基于workbench的质子放疗装备支撑装置结构设计

张杭锋，邓建春

华中科技大学机械科学与工程学院，武汉市，430081

0 引言

近年来，在针对恶性肿瘤(Malignant Tumor)的治疗中，放射治疗起着重要的作用。其中，质子治疗经过长时间的探索后，已经成为当前放射治疗领域的一大前沿热点[1-2]。质子放疗装备的支撑装置是质子治疗装备安装以及运行过程中不可或缺的部分，它与旋转机架接触区域的接触变形对整体装备的精度有着重要的影响。在当前国内外的质子治疗方案所使用的支撑方式中，比利时IBA以及日本日立采用的是前后端支撑方式，瑞士PSI公司在发展历程中采用的分别是独立轴支撑方式和C轴支撑方式[3-4]，如图1所示。

图1 国内外质子治疗装备的支撑方案(左为IBA，右为PSI)Fig.1 The supporting programs for proton therapy equipment at home and abroad(IBA on the left and PSI on the right)

本文对应的质子治疗装备项目采用的是当前使用最广泛的前后端支撑方式的方案。本文主要应用弹性理论、有限元分析软件workbench以及装置的实际情况对滚轮与托轮的接触区域的变形进行分析，得到关于旋转机架滚轮与支撑装置托轮接触变形的规律，这样在设计上能够抓住问题的关键，更好地控制因接触变形引起的误差[5]，从而为支撑装置的具体设计提供理论依据。

1 仿真设计

在前后端支撑装置中，旋转机架滚轮结构、支撑装置的托轮结构以及他们之间的接触如图2所示。其接触宽度的不同，对接触面变形的影响也不同，为了寻找一种比较合理的设计方案，本文分别分析了120 mm、160 mm、200 mm三种不同接触宽度下的接触面变形。

图2 旋转机架滚轮与支撑装置托轮接触Fig.2 The rotating gantry rollers in contact with the supporting device rollers

对于与支撑装置托轮接触的旋转机架滚轮来说，其筋板有三种不同的布局方式：筋板靠近对称位置、筋板远离对称位置、完全实体，如图3所示。不同的布置方式也会对接触面的变形造成不同的影响。因此，本文也分别研究了三种筋板布局方式对接触面变形的影响。为了研究每个因素对变形产生的不同影响，则需要通过控制变量法来进行分析。

图3 筋板布局方式Fig.3 The layout method of ribs

2 计算模型

2.1 基本假设

旋转机架滚轮与支撑装置托轮实际的受力以及接触情况较为复杂，因此对模型做如下假设：（1）支撑装置所有的轴孔连接均为刚性连接；（2）支撑装置与滚轮的接触区域具有一定的摩擦力；（3）本文分析只考虑静态载荷情况；（4）本文处理模型的时候，假设接触区以外的零部件都是刚性的，且以支撑装置底面为基准并固定[6]。

2.2 确定模型参数以及划分网格

2.2.1 模型建立

本文对应的质子放疗装备的旋转机架总质量接近240 t，旋转机架的滚轮的外径约5 m左右。由于装置前后两端受力状况大致相似，因此本文仅对前后端支撑的一端进行具体分析，一端支撑所承受的载荷为120 t。质子治疗装备前端支撑简化模型如图4所示，支撑装置的托轮与旋转机架上的滚轮接触，图中添加的配重是为了模拟120 t的载荷。

支撑装置的模型是根据质子放疗装备总体方案进行设计的，在尺寸结构上具有一定的现实意义，大致模型如图4所示。支撑装置主要由一个支撑底座以及两个托轮支撑部件组成。其中支撑装置材料选用45钢，滚轮部分材料选用35钢。

2.2.2 网格划分

将三维模型导入有限元分析工具workbench软件中，对其进行网格划分。本文主要研究接触面之间的变形，因此，与接触面相关的零件区域在划分网格时，需要细化，而其它零件区域则可以将网格尺寸设置得稍大一点。这样既可以尽量节省计算时间，同时可以保证接触面变形结果的精度[7-8]。图5所示为网格划分的结果。

图4 支撑装置简化模型Fig.4 The simplified model of the supporting device

图5 有限元网格模型Fig.5 Finite element mesh model

3 接触变形结果分析

本文分别使用120 mm、160 mm、200 mm三种接触宽度，筋板靠近对称位置、筋板远离对称位置、完全实体三种筋板布局方式，来对旋转机架与支撑装置接触变形进行分析，为了研究每个因素对变形产生的不同影响，采用控制变量法来进行分析。为了使模拟的情况更加符合实际情况，在滚轮与支撑装置建立接触，接触类型设为摩擦接触，摩擦系数设置为0.05，法向刚性因子为0.2。

参数设置完成后，进行计算求解。结果如表1所示。

表1 不同情况下托轮与滚轮的变形Tab.1 The deformation of rollers and rollers under diあerent conditions

表1中，托轮接触变形量是指在支撑装置的托轮与旋转机架滚轮的接触区域，托轮变形的最大值减去最小值，滚轮的接触变形量是指在支撑装置的托轮与旋转机架滚轮的接触区域，滚轮变形的最大值减去最小值。从表1的数据分析得出：

（1）接触面变形与筋板布置形式的关系

由图6可知，滚轮的接触变形量随筋板布置形式的变化与托轮的相似，且当与支撑装置接触的旋转机架为实体时，接触面的变形量最小，但是在实际应用时，实体相对于筋板形式在重量上有一定程度的增加，并且筋板靠近对称位置的接触变形量与实体的相差不大。因此，综合接触面的变形量与重量的双重因素，滚轮筋板靠近对称位置的方案较优。

图6 筋板布置形式与接触变形的关系Fig.6 The relationship between the layout of ribs and contact deformation

（2）接触面变形与接触宽度的关系

由图7可知，接触面的变形量（滚轮变形与托轮变形）与接触宽度呈负相关的关系，即随着接触宽度的增大，接触面变形量逐渐变小。但是，如果接触宽度过大，会导致支撑装置与旋转机架发生干涉，影响设备的正常运转，因此接触宽度不宜选择过大。经大量的分析计算，接触宽度取200 mm时较优。

图7 接触宽度与接触面变形量的关系Fig.7 The relationship between the contact width and contact deformation

4 结论

本文主要通过有限元仿真方法研究了旋转机架滚轮与支撑装置托轮的接触面变形量与滚轮筋板的布置方式以及接触宽度之间的关系。仿真结果表明，旋转机架的滚轮的筋板靠近对称位置，同时旋转机架滚轮与支撑装置托轮的接触宽度选为200 mm的方案最佳。本文的分析结果为质子放疗装备的支撑装置的设计提供了理论依据，在支撑装置的设计过程中，设计人员可以抓住问题的关键，从接触变形的源头上控制设备的误差，提高设备的精度。