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

齊亞磊，張昆侖，楊連花

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）

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

齊亞磊，張昆侖，楊連花

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）

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

X光機(jī)；C形臂；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

國內(nèi)外X光機(jī)診斷定位設(shè)備，其X射線球管和影像增強(qiáng)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(qiáng)管的方式，有利于醫(yī)生手術(shù)的實(shí)施，實(shí)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(diǎn)［1］。但是，醫(yī)療用C形臂X光機(jī)，由于C臂上下兩端裝有比較重的影像增強(qiáng)器和球管發(fā)射器，因此對(duì)C臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等有較高的要求，另外由于各個(gè)工況的偏心位置不同且離支撐點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此，整機(jī)所承受的偏矩很大。因此對(duì)C形臂做有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常必要的。本文利用Solidworks進(jìn)行建模與有限元靜力學(xué)分析各個(gè)工作位置，對(duì)C形臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到滿足較高強(qiáng)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(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　醫(yī)療用X光機(jī)示意圖

C臂的兩端分別裝有可以上下移動(dòng)的影像增強(qiáng)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(qiáng)管的上下移動(dòng)，引起了C臂組件的重心變化，這樣就造成了C臂在各個(gè)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(dòng)，不至于卡死。以下通過有限元分析對(duì)C臂的壁厚，過線孔，C臂寬度以及C臂的厚度進(jìn)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(yùn)用Solidworks進(jìn)行建模，并對(duì)模型進(jìn)行簡化，建立有限元分析模型；對(duì)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(gè)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(gè)支撐滾動(dòng)體的裝配位置，對(duì)應(yīng)裝在C形臂托架軌道。各個(gè)滾動(dòng)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(dòng)體之間的間隔很小，因此在對(duì)C臂進(jìn)行有限元分析時(shí)，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(qiáng)器和X射線球管的自重為其負(fù)載，承受偏矩，在這種情況下對(duì)C臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)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(xiǎn)，因此只要最危險(xiǎn)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(shí)候C臂的變形量是比較大的，也就可以認(rèn)為此工況為各種工況位置的最惡劣情況，此時(shí)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(duì)C臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)以工況3為分析基礎(chǔ)，通過改動(dòng)C臂截面的各個(gè)尺寸，來分析優(yōu)化使得在工況3時(shí)的最大的變形量，最大位移量和最大應(yīng)力值達(dá)到最小。

3　C臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(duì)整個(gè)C臂的強(qiáng)度影響很大，同時(shí)對(duì)整體重量也必然產(chǎn)生較大的影響。因此，對(duì)其軌道槽尺寸進(jìn)行修正優(yōu)化，從而使整個(gè)C臂的強(qiáng)度和重量達(dá)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(shí)，整個(gè)C臂的結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)解。

4　結(jié)束語

本文對(duì)醫(yī)用X光機(jī)C形臂有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)醫(yī)用X光機(jī)C臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，需注意整個(gè)C臂的重量也不宜過重。通過對(duì)C臂的幾個(gè)典型工況進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，可以看出C臂的最大應(yīng)力點(diǎn)在支撐面的下端，同時(shí)此處也是最大的應(yīng)變點(diǎn)，整個(gè)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(qiáng)管的中心產(chǎn)生不對(duì)正的現(xiàn)象，因此，在對(duì)C臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時(shí)候必須考慮這一點(diǎn)。

［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(jì)算與設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)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?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。