摘要：主要介紹了工業(ye) CT係統的基本組成部件和影響工業(ye) CT檢測的關(guan) 鍵性能指標，及工業(ye) CT在物品檢測、地質研究、疲勞裂紋檢測、快速成型和逆向工程等實際工程方麵的應用情況，展望了工業(ye) CT在再製造零部件壽命預測、再製造產(chan) 品的安全驗證和再製造產(chan) 品的推廣前景。

    關(guan) 鍵詞：工業(ye) CT 組成 性能

    0 引言

    工業(ye) 計算機斷層成像（Industrial computed tomography，ICT）是一種依據外部投影數據重建物體(ti) 內(nei) 部結構圖像的無損檢測技術。工業(ye) CT可以非接觸、非破壞性地檢測物體(ti) 內(nei) 部結構，得到沒有重疊的數字化圖像，不僅(jin) 可以精確地給出物體(ti) 內(nei) 部細節的三維位置數據，還可以定量地給出細節的輻射密度數據[1]。工業(ye) CT廣泛應用在汽車、材料、航天航空、軍(jun) 工、國防等產(chan) 業(ye) 領域，為(wei) 檢測航天運載火箭及飛船發動機、大型武器，地質結構的分析，以及機械產(chan) 品質量的重要手段，有著其他無損檢測手段所不具備的重要功能[2,3]。

    1 工業(ye) CT係統主要性能簡況

    一台工業(ye) CT係統大致應包括下列的基本部件：射線源、輻射探測器與(yu) 準直器、數據采集係統、樣品掃描機械係統、計算機係統（軟件和硬件）及輔助係統（如輔助電源和輻射安全係統等）等[4,5]。這些部件和係統對一台工業(ye) CT係統的性能起著決(jue) 定性的作用，因為(wei) 它們(men) 直接決(jue) 定了工業(ye) CT可能獲得的信息質量。目前評價(jia) 一台工業(ye) CT的主要性能參數包括以下幾部分：檢測試件的範圍，使用的射線源、掃描模式、檢測時間分辨能力[6-9]。

    2 工業(ye) CT的典型應用

    2.1 物品檢測

    工業(ye) CT非接觸、非破壞地檢測物體(ti) 內(nei) 部結構，得到沒有重疊的數字化圖像，並且給出細節的輻射密度數據，使其在物品的初檢測方麵得到了廣泛應用。工業(ye) CT檢測的物品按照材料可分為(wei) 金屬材料、非金屬材料和複合材料。金屬材料以鑄件為(wei) 例，鑄件的複雜性使得一般的無損檢測不能直觀和高效地對鑄件關(guan) 鍵部件的孔質缺陷進行檢測[10]。CT立體(ti) 掃描圖可以清晰顯示結構立體(ti) 狀況，顯示出可能會(hui) 影響結構完整性和牢固性的孔隙或縫隙的存在。圖1是某汽車含有缺陷鑄件的CT圖，可以看出，工業(ye) CT可以準確定量地反映出汽車鑄件內(nei) 部的缺陷分布情況。肖永順等[11]利用大型工業(ye) CT係統對搖枕、側(ce) 架等機車關(guan) 鍵部件內(nei) 部的氣孔、沙眼、夾雜物、縮孔、疏鬆、冷隔、裂紋等鑄造缺陷進行快速有效的檢測。綜上可以看出工業(ye) CT使得工業(ye) 上很多複雜零件的內(nei) 部缺陷得到了檢測，並且由於(yu) 工：業(ye) CT具有較高的精度，可以有效實現對工業(ye) 構建微小缺陷的檢測和確定。

    非金屬材料以混凝土為(wei) 例，混凝土在建築、橋梁、水利水電、隧道等占有絕對的主導作用，對混凝土結構的檢測已成為(wei) 現代無損檢測的新熱點。混凝土的常見缺陷有蜂窩、空洞、裂紋、強度不夠等。D．Braz等[13]用工業(ye) CT成功定位了混凝土試樣中的裂紋，弄清了再循環道路加載過程中混凝土的內(nei) 部結構。在非破壞檢測下，通過工業(ye) CT比較了在同一載荷下不同混合混凝土裂紋的出現和同一種成分不同載荷下混凝土裂紋的出現。通過獲得這些數據與(yu) 之前獲得的關(guan) 於(yu) 混凝土方麵數據相結合，對以後改進混凝土的加工和製造以增強混凝土的質量有很大的幫助。

