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        醫(yī)用X光機C形臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

        2016-10-20 11:36:21齊亞磊張昆侖楊連花
        裝備制造技術(shù) 2016年8期
        關(guān)鍵詞:形臂球管X光

        齊亞磊,張昆侖,楊連花

        (長安大學(xué)工程機械學(xué)院,陜西西安710064)

        醫(yī)用X光機C形臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

        齊亞磊,張昆侖,楊連花

        (長安大學(xué)工程機械學(xué)院,陜西西安710064)

        醫(yī)用X光機的C形臂兩端裝有影像增強器和球管發(fā)射器,另外在使用的過程中也會有旋轉(zhuǎn),滑動等運動,這樣就引起了C形臂在每個工作位置的時候的重心位置有所不同,即對C形臂的結(jié)構(gòu)有著較高的要求,因此對C形臂做有限元分析和優(yōu)化設(shè)計是非常必要的,利用Solidworks進行建模與有限元靜力學(xué)分析各個工作位置,對C形臂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,達到滿足較高強度,重量輕,結(jié)構(gòu)簡化的目的。

        X光機;C形臂;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計

        國內(nèi)外X光機診斷定位設(shè)備,其X射線球管和影像增強管有很多種結(jié)構(gòu)布局形式。根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)和臨床治療的需要,從醫(yī)學(xué)角度分析C形臂兩端裝X射線球管和影像增強管的方式,有利于醫(yī)生手術(shù)的實施,實踐證明,使用C形臂的X射線診斷設(shè)備具有靈活性好,精度高,速度快,掃描范圍廣等特點[1]。但是,醫(yī)療用C形臂X光機,由于C臂上下兩端裝有比較重的影像增強器和球管發(fā)射器,因此對C臂的結(jié)構(gòu)強度等有較高的要求,另外由于各個工況的偏心位置不同且離支撐點較遠,因此,整機所承受的偏矩很大。因此對C形臂做有限元分析和優(yōu)化設(shè)計是非常必要的。本文利用Solidworks進行建模與有限元靜力學(xué)分析各個工作位置,對C形臂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,達到滿足較高強度,重量輕,結(jié)構(gòu)簡化的目的。

        1 C臂的結(jié)構(gòu)分析

        如圖1所示為整機結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖1 醫(yī)療用X光機示意圖

        C臂的兩端分別裝有可以上下移動的影像增強管和X射線發(fā)射球管,兩者的重量一定,但是由于C臂繞C臂托架軌道滑轉(zhuǎn)以及影像增強管的上下移動,引起了C臂組件的重心變化,這樣就造成了C臂在各個工作狀況下的各部分的受力情況不均,C臂截面結(jié)構(gòu)初步設(shè)定為如圖2所示的結(jié)構(gòu),上面的方形槽為滾道槽,中間的橢圓孔為過線孔,這種結(jié)構(gòu)有利于滾道的滑動,不至于卡死。以下通過有限元分析對C臂的壁厚,過線孔,C臂寬度以及C臂的厚度進行修改優(yōu)化。

        圖2 C臂截面結(jié)構(gòu)示意圖

        2 C臂受力簡化模型及有限元分析

        運用Solidworks進行建模,并對模型進行簡化,建立有限元分析模型;對其施加邊界條件及約束條件[2],約束條件為范圍40°的夾具面,施加力為整個C臂組裝的重力。

        C形臂回轉(zhuǎn)半徑為700 mm,在40°范圍內(nèi)為8個支撐滾動體的裝配位置,對應(yīng)裝在C形臂托架軌道。各個滾動體之間的間隔角度為5°和20°,所以在C臂的支撐部位各滾動體之間的間隔很小,因此在對C臂進行有限元分析時,可以以40°范圍面為夾具面,如圖3所示。

        圖3 C臂網(wǎng)格劃分

        分析過程中,以40°范圍面為夾具面,以其影像增強器和X射線球管的自重為其負載,承受偏矩,在這種情況下對C臂進行結(jié)構(gòu)靜強度分析,得到C臂在不同工況下的形變情況。

        在幾種不同工況下,C臂的總變形量有所不同,在最惡劣工況下C臂的變形量最大,也最危險,因此只要最危險工況滿足要求既可以確定其結(jié)構(gòu),幾種工況的分析數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 不同工況下的C臂變形情況

        由表1中的數(shù)據(jù),可以看出在工況3的時候C臂的變形量是比較大的,也就可以認為此工況為各種工況位置的最惡劣情況,此時的最大位移量,最大應(yīng)變量和最大應(yīng)力值均比較大。因此,在對C臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時以工況3為分析基礎(chǔ),通過改動C臂截面的各個尺寸,來分析優(yōu)化使得在工況3時的最大的變形量,最大位移量和最大應(yīng)力值達到最小。

        3 C臂的優(yōu)化設(shè)計

        由表1中的數(shù)據(jù)分析可知,改變C臂的軌道槽的大小尺寸,對整個C臂的強度影響很大,同時對整體重量也必然產(chǎn)生較大的影響。因此,對其軌道槽尺寸進行修正優(yōu)化,從而使整個C臂的強度和重量達到最優(yōu);分析表明在軌道槽壁厚為10 mm,槽的厚度為15 mm,過線孔的大小半徑10 mm時,整個C臂的結(jié)構(gòu)性能達到最優(yōu)解。

        4 結(jié)束語

        本文對醫(yī)用X光機C形臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計。在對醫(yī)用X光機C臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時,需注意整個C臂的重量也不宜過重。通過對C臂的幾個典型工況進行有限元靜力學(xué)分析,可以看出C臂的最大應(yīng)力點在支撐面的下端,同時此處也是最大的應(yīng)變點,整個C臂的總位移量累積到X射線球管處,造成X射線球管中心與影像增強管的中心產(chǎn)生不對正的現(xiàn)象,因此,在對C臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時候必須考慮這一點。

        [1]王夢熊,王家鄞.醫(yī)用X射線定位設(shè)備“C”形臂結(jié)構(gòu)的計算與設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究,1993,(1):25-27.

        [2]陳超祥,葉修梓.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

        Medical X-C-arm Finite Element Analysis and Optimization Design

        QI Ya-lei,ZHANG Kun-lun,YANG Lian-hua
        (College of Engineering and Mechanical Engineering,Chang'an University,Xi'an Shaanxi 710064,China)

        The ends of the C-shaped arm that medical X-ray machine is equipped with image intensifier and ball tube transmitter,the other in the process of using there will be rotation,sliding movement,thus caused the C-shaped arm at the time of each job position of center of gravity position is different,which have higher requirements about the struchure of the C-shaped arm,so the C-shaped arm do finite element analysis and optimization design is very necessary,using Solidworks modeling and finite element statics analysis each working position,optimize the C-shaped arm structure,can meet high strength,light weight,the purpose of the structure is simplified.

        x-ray machine;c-shaped arm;the finite element analysis;optimization design

        TH774

        A

        1672-545X(2016)08-0090-02

        2016-05-27

        齊亞磊(1991-),男,河南周口人,碩士研究生(在讀),研究方向為機械設(shè)計及理論。

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