基于ABAQUS的螺旋CT探測器箱體結構特性分析與優(yōu)化

劉溢溥，孟志強，劉 斌

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

隨著計算機技術和微電子技術的快速發(fā)展，CT 技術不斷成熟和發(fā)展，特別是在醫(yī)用CT 方面，螺旋CT 逐步取代了斷層CT[1]。在安全檢查領域，以螺旋CT 技術為檢查方法的安全檢查設備成為了一個新的發(fā)展方向和趨勢。由于工作時滑環(huán)系統(tǒng)做旋轉運動，安裝在滑環(huán)系統(tǒng)上的探測器箱體作為整個成像系統(tǒng)的載體[2]，較其靜置時受到的載荷增大數(shù)十倍，其結構強度和剛度直接影響系統(tǒng)的可靠性和成像質量，所以對其進行結構特性分析是十分必要的。

本文基于有限元方法對螺旋CT 安全檢查設備的探測器箱體進行結構剛度和強度分析，已驗證其是否滿足設計要求。同時在現(xiàn)有結構的基礎上，以輕量化為目標進行結構優(yōu)化。

1 探測器箱體有限元分析模型

1.1 探測器箱體結構和工況

探測器箱體通過螺栓安裝固定在滑環(huán)系統(tǒng)的旋轉面上，添加載荷和邊界條件后其可以作為一個相對獨立的系統(tǒng)。探測器箱體的結構組成如圖1 所示。主要由內壁板、外壁板、探測器安裝板和加強板組成。當設備正常運轉時，以n=150rpm 的轉速勻速運動。

1.2 有限元模型的建立

將探測器箱體模型導入有限元軟件，按照表1 設置材料參數(shù)，截面特性選擇Solid-Homogeneous。

圖1 探測器箱體結構圖

表1 框架材料屬性

由于整個結構是勻速運動，選取穩(wěn)態(tài)分析步。內壁板和滑環(huán)系統(tǒng)固定，選取運動最低點作為分析點，此處重力與離心力疊加，結構承受的載荷最大。用Rotational Body Force（旋轉體力）來表示整個結構在旋轉過程中的離心力。完成了邊界條件和載荷設定的模型如圖2 所示，劃分網(wǎng)格后可以進行勻速旋轉工況下的仿真分析[3]。

2 有限元分析結果

圖2 箱體邊界條件和載荷

實際工況條件下箱體的有限元分析結果分別用Mises 應力和變形情況來表示。計算結果的顯示單位為長度：mm；應力：MPa。

2.1 強度分析結果

圖3 外壁板應力分布

探測器箱體的應力分布云圖如圖3 所示。箱體的內壁板和滑環(huán)系統(tǒng)固定，探測器安裝板和加強板為主要受力零件，所以它們整體應力水平最高，為強度校核的關注點。應力值主要在1.92～11.52MPa 范圍內，其中Mises 應力最大值出現(xiàn)在探測器安裝板處，應力值為11.52MPa。

2.2 變形分析結果

圖4 箱體變形分布

探測器箱體的變形分布云圖如圖4 所示。通過顯示設定，倍增結構的變形量來便于觀察結構的整體變形情況。內壁板由于與滑環(huán)系統(tǒng)固定，變形量較小。外壁板、探測器安裝板和加強板組成了一個近似懸臂結構。探測器安裝板的位置為對光路影響最為明顯的位置，根據(jù)光路設計對結構變形的要求，主要關注探測器安裝板處的變形量。其變形量范圍主要在4.91～9.82×10－2mm，其中最大變形量為0.098mm。

2.3 結構強度與剛度評定

（1）強度評定。選定的鋁合金5083－H112 屈服極限σs=211MPa，安全系數(shù)n=4，許用應力 [σs]=σs/n=52MPa。實際最大應力σmax=11.52MPa＜[σs]。滿足強度要求。

（2）剛度評定。根據(jù)系統(tǒng)光路對結構變形的的要求：應該滿足U＜[U]，其中U 為實際最大變形量，[U]為許用最大變形量，根據(jù)光路基本設計要求，[U]＜1mm。U=0.098mm＜[U]。滿足變形要求。

綜合強度評定和剛度評定，現(xiàn)有結構滿足對強度和剛度的設計要求。

3 結構優(yōu)化

根據(jù)前文對結構強度和剛度的計算，現(xiàn)有設計的安全裕量較大。由于探測器箱體是安裝固定在滑環(huán)系統(tǒng)上，在滿足自身強度和剛度設計要求的基礎上，應該盡可能降低探測器箱體的重量，減輕其對滑環(huán)系統(tǒng)的負載?，F(xiàn)選取外壁板的厚度H 為優(yōu)化參數(shù)，以5～25mm 為設計優(yōu)化區(qū)間，研究外壁板厚度H 對結構強度和變形量的影響。

最大應力隨板厚變化趨勢如圖5 所示，隨著板厚的增加，最大應力隨之增加。這是由于外壁板為結構的主要負載，探測器安裝板和加強板為外壁板起到連接和支撐的作用。當外壁板厚度增加，其重量增加，對安裝板和加強板的負載隨之增大，所以最大應力隨板厚的增加而增加。

最大變形隨板厚變化趨勢如圖6 所示，隨著板厚的增加，在5～15mm 的范圍內，板厚增加，變形量增大，在15～20mm 范圍，板厚增加最大變形量反而減小。這是因為板厚增加時，結構負載增大，同時結構的剛度也相應增大，在特定區(qū)間內剛度增加的程度較負載增加更為明顯，出現(xiàn)了板厚增加最大變形不增反降的情況。

根據(jù)以上對最大應力和最大變形隨板厚變化的規(guī)律研究可以看出，當壁厚H 在[5，25]mm 區(qū)間范圍內，綜合考慮強度和變形，將原有外壁板厚度由25mm 優(yōu)化為5mm，外壁板重量降為原來的20%，優(yōu)化后效果如表2所示。該方案仍能滿足結構的強度和剛度要求。

圖5 最大應力隨板厚變化趨勢圖

圖6 最大變形隨板厚變化趨勢圖

表2 結構優(yōu)化效果

4 總結

本文通過ABAQUS 軟件對螺旋CT 的探測器箱體進行了強度和剛度分析，對結構強度與剛度進行評定，以驗證其滿足設計要求。同時以外壁板厚度為優(yōu)化參數(shù)，選取了最優(yōu)方案，降低了結構的最大應力和變形。

[1]王巍.多排螺旋CT 與多層螺旋CT 的應用價值研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，4.

[2]莊天戈.CT 原理與算法[M].上海：上海交通大學出版社，1992.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.