基于NX NASTRAN的医用X光机C臂有限元分析

2020-03-02王洪亮刘倩顾宸嘉张瑞宏奚小波缪宏

机械工程师 2020年2期

王洪亮, 刘倩, 顾宸嘉，张瑞宏，奚小波，缪宏

（1.南京中核能源工程有限公司，南京210008；2.中石化南京工程公司，南京211100；3.扬州大学，江苏扬州225009）

0 引言

随着社会发展及科技的进步，医用C臂X光机因其独特的优势在临床医疗诊断及治疗中的作用越来越大，特别是在骨科、介入治疗、造影术及局部摄影等方面的应用越来越广泛。随着X射线球管及由影响增强器和CCD相机组成的图像采集系统的小型化与性能的提升，可移动式的小中型的C臂X光机因其具有性能可靠、操作方便、角度转动范围大、移动方便快捷、停靠稳定及质量轻等特性而应用越来越广泛。

C臂作为X射线球管及图像采集系统安装的关键安装部件，其结构强度安全、刚度、振动噪声成为首要的研究内容。计算机辅助设计在医疗器械设计领域的广泛应用及现代优良设计方法的快速发展成熟，特别是大型三维CAD及CAE软件的广泛应用，大大缩短了C臂的设计周期及成本，也为上述的研究提供了基础。

针对以上的问题，本文选用UG绘制某型C臂的三维模型（如图1所示），并选用CAE 软件NX NASTRAN进行仿真模拟与分析[4]。这样可以从初期的虚拟设计到后期的优化与在线加工一次性全部完成，可以避免模型特征在不同软件中导入导出的丢失，并且后期的优化设计直接调用其优化模块，自动完成模型的优化，可大大简化设计过程，减少设计和工艺人员的劳动量。

图1 C 臂结构三维实体模型图

1 C臂结构静载分析

C臂作为X光机的关键结构部件，一端安装X射线球管，另一端安装图像采集系统，为C臂上的关键部件及主要负载。为了实现C臂的旋转，采用齿轮啮合的方式驱动其围绕中心轴旋转。考虑到C臂结构的稳定性，设计上采用静力平衡的设计方法并适当放大部件质量，两关键部件的质量都设为80 kg。

1.1 有限元模型的建立

本文分析中，在保证材料具有足够强度的前提下，为尽可能地降低C臂质量，采用铸铝（具体牌号为ZAlSi7Mg）材料，材料的基本属性如表1所示。

表1 铸铝材料基本属性

将模型简化处理，去除对模型分析影响很小的倒角、圆角、光孔及螺纹孔等结构后划分网格，3D网格单元采用四面体网格【CTETRA(10)】，网格大小为10 mm，为方便计算，在X光球管及图像采集系统重心位置分别建立两个80 kg质量点，两个质量点分别与C臂上的安装位置采用RBE3单元连接，如图2所示。

图2 有限元分析模型图

1.2 仿真结果分析

在X光机工作过程中，C臂呈现大角度范围内转动，不同工作姿态（旋转角度不同）下负载会对C臂产生不同的影响，C臂的应力及变形对X光机整体性能影响很大。为简化计算，采用3个工作姿态旋转角度的小平面的全自由度约束工况分析其结构安全性，分别是0°（实际上最多的工况）、上转60°（停机或移动时的工况）、下转60°（设计的反向极限转动角度工况）等3种工况。分析后得到各个工况下的应力及变形的位移云图如图3～图5所示，应力及最大变形统计如表2所示。

图3 0°约束的应力及变形云图

图4 上转60°约束的位移及应力云图

图5 下转60°约束的位移及应力云图

通过对C臂的计算结果分析，可以发现3种工作姿态工况的应力及变形符合预判及实际趋势，最大应力的位置都位于3个工况的约束面处附近，其他位置应力都很小，这主要是因为采用全自由度约束，因此约束面附近的变形得不到完全的释放造成的。但由于不同工作姿态工况下负载对C臂应变的贡献不同，造成3种工况应力值差别略大。最大应力发生在C臂下转角度为60°工作姿态的工况，应力值为94.57 MPa，安全系数为1.9，满足C臂结构静强的设计要求；最大变形也在此工作姿态下，变形量为6.028 mm，但X光球管及图像采集系统的相对变形只有2 mm左右，因此C臂的最大变形对X光机的工作性能影响基本可以忽略。

表2 静载分析结果统计

X光机的主要工作姿态工况（即0°约束工况）结构强度安全系数大于2，满足设计的要求，X光球管及图像采集系统的平面相对位移量小于2 mm，详细数据参照表2，也满足成像的设计要求。

2 C臂模态仿真分析

X光机在工作过程中C臂会被驱动旋转，而X光机一般情况下都是在医院室内环境移动使用，对X光机振动噪声的要求比较高，因此对C臂受载状态的模态进行分析，得到其固有频率，这样可以为C臂受可预期周期载荷的设计提供相关的依据。C臂前10阶的固有频率及振幅如表3所示，应当特别注意避开前4阶的固有频率附近区域，目前C臂承受的周期性载荷一般来自于C臂的传动驱动系统，也为该系统的设计提供了设计依据。