劉溢溥，孟志強(qiáng)，劉 斌

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，CT 技術(shù)不斷成熟和發(fā)展，特別是在醫(yī)用CT 方面，螺旋CT 逐步取代了斷層CT[1]。在安全檢查領(lǐng)域，以螺旋CT 技術(shù)為檢查方法的安全檢查設(shè)備成為了一個新的發(fā)展方向和趨勢。由于工作時滑環(huán)系統(tǒng)做旋轉(zhuǎn)運動，安裝在滑環(huán)系統(tǒng)上的探測器箱體作為整個成像系統(tǒng)的載體[2]，較其靜置時受到的載荷增大數(shù)十倍，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度直接影響系統(tǒng)的可靠性和成像質(zhì)量，所以對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性分析是十分必要的。

本文基于有限元方法對螺旋CT 安全檢查設(shè)備的探測器箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度分析，已驗證其是否滿足設(shè)計要求。同時在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以輕量化為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 探測器箱體有限元分析模型

1.1 探測器箱體結(jié)構(gòu)和工況

探測器箱體通過螺栓安裝固定在滑環(huán)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)面上，添加載荷和邊界條件后其可以作為一個相對獨立的系統(tǒng)。探測器箱體的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。主要由內(nèi)壁板、外壁板、探測器安裝板和加強(qiáng)板組成。當(dāng)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時，以n=150rpm 的轉(zhuǎn)速勻速運動。

1.2 有限元模型的建立

將探測器箱體模型導(dǎo)入有限元軟件，按照表1 設(shè)置材料參數(shù)，截面特性選擇Solid-Homogeneous。

圖1 探測器箱體結(jié)構(gòu)圖

表1 框架材料屬性

由于整個結(jié)構(gòu)是勻速運動，選取穩(wěn)態(tài)分析步。內(nèi)壁板和滑環(huán)系統(tǒng)固定，選取運動最低點作為分析點，此處重力與離心力疊加，結(jié)構(gòu)承受的載荷最大。用Rotational Body Force（旋轉(zhuǎn)體力）來表示整個結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中的離心力。完成了邊界條件和載荷設(shè)定的模型如圖2 所示，劃分網(wǎng)格后可以進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)工況下的仿真分析[3]。

2 有限元分析結(jié)果

圖2 箱體邊界條件和載荷

實際工況條件下箱體的有限元分析結(jié)果分別用Mises 應(yīng)力和變形情況來表示。計算結(jié)果的顯示單位為長度：mm；應(yīng)力：MPa。

2.1 強(qiáng)度分析結(jié)果

圖3 外壁板應(yīng)力分布

探測器箱體的應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。箱體的內(nèi)壁板和滑環(huán)系統(tǒng)固定，探測器安裝板和加強(qiáng)板為主要受力零件，所以它們整體應(yīng)力水平最高，為強(qiáng)度校核的關(guān)注點。應(yīng)力值主要在1.92～11.52MPa 范圍內(nèi)，其中Mises 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在探測器安裝板處，應(yīng)力值為11.52MPa。

2.2 變形分析結(jié)果

圖4 箱體變形分布

探測器箱體的變形分布云圖如圖4 所示。通過顯示設(shè)定，倍增結(jié)構(gòu)的變形量來便于觀察結(jié)構(gòu)的整體變形情況。內(nèi)壁板由于與滑環(huán)系統(tǒng)固定，變形量較小。外壁板、探測器安裝板和加強(qiáng)板組成了一個近似懸臂結(jié)構(gòu)。探測器安裝板的位置為對光路影響最為明顯的位置，根據(jù)光路設(shè)計對結(jié)構(gòu)變形的要求，主要關(guān)注探測器安裝板處的變形量。其變形量范圍主要在4.91～9.82×10－2mm，其中最大變形量為0.098mm。

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度評定

（1）強(qiáng)度評定。選定的鋁合金5083－H112 屈服極限σs=211MPa，安全系數(shù)n=4，許用應(yīng)力 [σs]=σs/n=52MPa。實際最大應(yīng)力σmax=11.52MPa＜[σs]。滿足強(qiáng)度要求。

（2）剛度評定。根據(jù)系統(tǒng)光路對結(jié)構(gòu)變形的的要求：應(yīng)該滿足U＜[U]，其中U 為實際最大變形量，[U]為許用最大變形量，根據(jù)光路基本設(shè)計要求，[U]＜1mm。U=0.098mm＜[U]。滿足變形要求。

綜合強(qiáng)度評定和剛度評定，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)滿足對強(qiáng)度和剛度的設(shè)計要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前文對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的計算，現(xiàn)有設(shè)計的安全裕量較大。由于探測器箱體是安裝固定在滑環(huán)系統(tǒng)上，在滿足自身強(qiáng)度和剛度設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)該盡可能降低探測器箱體的重量，減輕其對滑環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載?，F(xiàn)選取外壁板的厚度H 為優(yōu)化參數(shù)，以5～25mm 為設(shè)計優(yōu)化區(qū)間，研究外壁板厚度H 對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形量的影響。

最大應(yīng)力隨板厚變化趨勢如圖5 所示，隨著板厚的增加，最大應(yīng)力隨之增加。這是由于外壁板為結(jié)構(gòu)的主要負(fù)載，探測器安裝板和加強(qiáng)板為外壁板起到連接和支撐的作用。當(dāng)外壁板厚度增加，其重量增加，對安裝板和加強(qiáng)板的負(fù)載隨之增大，所以最大應(yīng)力隨板厚的增加而增加。

最大變形隨板厚變化趨勢如圖6 所示，隨著板厚的增加，在5～15mm 的范圍內(nèi)，板厚增加，變形量增大，在15～20mm 范圍，板厚增加最大變形量反而減小。這是因為板厚增加時，結(jié)構(gòu)負(fù)載增大，同時結(jié)構(gòu)的剛度也相應(yīng)增大，在特定區(qū)間內(nèi)剛度增加的程度較負(fù)載增加更為明顯，出現(xiàn)了板厚增加最大變形不增反降的情況。

根據(jù)以上對最大應(yīng)力和最大變形隨板厚變化的規(guī)律研究可以看出，當(dāng)壁厚H 在[5，25]mm 區(qū)間范圍內(nèi)，綜合考慮強(qiáng)度和變形，將原有外壁板厚度由25mm 優(yōu)化為5mm，外壁板重量降為原來的20%，優(yōu)化后效果如表2所示。該方案仍能滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求。

圖5 最大應(yīng)力隨板厚變化趨勢圖

圖6 最大變形隨板厚變化趨勢圖

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果

4 總結(jié)

本文通過ABAQUS 軟件對螺旋CT 的探測器箱體進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度進(jìn)行評定，以驗證其滿足設(shè)計要求。同時以外壁板厚度為優(yōu)化參數(shù)，選取了最優(yōu)方案，降低了結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和變形。

[1]王巍.多排螺旋CT 與多層螺旋CT 的應(yīng)用價值研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，4.

[2]莊天戈.CT 原理與算法[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.