基于ABAQUS的螺旋CT探测器箱体结构特性分析与优化

刘溢溥，孟志强，刘 斌

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

随着计算机技术和微电子技术的快速发展，CT 技术不断成熟和发展，特别是在医用CT 方面，螺旋CT 逐步取代了断层CT[1]。在安全检查领域，以螺旋CT 技术为检查方法的安全检查设备成为了一个新的发展方向和趋势。由于工作时滑环系统做旋转运动，安装在滑环系统上的探测器箱体作为整个成像系统的载体[2]，较其静置时受到的载荷增大数十倍，其结构强度和刚度直接影响系统的可靠性和成像质量，所以对其进行结构特性分析是十分必要的。

本文基于有限元方法对螺旋CT 安全检查设备的探测器箱体进行结构刚度和强度分析，已验证其是否满足设计要求。同时在现有结构的基础上，以轻量化为目标进行结构优化。

1 探测器箱体有限元分析模型

1.1 探测器箱体结构和工况

探测器箱体通过螺栓安装固定在滑环系统的旋转面上，添加载荷和边界条件后其可以作为一个相对独立的系统。探测器箱体的结构组成如图1 所示。主要由内壁板、外壁板、探测器安装板和加强板组成。当设备正常运转时，以n=150rpm 的转速匀速运动。

1.2 有限元模型的建立

将探测器箱体模型导入有限元软件，按照表1 设置材料参数，截面特性选择Solid-Homogeneous。

图1 探测器箱体结构图

表1 框架材料属性

由于整个结构是匀速运动，选取稳态分析步。内壁板和滑环系统固定，选取运动最低点作为分析点，此处重力与离心力叠加，结构承受的载荷最大。用Rotational Body Force（旋转体力）来表示整个结构在旋转过程中的离心力。完成了边界条件和载荷设定的模型如图2 所示，划分网格后可以进行匀速旋转工况下的仿真分析[3]。

2 有限元分析结果

图2 箱体边界条件和载荷

实际工况条件下箱体的有限元分析结果分别用Mises 应力和变形情况来表示。计算结果的显示单位为长度：mm；应力：MPa。

2.1 强度分析结果

图3 外壁板应力分布

探测器箱体的应力分布云图如图3 所示。箱体的内壁板和滑环系统固定，探测器安装板和加强板为主要受力零件，所以它们整体应力水平最高，为强度校核的关注点。应力值主要在1.92～11.52MPa 范围内，其中Mises 应力最大值出现在探测器安装板处，应力值为11.52MPa。

2.2 变形分析结果

图4 箱体变形分布

探测器箱体的变形分布云图如图4 所示。通过显示设定，倍增结构的变形量来便于观察结构的整体变形情况。内壁板由于与滑环系统固定，变形量较小。外壁板、探测器安装板和加强板组成了一个近似悬臂结构。探测器安装板的位置为对光路影响最为明显的位置，根据光路设计对结构变形的要求，主要关注探测器安装板处的变形量。其变形量范围主要在4.91～9.82×10－2mm，其中最大变形量为0.098mm。

2.3 结构强度与刚度评定

（1）强度评定。选定的铝合金5083－H112 屈服极限σs=211MPa，安全系数n=4，许用应力 [σs]=σs/n=52MPa。实际最大应力σmax=11.52MPa＜[σs]。满足强度要求。

（2）刚度评定。根据系统光路对结构变形的的要求：应该满足U＜[U]，其中U 为实际最大变形量，[U]为许用最大变形量，根据光路基本设计要求，[U]＜1mm。U=0.098mm＜[U]。满足变形要求。

综合强度评定和刚度评定，现有结构满足对强度和刚度的设计要求。

3 结构优化

根据前文对结构强度和刚度的计算，现有设计的安全裕量较大。由于探测器箱体是安装固定在滑环系统上，在满足自身强度和刚度设计要求的基础上，应该尽可能降低探测器箱体的重量，减轻其对滑环系统的负载。现选取外壁板的厚度H 为优化参数，以5～25mm 为设计优化区间，研究外壁板厚度H 对结构强度和变形量的影响。

最大应力随板厚变化趋势如图5 所示，随着板厚的增加，最大应力随之增加。这是由于外壁板为结构的主要负载，探测器安装板和加强板为外壁板起到连接和支撑的作用。当外壁板厚度增加，其重量增加，对安装板和加强板的负载随之增大，所以最大应力随板厚的增加而增加。

最大变形随板厚变化趋势如图6 所示，随着板厚的增加，在5～15mm 的范围内，板厚增加，变形量增大，在15～20mm 范围，板厚增加最大变形量反而减小。这是因为板厚增加时，结构负载增大，同时结构的刚度也相应增大，在特定区间内刚度增加的程度较负载增加更为明显，出现了板厚增加最大变形不增反降的情况。

根据以上对最大应力和最大变形随板厚变化的规律研究可以看出，当壁厚H 在[5，25]mm 区间范围内，综合考虑强度和变形，将原有外壁板厚度由25mm 优化为5mm，外壁板重量降为原来的20%，优化后效果如表2所示。该方案仍能满足结构的强度和刚度要求。

图5 最大应力随板厚变化趋势图

图6 最大变形随板厚变化趋势图

表2 结构优化效果

4 总结

本文通过ABAQUS 软件对螺旋CT 的探测器箱体进行了强度和刚度分析，对结构强度与刚度进行评定，以验证其满足设计要求。同时以外壁板厚度为优化参数，选取了最优方案，降低了结构的最大应力和变形。

[1]王巍.多排螺旋CT 与多层螺旋CT 的应用价值研究[J].医疗卫生装备，2007，4.

[2]庄天戈.CT 原理与算法[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.