FEA技術(shù)在CT新床體開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

【作 者】趙宏宇，王君濤，侯遠(yuǎn)成

東軟飛利浦醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)市，110179

0 引言

CT[1]（Computed Tomography）床體是患者在進(jìn)行掃描時(shí)與其直接接觸的承載體，其強(qiáng)度和剛度的指標(biāo)不僅會(huì)影響到CT機(jī)的質(zhì)量，而且還會(huì)影響到患者的人身安全。在以往的CT床體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為保證床體的安全可靠，在設(shè)計(jì)中往往采取了較大的安全系數(shù)。這種設(shè)計(jì)思想產(chǎn)生的后果是：產(chǎn)品安全但卻粗大、笨重，且造成了不必要的材料浪費(fèi)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本的提升。

FEA[2]（Finite Element Analysis）方法是解決上述問(wèn)題良好的結(jié)構(gòu)分析方法。與人為設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算相比較，F(xiàn)EA方法不但具有較高的分析精度與計(jì)算速度，而且還為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了科學(xué)方法。

在本文中，主要介紹如何應(yīng)用FEA方法對(duì)CT產(chǎn)品中平行四連桿結(jié)構(gòu)床體的關(guān)鍵部位：床架組件進(jìn)行建模、模擬實(shí)際應(yīng)用建立邊界條件、并基于該模型對(duì)床架組件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

1 CT床架組件的分析

1.1 CT床架組件實(shí)體模型的建立

在新床體的設(shè)計(jì)中應(yīng)用達(dá)索公司的三維CAD軟件Solidworks對(duì)CT床體進(jìn)行3D建模。CT床體結(jié)構(gòu)主要由床架組件、床板和床罩組成，床架組件是床體中的關(guān)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(shù)：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(wǎng)格的劃分

在床架組件的有限元網(wǎng)格劃分過(guò)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(zhǎng)度為10 mm。為了避免局部應(yīng)力集中，對(duì)個(gè)別零件的局部進(jìn)行了單元細(xì)化，最小細(xì)化單元長(zhǎng)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(gè)零件之間的螺栓、螺母的聯(lián)接在FEA模型中由MPC[4]（多點(diǎn)剛性約束）進(jìn)行模擬。

床架組件有限元模型中，六面體單元數(shù)量為88405個(gè)；節(jié)點(diǎn)數(shù)量為122010個(gè)；MPCs數(shù)量為37個(gè)。床架組件的模型參見(jiàn)圖1。

1.2.2 CT床架組件載荷與邊界條件的建立

在醫(yī)院的臨床應(yīng)用中，掃描床體實(shí)際受力情形主要為兩種情況：一是掃描開(kāi)始前患者坐到床體上，即工作狀況一；二是掃描過(guò)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(duì)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(shè)計(jì)加載條件為：在距左、右縱梁后端20 mm處開(kāi)始，往前長(zhǎng)430 mm范圍內(nèi)左、右縱梁的上表面上分別施加2000 N負(fù)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(gè)自由度。

針對(duì)工作狀況二，在分析中把床板的受力情況簡(jiǎn)化成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。在圖2中，床板的固定長(zhǎng)度為AD=2080 mm；頭托的長(zhǎng)度DE=310 mm；A點(diǎn)為床板與支撐架的連接處；B點(diǎn)為床板與支撐輪的接觸處；床板可移動(dòng)的最大距離為BD=1640 mm；考慮床板可移動(dòng)的最大距離與頭托的長(zhǎng)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(diǎn)；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(fù)Z方向2000 N的載荷及繞Y 軸的轉(zhuǎn)矩G*(DB-CD)=1950 N·m，并約束底座下表面的六個(gè)自由度。

1.3 CT床架組件的有限元分析結(jié)果

1.3.1 工作狀況一分析結(jié)果

床架組件的有限元強(qiáng)度分析結(jié)果參見(jiàn)圖3。床架在給定載荷的作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左、右縱梁與后擺桿的連接孔處，最大應(yīng)力為24.1 MPa。

圖3 有限元分析應(yīng)力云圖ⅠFig.3 Stress resultsⅠ

床架組件的有限元?jiǎng)偠确治鼋Y(jié)果見(jiàn)圖4。床架在給定載荷的作用下，最大位移出現(xiàn)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(jié)果

床架組件的有限元強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)圖5。床架在給定載荷的作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左、右縱梁與后擺桿的連接孔處，最大應(yīng)力為38.5 MPa。

圖5 有限元分析應(yīng)力云圖ⅡFig.5 Stress resultsⅡ

床架組件的有限元?jiǎng)偠确治鼋Y(jié)果見(jiàn)圖6。床架在給定載荷的作用下，最大位移出現(xiàn)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(jié)

由上計(jì)算結(jié)果可知，床架組件的最小安全系數(shù)S=235/38.5=6.1＞4。根據(jù)GB9706.1-2007[5]得出，床架組件的強(qiáng)度及剛度滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

1.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)工作狀況二設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參見(jiàn)圖7。

圖7 FEA分析結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.7 FEA results testing

在床板伸出到設(shè)計(jì)要求的狀態(tài)下施加2000 N的均布載荷，實(shí)際測(cè)量床架端部變形為0.95 mm。與FEA計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，F(xiàn)EA計(jì)算誤差為9.5%，故FEA分析結(jié)果可以接受。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文主要以CT床體為例，詳細(xì)的介紹了FEA技術(shù)在CT床體開(kāi)發(fā)中具體的應(yīng)用方法與步驟，特別是對(duì)實(shí)際工作情況如何簡(jiǎn)化為FEA模型中的邊界條件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

FEA技術(shù)在醫(yī)療器械產(chǎn)品中的應(yīng)用可以有效的提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，避免為保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求而盲目提高設(shè)計(jì)裕度進(jìn)而造成原材料的浪費(fèi)和產(chǎn)品制造成本的提高，其加速了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程，為產(chǎn)品早日投入醫(yī)療市場(chǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]王鳴鵬.CT檢查技術(shù)學(xué)[M].上海: 復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.

[2]顏云輝.結(jié)構(gòu)分析中的有限單元法極其應(yīng)用[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社,2000.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,1993.

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

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB9706.1-2007 醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分: 安全通用要求[S].