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工业CT技术应用介绍及其在再制造中的展望

  • 发布时间:2014/4/25 15:59:53
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   周京,徐滨士,王海斗,邢志国,康嘉杰(山大学机械工程学院,装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室)

 

 摘要:主要介绍了工业CT系统的基本组成部件和影响工业CT检测的关键性能指标,及工业CT在物品检测、地质研究、疲劳裂纹检测、快速成型和逆向工程等实际工程方面的应用情况,展望了工业CT在再制造零部件寿命预测、再制造产品的安全验证和再制造产品的推广前景。

 

 关键词:工业CT 组成 性能

 

 0 引言

 

 工业计算机断层成像(Industrial computed tomography,ICT)是一种依据外部投影数据重建物体内部结构图像的无损检测技术。工业CT可以非接触、非破坏性地检测物体内部结构,得到没有重叠的数字化图像,不仅可以精确地给出物体内部细节的三维位置数据,还可以定量地给出细节的辐射密度数据[1]。工业CT广泛应用在汽车、材料、航天航空、军工、国防等产业领域,为检测航天运载火箭及飞船发动机、大型武器,地质结构的分析,以及机械产品质量的重要手段,有着其他无损检测手段所不具备的重要功能[2,3]

 

 1 工业CT系统主要性能简况

 

 一台工业CT系统大致应包括下列的基本部件:射线源、辐射探测器与准直器、数据采集系统、样品扫描机械系统、计算机系统(软件和硬件)及辅助系统(如辅助电源和辐射安全系统等)等[4,5]。这些部件和系统对一台工业CT系统的性能起着决定性的作用,因为它们直接决定了工业CT可能获得的信息质量。目前评价一台工业CT的主要性能参数包括以下几部分:检测试件的范围,使用的射线源、扫描模式、检测时间分辨能力[6-9]

 

 2 工业CT的典型应用

 

 2.1 物品检测

 

 工业CT非接触、非破坏地检测物体内部结构,得到没有重叠的数字化图像,并且给出细节的辐射密度数据,使其在物品的初检测方面得到了广泛应用。工业CT检测的物品按照材料可分为金属材料、非金属材料和复合材料。金属材料以铸件为例,铸件的复杂性使得一般的无损检测不能直观和高效地对铸件关键部件的孔质缺陷进行检测[10]。CT立体扫描图可以清晰显示结构立体状况,显示出可能会影响结构完整性和牢固性的孔隙或缝隙的存在。图1是某汽车含有缺陷铸件的CT图,可以看出,工业CT可以准确定量地反映出汽车铸件内部的缺陷分布情况。肖永顺等[11]利用大型工业CT系统对摇枕、侧架等机车关键部件内部的气孔、沙眼、夹杂物、缩孔、疏松、冷隔、裂纹等铸造缺陷进行快速有效的检测。综上可以看出工业CT使得工业上很多复杂零件的内部缺陷得到了检测,并且由于工:业CT具有较高的精度,可以有效实现对工业构建微小缺陷的检测和确定。

 

 非金属材料以混凝土为例,混凝土在建筑、桥梁、水利水电、隧道等占有绝对的主导作用,对混凝土结构的检测已成为现代无损检测的新热点。混凝土的常见缺陷有蜂窝、空洞、裂纹、强度不够等。D.Braz等[13]用工业CT成功定位了混凝土试样中的裂纹,弄清了再循环道路加载过程中混凝土的内部结构。在非破坏检测下,通过工业CT比较了在同一载荷下不同混合混凝土裂纹的出现和同一种成分不同载荷下混凝土裂纹的出现。通过获得这些数据与之前获得的关于混凝土方面数据相结合,对以后改进混凝土的加工和制造以增强混凝土的质量有很大的帮助。

 

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图1 某汽车铝合金铸件内部缺陷分布的CT图[12]

 

 复合材料由于具有高比强度、高比模数、低线胀系数、防腐耐蚀等诸多优良性能,已在航空航天、汽车、建筑等领域获得越来越多的广泛应用。复合材料的缺陷主要包括孔隙、分层、夹杂等。以导弹为例,传统的无损检测无法对多密度材料进行直观的检测,而工业CT可以对导弹的内部情况缺陷进行定位与定性描述,精确定位复合材料内部可能存在的不均匀部分,为研究者及工程人员及时做出调整及改良提供一定的图像参考。

 

 2.2 地质研究

 

 CT扫描图像可以用于专业地质学样品科学研究,对样品复杂内部特征实现可视化。Vicente G.Ruiz de Argandona等[14]通过工业CT研究了岩石中氢物质(主要是水)对岩石保持的影响,研究的对象是位于西班牙北方一座城市的历史古迹(建筑用石为侏罗纪时代的岩石)。他们用工业CT对试样进行无损检测,对岩石内部液体的流动和相关的结构运动进行了有效的可视化显示,把试样中协同作用下岩石毛细管中的水含量作为岩石强度定量的评估标准,揭示了岩石毛细管中的水对岩石轻度的重要影响,对以后历史古迹的保护做出了重要的指导作用。盛强等[15]在油田开发工作中应用CT技术的方法,研制出一套“岩心CT三维成像与多相驱替分析系统”,提高了探测油藏储层的地质特征指标的精确度,更直观地认识油层内的微观分布,尤其是在油田发展后期的剩余石油分布和提高采收率的研究上更有使用价值。