圖1 某汽車鋁合金鑄件內(nei) 部缺陷分布的CT圖[12]

     複合材料由於(yu) 具有高比強度、高比模數、低線脹係數、防腐耐蝕等諸多優(you) 良性能，已在航空航天、汽車、建築等領域獲得越來越多的廣泛應用。複合材料的缺陷主要包括孔隙、分層、夾雜等。以導彈為(wei) 例，傳(chuan) 統的無損檢測無法對多密度材料進行直觀的檢測，而工業(ye) CT可以對導彈的內(nei) 部情況缺陷進行定位與(yu) 定性描述，精確定位複合材料內(nei) 部可能存在的不均勻部分，為(wei) 研究者及工程人員及時做出調整及改良提供一定的圖像參考。

     2.2 地質研究

     CT掃描圖像可以用於(yu) 專(zhuan) 業(ye) 地質學樣品科學研究，對樣品複雜內(nei) 部特征實現可視化。Vicente G．Ruiz de Argandona等[14]通過工業(ye) CT研究了岩石中氫物質（主要是水）對岩石保持的影響，研究的對象是位於(yu) 西班牙北方一座城市的曆史古跡（建築用石為(wei) 侏羅紀時代的岩石）。他們(men) 用工業(ye) CT對試樣進行無損檢測，對岩石內(nei) 部液體(ti) 的流動和相關(guan) 的結構運動進行了有效的可視化顯示，把試樣中協同作用下岩石毛細管中的水含量作為(wei) 岩石強度定量的評估標準，揭示了岩石毛細管中的水對岩石輕度的重要影響，對以後曆史古跡的保護做出了重要的指導作用。盛強等[15]在油田開發工作中應用CT技術的方法，研製出一套“岩心CT三維成像與(yu) 多相驅替分析係統”，提高了探測油藏儲(chu) 層的地質特征指標的精確度，更直觀地認識油層內(nei) 的微觀分布，尤其是在油田發展後期的剩餘(yu) 石油分布和提高采收率的研究上更有使用價(jia) 值。

    2.3 疲勞裂紋檢測與(yu) 研究

    據統計，材料破壞的80％為(wei) 疲勞破壞，特別是隨著結構大型化、複雜化和高溫、高速的方向發展，對疲勞壽命的研究已成為(wei) 人們(men) 關(guan) 注的焦點。材料的裂紋行為(wei) 檢測對準確預測材料的疲勞壽命至關(guan) 重要。許多學者在基於(yu) 工業(ye) CT的圖像基礎上，從(cong) 不同方麵對裂紋的擴展機理和疲勞壽命預測展開了大量研究。徐夏剛等[16]提出基於(yu) 圖像密度場得疲勞短裂紋擴展檢測新方法。他們(men) 首先設計短裂紋擴展模型，模擬構建內(nei) 部疲勞短裂紋的擴展情況，之後在其自行開發的CT仿真係統上掃描含有短裂紋的模型，得到投影圖像，並重建出密度場圖像，在裂紋擴展過程中，記錄下不同時刻的密度場圖像，得到密度場隨時間演化區域、擴展速度及演化趨勢，使構建的短裂紋擴展達到可視化檢測與(yu) 分析。段黎明等[17]通過工業(ye) CT得到材料斷層的二維灰度圖像，以圖像的灰度來分辨檢測麵內(nei) 部的裂紋的萌生、擴展情況。由圖2可以看出，在分析工業(ye) CT圖像的基礎上，將裂紋的萌生、擴展過程分為(wei) 顯微尺度細觀裂紋、CT尺度裂紋和宏觀裂紋，然後采用不同的裂紋萌生。擴展標準對材料疲勞壽命進行預測，最後相加各階段的壽命，從(cong) 而得到材料的疲勞壽命。這種方法與(yu) 疲勞累積損傷(shang) 理論法、名義(yi) 應力法等相比，預測的壽命具有較高的精度。戴斌等[18]根據CT差值圖像，由是否出現線狀影像判斷裂紋的存在，通過變換CT差值圖像中像素的閥值範圍分析裂紋的分布特點，基於(yu) CT物理原理對裂紋區域進行選取和定量化描述，研究了PBX炸藥CT圖像中裂紋形態在判定方麵存在的問題，從(cong) 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難以確定和裂紋出現後其具體(ti) 區域也無法確定的問題，為(wei) 定量描述裂紋形態和位置奠定了基礎，通過揭示含能材料損傷(shang) 破壞的細觀機理，為(wei) 今後進一步利用工業(ye) CT進行材料疲勞壽命等相關(guan) 分析提供一種新的方法。#p#分頁標題#e#

