ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КОМПЛЕКСА ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

Strength calculations of construction elements of the radiotherapy complex.

Лучевая терапия с применением линейных ускорителей электронов является специализированной формой трехмерной лучевой терапии, при которой используется интегрированное в ускоритель диагностическое оборудование, позволяющее проводить точное позиционирование пациента во время каждого сеанса облучения. Функция одновременного интегрированного получения изображений во время лечения позволяет идентифицировать мишень в режиме реального времени, тем самым, максимально ограничить количество радиации, которая может быть получена здоровыми тканями, расположенными вокруг опухоли, что дает возможность безопасно доставить к опухоли сверхвысокие дозы излучения. В связи с этим очень важно обеспечить высокую точность позиционирования пучка на теле пациента.

Работа проведена с использованием модуля Simulation в среде программного обеспечения SolidWorks.

Выбор конструкции поворотной рамы

4В качестве первого прототипа конструкции поворотной рамы была выбрана конструкция ускорителя Varian Сlinak.

Поворотная рама напряжения верт.PNG

Рисунок 1. Графическое представление напряжения конструкции вращающейся части гантри (вертикальное положение):

1 - опорная рама, 2 - усиливающее кольцо, 3 - противовес, 4 - весовой макет ускорительной части

Расчеты распределений напряжений и деформаций проводились в среде SolidWorks. Под действием веса ускорителя и собственного веса рамы происходят упругие деформации, приводящие к изменению положения изоцентра пучка. Целью таких расчетов явилось нахождение «слабых» мест конструкции, приводящим к деформации рамы в целом и наоборот недогруженных элементов, масса которых избыточна.

Моделирование напряжений, возникающих в узле крепления ОПУ к блоку 2, было проведено в CAE модуле САПР и представлено на рисунке 12. В местах крепления ОПУ наблюдается наибольшее напряжение в плите крепления ОПУ блока 2. Как следствие, блок 2 деформируется в месте крепления ОПУ.

 Данная деформация приводит к смещению изоцентра на величину пропорциональную расстоянию от ОПУ. Для усиления этой части конструкция была дополнена кольцом 2. Толщина кольца варьируется от 10 до 40 мм. Кольцо выполняет функцию сопрягаемой детали с ОПУ. На рисунке 2 представлены результаты расчета напряжений в горизонтальном положении.

Поворотная рама напряжения горизонтальная.PNG

Рисунок 2. Графическое представление напряжения конструкции вращающейся части гантри (горизонтальное положение)

Также проводился расчет деформаций поворотной рамы и получение численных значений смещения изоцентра пучка.

 

На рисунке 3 представлены графические результаты этих расчетов.

Поворотная рама деформации вертикальная.PNGПоворотная рама деформации горизонтальная.PNG

Рисунок 3. Графическое представление деформаций поворотной рамы гантри

1-вертикальное, 2-горизонтальное положение.

При этом определяли расстояние от оси пучка до оси вращения. Результаты расчетов деформации рамы для различных углов поворота гантри представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. График зависимости смещения изоцентра от угла поворота гантри

Максимум смещения достигается в горизонтальном положении, при угле поворота 90 и 270 градусов. Эффект смещения изоцентра в этом положении обусловлен двумя факторами: прогибом рамы под действием веса головной части и скручиванием рамы, приводящему к уводу направления пучка. 

 

Варианты конструкции опорной станины

В качестве прототипа конструкции поворотной станины была выбрана конструкция ускорителя Varian Сlinak.

В качестве опоры установки было рассмотрено два варианта – конструкция на основе двутавров и конструкция на основе швеллеров. Вес ускорителя с защитой и коллиматором был принят равным 800 кг. Исходя из этого была построена 3D – модели опорной станины, представленные на рисунке 5.

Рисунок 5. Варианты опорной станины:

1 - на основе двутавра, 2 - на основе швеллера

Первый вариант станины представляет собой раму, построенную на базе двутавра 20Ш1 ГОСТ 26020-83. Двутавр усилен приварными ребрами жёсткости. К вертикально расположенным двутавровым балкам приварена опорная пластина с посадочными поверхностями для резьбового крепления ОПУ и отверстием для прокладки проводов и шлангов управления и контроля ускорителя.