 

 2.3 疲劳裂纹检测与研究

 

 据统计,材料破坏的80%为疲劳破坏,特别是随着结构大型化、复杂化和高温、高速的方向发展,对疲劳寿命的研究已成为人们关注的焦点。材料的裂纹行为检测对准确预测材料的疲劳寿命至关重要。许多学者在基于工业CT的图像基础上,从不同方面对裂纹的扩展机理和疲劳寿命预测展开了大量研究。徐夏刚等[16]提出基于图像密度场得疲劳短裂纹扩展检测新方法。他们首先设计短裂纹扩展模型,模拟构建内部疲劳短裂纹的扩展情况,之后在其自行开发的CT仿真系统上扫描含有短裂纹的模型,得到投影图像,并重建出密度场图像,在裂纹扩展过程中,记录下不同时刻的密度场图像,得到密度场随时间演化区域、扩展速度及演化趋势,使构建的短裂纹扩展达到可视化检测与分析。段黎明等[17]通过工业CT得到材料断层的二维灰度图像,以图像的灰度来分辨检测面内部的裂纹的萌生、扩展情况。由图2可以看出,在分析工业CT图像的基础上,将裂纹的萌生、扩展过程分为显微尺度细观裂纹、CT尺度裂纹和宏观裂纹,然后采用不同的裂纹萌生。扩展标准对材料疲劳寿命进行预测,最后相加各阶段的寿命,从而得到材料的疲劳寿命。这种方法与疲劳累积损伤理论法、名义应力法等相比,预测的寿命具有较高的精度。戴斌等[18]根据CT差值图像,由是否出现线状影像判断裂纹的存在,通过变换CT差值图像中像素的阀值范围分析裂纹的分布特点,基于CT物理原理对裂纹区域进行选取和定量化描述,研究了PBX炸药CT图像中裂纹形态在判定方面存在的问题,从理论上分析了含能材料CT图像中受各种添加剂影响使得裂纹是否出现难以确定和裂纹出现后其具体区域也无法确定的问题,为定量描述裂纹形态和位置奠定了基础,通过揭示含能材料损伤破坏的细观机理,为今后进一步利用工业CT进行材料疲劳寿命等相关分析提供一种新的方法。

 

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图2 CT扫描断面裂纹演化仿真模型[16]

 

 2.4 快速成型

 

 试件的快速扫描成型可以在最早阶段无需花费任何生产成本及时发现其结构缺陷。利用CT体积扫描数据组可以转化成STL文件直接输入计算机系统,快速创建具有复杂内部结构的产品模型。这对于制造成本高的产品和运用平面扫描技术无法获取其精细内部结构特征的试件检测具有尤其重要的意义[19-21]。王红亮等[22]研究了利用工业CT切片数据进行快速成型。他们通过处理工业CT图像的方法、判断内外轮廓的方法和插值中间轮廓的方法等,对摩托车气缸头进行了实验研究,并把处理的结果转化为通用层接口(CLI)格式,进行了快速成型,实验结果令人满意。

 

 2.5 逆向工程

 

 传统的产品生产过程是从设计图纸到加工、组装成成品的过程,而逆向工程是针对一个结构未知的产品,通过用工业无损检测设备CT对其进行一系列的断层扫描[23-26]。目前国际、国内在逆向工程应用研究方面大致可分为3种途径:(1)将系列的工业CT断层扫描成像,用自动成型机自动生产成形,得到产品,这种方法对空间形状复杂扭曲的构件使用最为方便,但是只能适用于一种材料的构件;(2)将第一种途径得到的三维立体图像用专业软件进行特征尺寸辨别,获得结构的长、宽、高、直径等特征尺寸,与传统加工工艺接轨,获碍产品,这种方法只适用于材料种类较少的构件;(3)对未知产品进行多方位的断层扫描,获得扫描图像,精确测量产品各零件的特征尺寸、未知尺寸和密度变化,绘制成加工用图纸,然后用现代加工工艺进行加工。由图3可以直观地看出,利用工业CT对整个模型的精确逆向重构。陈慧能等[28]利用工业CT成功获得某火工品的结构的内部装配关系、产品工作原理、结构状况细节、横断面尺寸等,进而做出该结构的测绘图纸,极大地提高了火工品研制过程速度,同时也提高了火工品的安全性和可靠性。

 

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图3  CT可视化模型逆向重构[27]

 

 3 结束语

 

 工业CT的优秀性能使得其在检测、制造以及科学研究领域具有广阔的应用空间,虽然工业CT目前有些缺点,但是相信随着技术的发展和工业CT的深入应用,工业CT设备的技术性能都将得到进一步的发展和完善。同时随着我国再制造的发展,工业CT作为一种先进的检测工具,对被测工件进行可视化检测,且对工件的内部缺陷和结构特征有着较高的检测灵敏度和分辨率,即可以对再制造零件的损伤机理给出较为直观的检测和分析。这对预测再制造零部件的服役寿命,掌握其失效规律,保证再制造产品的服役安全性具有重要的科学意义。同时工业CT对再制造产品的安全验证,为再制造产品的推广和发展以循环经济为基础的资源再生利用产业具有重要的意义[29-31]

 

参考文献

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