摘要：主要介紹了工業(yè)CT系統(tǒng)的基本組成部件和影響工業(yè)CT檢測(cè)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，及工業(yè)CT在物品檢測(cè)、地質(zhì)研究、疲勞裂紋檢測(cè)、快速成型和逆向工程等實(shí)際工程方面的應(yīng)用情況，展望了工業(yè)CT在再制造零部件壽命預(yù)測(cè)、再制造產(chǎn)品的安全驗(yàn)證和再制造產(chǎn)品的推廣前景。

    關(guān)鍵詞：工業(yè)CT 組成 性能

    0 引言

    工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像（Industrial computed tomography，ICT）是一種依據(jù)外部投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。工業(yè)CT可以非接觸、非破壞性地檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，不僅可以精確地給出物體內(nèi)部細(xì)節(jié)的三維位置數(shù)據(jù)，還可以定量地給出細(xì)節(jié)的輻射密度數(shù)據(jù)[1]。工業(yè)CT廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、材料、航天航空、軍工、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，為檢測(cè)航天運(yùn)載火箭及飛船發(fā)動(dòng)機(jī)、大型武器，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析，以及機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，有著其他無(wú)損檢測(cè)手段所不具備的重要功能[2,3]。

    1 工業(yè)CT系統(tǒng)主要性能簡(jiǎn)況

    一臺(tái)工業(yè)CT系統(tǒng)大致應(yīng)包括下列的基本部件：射線源、輻射探測(cè)器與準(zhǔn)直器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、樣品掃描機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（軟件和硬件）及輔助系統(tǒng)（如輔助電源和輻射安全系統(tǒng)等）等[4,5]。這些部件和系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)工業(yè)CT系統(tǒng)的性能起著決定性的作用，因?yàn)樗鼈冎苯記Q定了工業(yè)CT可能獲得的信息質(zhì)量。目前評(píng)價(jià)一臺(tái)工業(yè)CT的主要性能參數(shù)包括以下幾部分：檢測(cè)試件的范圍，使用的射線源、掃描模式、檢測(cè)時(shí)間分辨能力[6-9]。

    2 工業(yè)CT的典型應(yīng)用

    2.1 物品檢測(cè)

    工業(yè)CT非接觸、非破壞地檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，并且給出細(xì)節(jié)的輻射密度數(shù)據(jù)，使其在物品的初檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。工業(yè)CT檢測(cè)的物品按照材料可分為金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料。金屬材料以鑄件為例，鑄件的復(fù)雜性使得一般的無(wú)損檢測(cè)不能直觀和高效地對(duì)鑄件關(guān)鍵部件的孔質(zhì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)[10]。CT立體掃描圖可以清晰顯示結(jié)構(gòu)立體狀況，顯示出可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)完整性和牢固性的孔隙或縫隙的存在。圖1是某汽車(chē)含有缺陷鑄件的CT圖，可以看出，工業(yè)CT可以準(zhǔn)確定量地反映出汽車(chē)鑄件內(nèi)部的缺陷分布情況。肖永順等[11]利用大型工業(yè)CT系統(tǒng)對(duì)搖枕、側(cè)架等機(jī)車(chē)關(guān)鍵部件內(nèi)部的氣孔、沙眼、夾雜物、縮孔、疏松、冷隔、裂紋等鑄造缺陷進(jìn)行快速有效的檢測(cè)。綜上可以看出工業(yè)CT使得工業(yè)上很多復(fù)雜零件的內(nèi)部缺陷得到了檢測(cè)，并且由于工：業(yè)CT具有較高的精度，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)構(gòu)建微小缺陷的檢測(cè)和確定。

    非金屬材料以混凝土為例，混凝土在建筑、橋梁、水利水電、隧道等占有絕對(duì)的主導(dǎo)作用，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)已成為現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)的新熱點(diǎn)?；炷恋某Ｒ?jiàn)缺陷有蜂窩、空洞、裂紋、強(qiáng)度不夠等。D．Braz等[13]用工業(yè)CT成功定位了混凝土試樣中的裂紋，弄清了再循環(huán)道路加載過(guò)程中混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在非破壞檢測(cè)下，通過(guò)工業(yè)CT比較了在同一載荷下不同混合混凝土裂紋的出現(xiàn)和同一種成分不同載荷下混凝土裂紋的出現(xiàn)。通過(guò)獲得這些數(shù)據(jù)與之前獲得的關(guān)于混凝土方面數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)以后改進(jìn)混凝土的加工和制造以增強(qiáng)混凝土的質(zhì)量有很大的幫助。

圖1 某汽車(chē)鋁合金鑄件內(nèi)部缺陷分布的CT圖[12]

