дефектов, возможность
выявления дефектов.
21
Влияние анизотропии и неоднородности материала
объекта контроля

22. расчётные параметры: параметры объекта контроля, параметры анизотропии, уровень и
способ задания структурных шумов, параметры минимально выявляемого дефекта и
координаты областей его размещения;
отчётные материалы: погрешность определения координат дефекта в различных частях
области контроля, выявляемость дефектов в различных областях контроля;
критерии: соответствие погрешности определения координат дефектов, возможность
выявления дефектов.
22
Влияние анизотропии и неоднородности материала
объекта контроля

23. расчётные параметры: параметры объекта контроля, набор влияющих
параметров (области контроля, ориентация дефекта и т.д.), диапазон и шаг их
изменения, тип дефекта, изменяемый размер аi и интервалы его изменения (по
5.4.6.1, 5.4.6.2);
отчётные материалы: кривые PoD(а) или значения PoD для выбранных
размеров дефектов (например, минимально и максимально возможного);
критерии: соответствие требованиям вероятности выявления дефектов данных
размеров.
23
Оценка достоверности контроля
Кривая POD и данные Да/Нет
Пример расчета POD кривой для трещин под
наплавкой корпуса реактора ВВЭР-1000 при
вариации угла наклона трещины и при изменении
порогового уровня чувствительности.

24. Создать модель объекта контроля и модель дефекта заданного
типа, размеров, локализации в объекте контроля;
Для дефекта фиксированного размера ai изменять в заданном
диапазоне заданные влияющие параметры (например, угол
наклона дефекта, угол ввода УЗ пучка, шаг сканирования
преобразователя, стабильность акустического контакта и т. д.);
Пользуясь установленными критериями браковки, определить по
формуле (1) точечные значения PoD(аi) для всего набора
изменяемых влияющих параметров;
Изменить значение а и определить очередное PoD(аi+1)
аналогичным образом. Повторить расчёт величины PoD для всего
установленного интервала значений размера а.
Построить кривую PoD(а) в соответствии с рекомендациями
приложения В РД МОБР или другими обоснованными
рекомендациями и построить нижний односторонний уровень
доверительной вероятности для кривой PoD.
24
Алгоритм построения кривой POD

25. С использованием CIVA получены кривые POD для …..
25
Пример построения кривой POD выявления поперечных
дефектов в СС Ду300 по технологии АУЗК АВГУР

26. расчётные параметры: набор проверяемых параметров контроля, значения этих
параметров, сочетания изменений различных параметров контроля. Необходимо
учитывать, что по умолчанию остальным параметрам контроля должны быть присвоены
номинальные значения;
отчётные материалы: выходные параметры для различных сочетаний изменяемых
параметров контроля;
критерии: соответствующие изменения выходных параметров не должны приводить к
изменениям результатов контроля.
26
Оценка работоспособности методики в заданной
области изменения параметров контроля
Амплитуда в точке 1 Амплитуда в точке 2
40 дБ 40 дБ
Амплитуда в точке 1 Амплитуда в точке 2
39 дБ 53 дБ

27. 27
Влияние конусной проточки на
результаты контроля
• Отражающая способность конусной
проточки с углом 12° на 20 - 21 дБ
меньше отражающей способности
эталонного отражателя (паз 2 мм х10
мм);
• Отражающая способность конусной
проточки с углом 50° на 3-4 дБ больше
отражающей способности эталонного
отражателя;
• при увеличении угла проточки
отражающая способность
конструктивного отражателя
возрастает

28. расчётные параметры: изменяемые параметры дефекта, другие влияющие
параметры контроля, диапазон и шаг изменения значений выбранных
параметров;
отчётные материалы: значения погрешности в доверительном интервале;
критерии: полученные значения погрешностей не превышают
установленных в ТЗ значений. 28
Оценка погрешности измерения размеров и положения
дефектовDefect Experiment CIVA ATHENA Hybrid
Corner echo
Right
branch
echo
x
t
Left diffraction
x
t Corner echo
Left
diffraction
Right
branch
echo
Corner echo
Left
diffraction
x
t
Right
branch
echo
Corner echo
x
t
Left
diffraction Right
branch
echo
Corner echo
Tip diffraction
x
t
Left
diffraction
Interbranch
echo
x
t Corner echo
Tip
diffraction
Left
diffraction
Interbranch
echo
5.5 dB
11.5 dB
-9 dB
simulation
depth
scannin
g
Reference : 2mm side drilled hole
scannin
g
depth
7 dB
12 dB
-9 dB
acquisition

29. расчётные параметры: области контроля и другие влияющие на разрешающую способность
параметры, диапазон и шаг изменения значений выбранных параметров, способ задания
точечного дефекта (тип, размер например, цилиндрическое отверстие или плоскодонный
отражатель диаметрами не более длины волны на основной частоте преобразователя);
отчётные материалы: изображения точечного дефекта для различных расчетных
параметров, таблица значений разрешающей способности для всех значений влияющих
параметров;
критерии: соответствие полученных значений разрешающей способности установленным в ТЗ
значениям.
29
Оценка разрешающей способности

30. Выходные параметры
Рекомендации к
сопоставлению
Значение
параметра (в
диапазоне 2÷5,
где 2 – плохо,
5 – отлично)
Весовые
коэффициент
ы (в
диапазоне
0÷1)
Разрешающая способность
(лучевая, фронтальная) или
погрешность измерения
размеров дефекта
Чем меньше
разрешающая
способность, тем лучше.
Чем меньше погрешность
измерения, тем лучше
A1 K1
Амплитуда ложных сигналов
(трансформация типа волны,
реверберационные сигналы,
геометрические отражатели)
Определяется максимум
отношения «амплитуда
сигнала»/амплитуда
ложного сигнала»
A2 K2
Пространственно-временное
положение сигналов
Полезный эхо-сигнал
различается на фоне
ложного сигнала (по
критерию Рэлея)
A3 K3
Отношение сигнал/шум или
предельная чувствительность
Уровень сигнала в области
залегания дефекта
A4 K4
Область контроля
Определяется
процентным отношением
области с достоверным
выявлением дефектов ко
всей области контроля
A5 K5
30
Сравнительный анализ методик УЗК (2)
КАЧЕСТВО =
Сопоставление нескольких
методик УЗК выполняется по
отдельно разработанным
программам и методикам
сравнительных испытаний
(ПМСИ). В ПМСИ должен быть
установлен перечень
сопоставляемых выходных
параметров методик, а также
значения расчётных
параметров для
моделирования выходных
параметров каждой методики.
Входные параметры контроля
устанавливаются одинаковыми
для всех сравниваемых
методик, а параметры системы
УЗК должны соответствовать
методикам УЗК.

31. ПС CIVA может использоваться для решения
большого количества задач
разработки, аттестации и сравнительного
испытания методик УЗК.
ПС CIVA 10.0 верифицирована по требованиям
РД–03–17–2001 (Ростехнадзор) и получила
верификационный паспорт для применения в
атомной энергетике.
31
ВЫВОДЫ

32. Спасибо за внимание!
ООО НПЦ «ЭХО+»
http://www.echoplus.ru
echo@echoplus.ru
32