圖2 CT掃描斷麵裂紋演化仿真模型[16]

     2.4 快速成型

     試件的快速掃描成型可以在最早階段無需花費任何生產(chan) 成本及時發現其結構缺陷。利用CT體(ti) 積掃描數據組可以轉化成STL文件直接輸入計算機係統，快速創建具有複雜內(nei) 部結構的產(chan) 品模型。這對於(yu) 製造成本高的產(chan) 品和運用平麵掃描技術無法獲取其精細內(nei) 部結構特征的試件檢測具有尤其重要的意義(yi) [19-21]。王紅亮等[22]研究了利用工業(ye) CT切片數據進行快速成型。他們(men) 通過處理工業(ye) CT圖像的方法、判斷內(nei) 外輪廓的方法和插值中間輪廓的方法等，對摩托車氣缸頭進行了實驗研究，並把處理的結果轉化為(wei) 通用層接口（CLI）格式，進行了快速成型，實驗結果令人滿意。

     2.5 逆向工程

     傳(chuan) 統的產(chan) 品生產(chan) 過程是從(cong) 設計圖紙到加工、組裝成成品的過程，而逆向工程是針對一個(ge) 結構未知的產(chan) 品，通過用工業(ye) 無損檢測設備CT對其進行一係列的斷層掃描[23-26]。目前國際、國內(nei) 在逆向工程應用研究方麵大致可分為(wei) 3種途徑：（1）將係列的工業(ye) CT斷層掃描成像，用自動成型機自動生產(chan) 成形，得到產(chan) 品，這種方法對空間形狀複雜扭曲的構件使用最為(wei) 方便，但是隻能適用於(yu) 一種材料的構件；（2）將第一種途徑得到的三維立體(ti) 圖像用專(zhuan) 業(ye) 軟件進行特征尺寸辨別，獲得結構的長、寬、高、直徑等特征尺寸，與(yu) 傳(chuan) 統加工工藝接軌，獲礙產(chan) 品，這種方法隻適用於(yu) 材料種類較少的構件；（3）對未知產(chan) 品進行多方位的斷層掃描，獲得掃描圖像，精確測量產(chan) 品各零件的特征尺寸、未知尺寸和密度變化，繪製成加工用圖紙，然後用現代加工工藝進行加工。由圖3可以直觀地看出，利用工業(ye) CT對整個(ge) 模型的精確逆向重構。陳慧能等[28]利用工業(ye) CT成功獲得某火工品的結構的內(nei) 部裝配關(guan) 係、產(chan) 品工作原理、結構狀況細節、橫斷麵尺寸等，進而做出該結構的測繪圖紙，極大地提高了火工品研製過程速度，同時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[27]

     3 結束語

     工業(ye) CT的優(you) 秀性能使得其在檢測、製造以及科學研究領域具有廣闊的應用空間，雖然工業(ye) CT目前有些缺點，但是相信隨著技術的發展和工業(ye) CT的深入應用，工業(ye) CT設備的技術性能都將得到進一步的發展和完善。同時隨著我國再製造的發展，工業(ye) CT作為(wei) 一種先進的檢測工具，對被測工件進行可視化檢測，且對工件的內(nei) 部缺陷和結構特征有著較高的檢測靈敏度和分辨率，即可以對再製造零件的損傷(shang) 機理給出較為(wei) 直觀的檢測和分析。這對預測再製造零部件的服役壽命，掌握其失效規律，保證再製造產(chan) 品的服役安全性具有重要的科學意義(yi) 。同時工業(ye) CT對再製造產(chan) 品的安全驗證，為(wei) 再製造產(chan) 品的推廣和發展以循環經濟為(wei) 基礎的資源再生利用產(chan) 業(ye) 具有重要的意義(yi) [29-31]。

    作者： 周京，徐濱士，王海鬥，邢誌國，康嘉傑（山大學機械工程學院，裝甲兵工程學院裝備再製造技術國防科技重點實驗室）

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