医用X光机C形臂有限元分析与优化设计

齐亚磊，张昆仑，杨连花

（长安大学工程机械学院，陕西西安710064）

医用X光机C形臂有限元分析与优化设计

齐亚磊，张昆仑，杨连花

（长安大学工程机械学院，陕西西安710064）

医用X光机的C形臂两端装有影像增强器和球管发射器，另外在使用的过程中也会有旋转，滑动等运动，这样就引起了C形臂在每个工作位置的时候的重心位置有所不同，即对C形臂的结构有着较高的要求，因此对C形臂做有限元分析和优化设计是非常必要的，利用Solidworks进行建模与有限元静力学分析各个工作位置，对C形臂的结构进行优化，达到满足较高强度，重量轻，结构简化的目的。

X光机；C形臂；有限元分析；优化设计

国内外X光机诊断定位设备，其X射线球管和影像增强管有很多种结构布局形式。根据人体生理结构和临床治疗的需要，从医学角度分析C形臂两端装X射线球管和影像增强管的方式，有利于医生手术的实施，实践证明，使用C形臂的X射线诊断设备具有灵活性好，精度高，速度快，扫描范围广等特点［1］。但是，医疗用C形臂X光机，由于C臂上下两端装有比较重的影像增强器和球管发射器，因此对C臂的结构强度等有较高的要求，另外由于各个工况的偏心位置不同且离支撑点较远，因此，整机所承受的偏矩很大。因此对C形臂做有限元分析和优化设计是非常必要的。本文利用Solidworks进行建模与有限元静力学分析各个工作位置，对C形臂的结构进行优化，达到满足较高强度，重量轻，结构简化的目的。

1　C臂的结构分析

如图1所示为整机结构示意图。

图1　医疗用X光机示意图

C臂的两端分别装有可以上下移动的影像增强管和X射线发射球管，两者的重量一定，但是由于C臂绕C臂托架轨道滑转以及影像增强管的上下移动，引起了C臂组件的重心变化，这样就造成了C臂在各个工作状况下的各部分的受力情况不均，C臂截面结构初步设定为如图2所示的结构，上面的方形槽为滚道槽，中间的椭圆孔为过线孔，这种结构有利于滚道的滑动，不至于卡死。以下通过有限元分析对C臂的壁厚，过线孔，C臂宽度以及C臂的厚度进行修改优化。

图2　C臂截面结构示意图

2　C臂受力简化模型及有限元分析

运用Solidworks进行建模，并对模型进行简化，建立有限元分析模型；对其施加边界条件及约束条件［2］，约束条件为范围40°的夹具面，施加力为整个C臂组装的重力。

C形臂回转半径为700 mm，在40°范围内为8个支撑滚动体的装配位置，对应装在C形臂托架轨道。各个滚动体之间的间隔角度为5°和20°，所以在C臂的支撑部位各滚动体之间的间隔很小，因此在对C臂进行有限元分析时，可以以40°范围面为夹具面，如图3所示。

图3　C臂网格划分

分析过程中，以40°范围面为夹具面，以其影像增强器和X射线球管的自重为其负载，承受偏矩，在这种情况下对C臂进行结构静强度分析，得到C臂在不同工况下的形变情况。

在几种不同工况下，C臂的总变形量有所不同，在最恶劣工况下C臂的变形量最大，也最危险，因此只要最危险工况满足要求既可以确定其结构，几种工况的分析数据如表1所示。

表1　不同工况下的C臂变形情况

由表1中的数据，可以看出在工况3的时候C臂的变形量是比较大的，也就可以认为此工况为各种工况位置的最恶劣情况，此时的最大位移量，最大应变量和最大应力值均比较大。因此，在对C臂进行结构优化时以工况3为分析基础，通过改动C臂截面的各个尺寸，来分析优化使得在工况3时的最大的变形量，最大位移量和最大应力值达到最小。

3　C臂的优化设计

由表1中的数据分析可知，改变C臂的轨道槽的大小尺寸，对整个C臂的强度影响很大，同时对整体重量也必然产生较大的影响。因此，对其轨道槽尺寸进行修正优化，从而使整个C臂的强度和重量达到最优；分析表明在轨道槽壁厚为10 mm，槽的厚度为15 mm，过线孔的大小半径10 mm时，整个C臂的结构性能达到最优解。

4　结束语

本文对医用X光机C形臂有限元分析与优化设计。在对医用X光机C臂进行结构优化时，需注意整个C臂的重量也不宜过重。通过对C臂的几个典型工况进行有限元静力学分析，可以看出C臂的最大应力点在支撑面的下端，同时此处也是最大的应变点，整个C臂的总位移量累积到X射线球管处，造成X射线球管中心与影像增强管的中心产生不对正的现象，因此，在对C臂进行结构优化的时候必须考虑这一点。

［1］王梦熊，王家鄞.医用X射线定位设备“C”形臂结构的计算与设计［J］.机械设计与研究，1993，（1）：25-27.

［2］陈超祥，叶修梓.Solidworks Simulation基础教程［M］.北京：机械工业出版社，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

齐亚磊（1991-），男，河南周口人，硕士研究生（在读），研究方向为机械设计及理论。