     復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比模數(shù)、低線脹系數(shù)、防腐耐蝕等諸多優(yōu)良性能，已在航空航天、汽車(chē)、建筑等領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的缺陷主要包括孔隙、分層、夾雜等。以導(dǎo)彈為例，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)無(wú)法對(duì)多密度材料進(jìn)行直觀的檢測(cè)，而工業(yè)CT可以對(duì)導(dǎo)彈的內(nèi)部情況缺陷進(jìn)行定位與定性描述，精確定位復(fù)合材料內(nèi)部可能存在的不均勻部分，為研究者及工程人員及時(shí)做出調(diào)整及改良提供一定的圖像參考。

     2.2 地質(zhì)研究

     CT掃描圖像可以用于專(zhuān)業(yè)地質(zhì)學(xué)樣品科學(xué)研究，對(duì)樣品復(fù)雜內(nèi)部特征實(shí)現(xiàn)可視化。Vicente G．Ruiz de Argandona等[14]通過(guò)工業(yè)CT研究了巖石中氫物質(zhì)（主要是水）對(duì)巖石保持的影響，研究的對(duì)象是位于西班牙北方一座城市的歷史古跡（建筑用石為侏羅紀(jì)時(shí)代的巖石）。他們用工業(yè)CT對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)巖石內(nèi)部液體的流動(dòng)和相關(guān)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了有效的可視化顯示，把試樣中協(xié)同作用下巖石毛細(xì)管中的水含量作為巖石強(qiáng)度定量的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，揭示了巖石毛細(xì)管中的水對(duì)巖石輕度的重要影響，對(duì)以后歷史古跡的保護(hù)做出了重要的指導(dǎo)作用。盛強(qiáng)等[15]在油田開(kāi)發(fā)工作中應(yīng)用CT技術(shù)的方法，研制出一套“巖心CT三維成像與多相驅(qū)替分析系統(tǒng)”，提高了探測(cè)油藏儲(chǔ)層的地質(zhì)特征指標(biāo)的精確度，更直觀地認(rèn)識(shí)油層內(nèi)的微觀分布，尤其是在油田發(fā)展后期的剩余石油分布和提高采收率的研究上更有使用價(jià)值。

    2.3 疲勞裂紋檢測(cè)與研究

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，材料破壞的80％為疲勞破壞，特別是隨著結(jié)構(gòu)大型化、復(fù)雜化和高溫、高速的方向發(fā)展，對(duì)疲勞壽命的研究已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。材料的裂紋行為檢測(cè)對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命至關(guān)重要。許多學(xué)者在基于工業(yè)CT的圖像基礎(chǔ)上，從不同方面對(duì)裂紋的擴(kuò)展機(jī)理和疲勞壽命預(yù)測(cè)展開(kāi)了大量研究。徐夏剛等[16]提出基于圖像密度場(chǎng)得疲勞短裂紋擴(kuò)展檢測(cè)新方法。他們首先設(shè)計(jì)短裂紋擴(kuò)展模型，模擬構(gòu)建內(nèi)部疲勞短裂紋的擴(kuò)展情況，之后在其自行開(kāi)發(fā)的CT仿真系統(tǒng)上掃描含有短裂紋的模型，得到投影圖像，并重建出密度場(chǎng)圖像，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，記錄下不同時(shí)刻的密度場(chǎng)圖像，得到密度場(chǎng)隨時(shí)間演化區(qū)域、擴(kuò)展速度及演化趨勢(shì)，使構(gòu)建的短裂紋擴(kuò)展達(dá)到可視化檢測(cè)與分析。段黎明等[17]通過(guò)工業(yè)CT得到材料斷層的二維灰度圖像，以圖像的灰度來(lái)分辨檢測(cè)面內(nèi)部的裂紋的萌生、擴(kuò)展情況。由圖2可以看出，在分析工業(yè)CT圖像的基礎(chǔ)上，將裂紋的萌生、擴(kuò)展過(guò)程分為顯微尺度細(xì)觀裂紋、CT尺度裂紋和宏觀裂紋，然后采用不同的裂紋萌生。擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后相加各階段的壽命，從而得到材料的疲勞壽命。這種方法與疲勞累積損傷理論法、名義應(yīng)力法等相比，預(yù)測(cè)的壽命具有較高的精度。戴斌等[18]根據(jù)CT差值圖像，由是否出現(xiàn)線狀影像判斷裂紋的存在，通過(guò)變換CT差值圖像中像素的閥值范圍分析裂紋的分布特點(diǎn)，基于CT物理原理對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行選取和定量化描述，研究了PBX炸藥CT圖像中裂紋形態(tài)在判定方面存在的問(wèn)題，從理論上分析了含能材料CT圖像中受各種添加劑影響使得裂紋是否出現(xiàn)難以確定和裂紋出現(xiàn)后其具體區(qū)域也無(wú)法確定的問(wèn)題，為定量描述裂紋形態(tài)和位置奠定了基礎(chǔ)，通過(guò)揭示含能材料損傷破壞的細(xì)觀機(jī)理，為今后進(jìn)一步利用工業(yè)CT進(jìn)行材料疲勞壽命等相關(guān)分析提供一種新的方法。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖2 CT掃描斷面裂紋演化仿真模型[16]

