FEA技術在CT新床體開發中的應用

【作 者】趙宏宇，王君濤，侯遠成

東軟飛利浦醫療設備系統有限責任公司，沈陽市，110179

0 引言

CT[1]（Computed Tomography）床體是患者在進行掃描時與其直接接觸的承載體，其強度和剛度的指標不僅會影響到CT機的質量，而且還會影響到患者的人身安全。在以往的CT床體設計中，設計者憑經驗設計為保證床體的安全可靠，在設計中往往采取了較大的安全系數。這種設計思想產生的后果是：產品安全但卻粗大、笨重，且造成了不必要的材料浪費，進而導致產品生產制造成本的提升。

FEA[2]（Finite Element Analysis）方法是解決上述問題良好的結構分析方法。與人為設計經驗或計算相比較，FEA方法不但具有較高的分析精度與計算速度，而且還為新產品的開發和現有產品結構的改進提供了科學方法。

在本文中，主要介紹如何應用FEA方法對CT產品中平行四連桿結構床體的關鍵部位：床架組件進行建模、模擬實際應用建立邊界條件、并基于該模型對床架組件進行靜態結構分析。

1 CT床架組件的分析

1.1 CT床架組件實體模型的建立

在新床體的設計中應用達索公司的三維CAD軟件Solidworks對CT床體進行3D建模。CT床體結構主要由床架組件、床板和床罩組成，床架組件是床體中的關鍵性能件。床架組件主要由左縱梁、右縱梁、前梁、后梁、前擺桿、后擺桿、推桿和底座組成，零件的材料主要為Q235B，其性能參數：E=2.0×105MPa、μ=0.26、σs=235 MPa[3]。

1.2 CT床架組件有限元模型的建立

1.2.1 CT床架組件有限元網格的劃分

在床架組件的有限元網格劃分過程中，采用六面體單元為其基本單元類型，六面體單元的基本長度為10 mm。為了避免局部應力集中，對個別零件的局部進行了單元細化，最小細化單元長度為4 mm，但需要保證在床架組件中的最短邊線上布置兩層以上的二階六面體單元。在床架組件中各個零件之間的螺栓、螺母的聯接在FEA模型中由MPC[4]（多點剛性約束）進行模擬。

床架組件有限元模型中，六面體單元數量為88405個；節點數量為122010個；MPCs數量為37個。床架組件的模型參見圖1。

1.2.2 CT床架組件載荷與邊界條件的建立

在醫院的臨床應用中，掃描床體實際受力情形主要為兩種情況：一是掃描開始前患者坐到床體上，即工作狀況一；二是掃描過程中患者躺在床體上，即工作狀況二。

圖1 床架組件模型Fig.1 Model of table frame

針對工作狀況一，盡管掃描前患者大部分坐在床體的中間位置。但為模擬極端情形，故在FEA模型中設計加載條件為：在距左、右縱梁后端20 mm處開始，往前長430 mm范圍內左、右縱梁的上表面上分別施加2000 N負Z方向的面載荷(模擬患者體重：200 kg)，并約束底座下表面的六個自由度。

針對工作狀況二，在分析中把床板的受力情況簡化成如圖2所示的結構。在圖2中，床板的固定長度為AD=2080 mm；頭托的長度DE=310 mm；A點為床板與支撐架的連接處；B點為床板與支撐輪的接觸處；床板可移動的最大距離為BD=1640 mm；考慮床板可移動的最大距離與頭托的長度，取二者和的一半為人躺在床板上的重心處（極限位置），即CD=665 mm，C為重心點；G=2000 N(模擬患者體重：200 kg)。

圖2 床板受力圖Fig.2 Force analysis of tabletop

在本分析中，把作用在床板上C 處的力近似等效為作用在前梁上的力，故在前梁上表面施加負Z方向2000 N的載荷及繞Y 軸的轉矩G*(DB-CD)=1950 N·m，并約束底座下表面的六個自由度。

1.3 CT床架組件的有限元分析結果

1.3.1 工作狀況一分析結果

床架組件的有限元強度分析結果參見圖3。床架在給定載荷的作用下，最大應力出現在左、右縱梁與后擺桿的連接孔處，最大應力為24.1 MPa。

圖3 有限元分析應力云圖ⅠFig.3 Stress resultsⅠ

床架組件的有限元剛度分析結果見圖4。床架在給定載荷的作用下，最大位移出現在左、右縱梁的后端部，最大位移為0.513 mm。

圖4 有限元分析位移云圖ⅠFig.4 Displacement results Ⅰ

1.3.2 工作狀況二分析結果

床架組件的有限元強度分析結果見圖5。床架在給定載荷的作用下，最大應力出現在左、右縱梁與后擺桿的連接孔處，最大應力為38.5 MPa。

圖5 有限元分析應力云圖ⅡFig.5 Stress resultsⅡ

床架組件的有限元剛度分析結果見圖6。床架在給定載荷的作用下，最大位移出現在左、右縱梁的后端部，最大位移為0.86 mm。

圖6 有限元分析位移云圖ⅡFig.6 Displacement results Ⅱ

1.4 分析小結

由上計算結果可知，床架組件的最小安全系數S=235/38.5=6.1＞4。根據GB9706.1-2007[5]得出，床架組件的強度及剛度滿足國家標準規定要求。

1.5 實驗驗證

針對工作狀況二設計的實驗平臺參見圖7。

圖7 FEA分析結果實驗驗證Fig.7 FEA results testing

在床板伸出到設計要求的狀態下施加2000 N的均布載荷，實際測量床架端部變形為0.95 mm。與FEA計算結果相對比，FEA計算誤差為9.5%，故FEA分析結果可以接受。

2 結束語

本文主要以CT床體為例，詳細的介紹了FEA技術在CT床體開發中具體的應用方法與步驟，特別是對實際工作情況如何簡化為FEA模型中的邊界條件進行了詳細的介紹。

FEA技術在醫療器械產品中的應用可以有效的提升產品設計的科學性與合理性，避免為保證設計強度要求而盲目提高設計裕度進而造成原材料的浪費和產品制造成本的提高，其加速了產品從設計到實現的進程，為產品早日投入醫療市場打下了堅實的基礎。

[1]王鳴鵬.CT檢查技術學[M].上海: 復旦大學出版社，2004.

[2]顏云輝.結構分析中的有限單元法極其應用[M].沈陽：東北大學出版社,2000.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京: 化學工業出版社,1993.

[4]MSC.PATRAN User’s Manual.MSC.software[R],1999.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB9706.1-2007 醫用電氣設備 第1部分: 安全通用要求[S].