醫用X光機C形臂有限元分析與優化設計

齊亞磊，張昆侖，楊連花

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

醫用X光機C形臂有限元分析與優化設計

齊亞磊，張昆侖，楊連花

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

醫用X光機的C形臂兩端裝有影像增強器和球管發射器，另外在使用的過程中也會有旋轉，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形臂的結構有著較高的要求，因此對C形臂做有限元分析和優化設計是非常必要的，利用Solidworks進行建模與有限元靜力學分析各個工作位置，對C形臂的結構進行優化，達到滿足較高強度，重量輕，結構簡化的目的。

X光機；C形臂；有限元分析；優化設計

國內外X光機診斷定位設備，其X射線球管和影像增強管有很多種結構布局形式。根據人體生理結構和臨床治療的需要，從醫學角度分析C形臂兩端裝X射線球管和影像增強管的方式，有利于醫生手術的實施，實踐證明，使用C形臂的X射線診斷設備具有靈活性好，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射器，因此對C臂的結構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化設計是非常必要的。本文利用Solidworks進行建模與有限元靜力學分析各個工作位置，對C形臂的結構進行優化，達到滿足較高強度，重量輕，結構簡化的目的。

1　C臂的結構分析

如圖1所示為整機結構示意圖。

圖1　醫療用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臂截面結構初步設定為如圖2所示的結構，上面的方形槽為滾道槽，中間的橢圓孔為過線孔，這種結構有利于滾道的滑動，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化。

圖2　C臂截面結構示意圖

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形臂回轉半徑為700 mm，在40°范圍內為8個支撐滾動體的裝配位置，對應裝在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臂進行結構靜強度分析，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構，幾種工況的分析數據如表1所示。

表1　不同工況下的C臂變形情況

由表1中的數據，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，最大應變量和最大應力值均比較大。因此，在對C臂進行結構優化時以工況3為分析基礎，通過改動C臂截面的各個尺寸，來分析優化使得在工況3時的最大的變形量，最大位移量和最大應力值達到最小。

3　C臂的優化設計

由表1中的數據分析可知，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生較大的影響。因此，對其軌道槽尺寸進行修正優化，從而使整個C臂的強度和重量達到最優；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臂的結構性能達到最優解。

4　結束語

本文對醫用X光機C形臂有限元分析與優化設計。在對醫用X光機C臂進行結構優化時，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分析，可以看出C臂的最大應力點在支撐面的下端，同時此處也是最大的應變點，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生不對正的現象，因此，在對C臂進行結構優化的時候必須考慮這一點。

［1］王夢熊，王家鄞.醫用X射線定位設備“C”形臂結構的計算與設計［J］.機械設計與研究，1993，（1）：25-27.

［2］陳超祥，葉修梓.Solidworks Simulation基礎教程［M］.北京：機械工業出版社，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），研究方向為機械設計及理論。