     2.4 快速成型

     試件的快速掃描成型可以在最早階段無(wú)需花費(fèi)任何生產(chǎn)成本及時(shí)發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)缺陷。利用CT體積掃描數(shù)據(jù)組可以轉(zhuǎn)化成STL文件直接輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，快速創(chuàng)建具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模型。這對(duì)于制造成本高的產(chǎn)品和運(yùn)用平面掃描技術(shù)無(wú)法獲取其精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的試件檢測(cè)具有尤其重要的意義[19-21]。王紅亮等[22]研究了利用工業(yè)CT切片數(shù)據(jù)進(jìn)行快速成型。他們通過(guò)處理工業(yè)CT圖像的方法、判斷內(nèi)外輪廓的方法和插值中間輪廓的方法等，對(duì)摩托車(chē)氣缸頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并把處理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為通用層接口（CLI）格式，進(jìn)行了快速成型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿(mǎn)意。

     2.5 逆向工程

     傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程是從設(shè)計(jì)圖紙到加工、組裝成成品的過(guò)程，而逆向工程是針對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)未知的產(chǎn)品，通過(guò)用工業(yè)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備CT對(duì)其進(jìn)行一系列的斷層掃描[23-26]。目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)在逆向工程應(yīng)用研究方面大致可分為3種途徑：（1）將系列的工業(yè)CT斷層掃描成像，用自動(dòng)成型機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)成形，得到產(chǎn)品，這種方法對(duì)空間形狀復(fù)雜扭曲的構(gòu)件使用最為方便，但是只能適用于一種材料的構(gòu)件；（2）將第一種途徑得到的三維立體圖像用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行特征尺寸辨別，獲得結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高、直徑等特征尺寸，與傳統(tǒng)加工工藝接軌，獲礙產(chǎn)品，這種方法只適用于材料種類(lèi)較少的構(gòu)件；（3）對(duì)未知產(chǎn)品進(jìn)行多方位的斷層掃描，獲得掃描圖像，精確測(cè)量產(chǎn)品各零件的特征尺寸、未知尺寸和密度變化，繪制成加工用圖紙，然后用現(xiàn)代加工工藝進(jìn)行加工。由圖3可以直觀地看出，利用工業(yè)CT對(duì)整個(gè)模型的精確逆向重構(gòu)。陳慧能等[28]利用工業(yè)CT成功獲得某火工品的結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裝配關(guān)系、產(chǎn)品工作原理、結(jié)構(gòu)狀況細(xì)節(jié)、橫斷面尺寸等，進(jìn)而做出該結(jié)構(gòu)的測(cè)繪圖紙，極大地提高了火工品研制過(guò)程速度，同時(shí)也提高了火工品的安全性和可靠性。

圖3  CT可視化模型逆向重構(gòu)[27]

     3 結(jié)束語(yǔ)

     工業(yè)CT的優(yōu)秀性能使得其在檢測(cè)、制造以及科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間，雖然工業(yè)CT目前有些缺點(diǎn)，但是相信隨著技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)CT的深入應(yīng)用，工業(yè)CT設(shè)備的技術(shù)性能都將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。同時(shí)隨著我國(guó)再制造的發(fā)展，工業(yè)CT作為一種先進(jìn)的檢測(cè)工具，對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行可視化檢測(cè)，且對(duì)工件的內(nèi)部缺陷和結(jié)構(gòu)特征有著較高的檢測(cè)靈敏度和分辨率，即可以對(duì)再制造零件的損傷機(jī)理給出較為直觀的檢測(cè)和分析。這對(duì)預(yù)測(cè)再制造零部件的服役壽命，掌握其失效規(guī)律，保證再制造產(chǎn)品的服役安全性具有重要的科學(xué)意義。同時(shí)工業(yè)CT對(duì)再制造產(chǎn)品的安全驗(yàn)證，為再制造產(chǎn)品的推廣和發(fā)展以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)的資源再生利用產(chǎn)業(yè)具有重要的意義[29-31]。

    作者： 周京，徐濱士，王海斗，邢志國(guó)，康嘉杰（山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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