Второй вариант станины представляет собой раму, построенную на базе сварной коробки из швеллеров 20П ГОСТ 8240-97. К вертикально расположенным балкам также приварена опорная пластина.

 

Узел крепления модулятора представляет собой сварную сборочную единицу на базе конструкционного профиля 40х40. Данный узел в составе опорной станины представлен на рисунке 6.


Рисунок 6. Сборочная единица конструкционного профиля в составе опорной станины

Он сконструирован таким образом, чтобы обеспечить необходимую прочность конструкции при наличии достаточного пространства для прокладки коммуникаций.

 

Анализ прочностных характеристик опорной станины

Для оптимизации конструкции проводился анализ на основе расчета распределения напряжений и деформаций в среде SolidWorks. Под действием веса ускорителя и собственного веса рамы происходят упругие деформации, приводящие к изменению положения изоцентра пучка. Целью таких расчетов явилось сравнение двух вариантов опор и нахождение оптимального решения по созданию конструкции опорной части установки.

Основным этапом моделирования явился расчет деформаций опорной рамы и получение численных значений смещения изоцентра пучка.

На рисунке 7 и 8 представлены графические результаты для распределения напряжений на опорную раму на основе двутавра и швеллера соответственно.

Рисунок 7. Графическое представление напряжений на опорную станину гантри на основе щвеллера

Рисунок 8.  Графическое представление напряжений на опорную станину гантри на основе швеллера

Из данных рисунков видно, что напряжения на швеллеры распределяются более равномерно, чем на двутавры, а максимальное напряжение меньше.

 

Рисунок 9.  Графическое представление отклонений пучка изоцентра конструкции с опорной станиной на основе двутавра 

Для расчетов отклонения пучка от изоцентра в модели использовали невесомый стержень, ось которого совпадает с направлением пучка. При этом определяли расстояние от оси пучка до оси вращения. Графические результаты расчетов отклонений представлены на рисунках 9 и 10.

 

 Рисунок 10.  Графическое представление отклонений пучка изоцентра конструкции с опорной станиной на основе швеллера

 

Погрешность задания изоцентра ускорителя может быть определена

как сумма трех составляющих, определяемых следующими факторами:

- упругая деформация опорной рамы;

- упругая деформация поворотной рамы;

- смещение реальной оси вращения ОПУ под действием момента сил, создаваемого весом поворотной части ускорителя.

Упругая деформация опорной станины обусловлена действием изгибающих моментов, создаваемых весом поворотной части гантри. Для расчетов вес поворотной части был выбран в размере 3т. Расстояние до центра тяжести поворотной части – 1м. При этих параметрах смещение оси вращения в изоцентре для конструкций опорной рамы на основе двутавра и швеллера составило 1,115 мм и 1,293 соответственно, что и показано на рисунках 9 и 10.

Сравнительная характеристика максимальных значений напряжений, перемещений и деформаций для двух видов опорных рам представлена в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика максимальных значений напряжений, перемещений и деформаций

При сравнении двух вариантов конструкции опорной рамы гантри был

выбран вариант на основе швеллеров как наиболее оптимальный по всем параметрам.


Список использованных источников

1. Алямовский А.А. Основы расчета конструирования на прочность в среде SolidWorks. –М.:ДМК Пресс,2010.-784с.:ил. (Серия проектирование).

2. Николаев Г.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций. –М.:Высш. школа, 1982.- 272с.:ил.

3. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Югов. А.М. и др. Алгоритмы расчета стальных конструкций. – М.:Стройиздат, 1989.-368с.:ил.

4. Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций: Учебн. Пособие для техникумов.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Стройиздат, 1991.-431с.:ил.

5. Иванов А.С. Конструируем машины. Шаг за шагом. В 2-х ч. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

6. Спецификация продукции фирмы Varian medical systems для продукта Varian Unique.

7. Трофимова О.П., Ткачев С.И., Юрьева Т.В. Прошлое и настоящее лучевой терапии в онкологии [электронный ресурс]// КЛИНИЧЕСКАЯ ОНКОГЕМАТОЛОГИЯ. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И КЛИНИЧЕСКАЯ ПРАКТИКА. – 2013. – том 6, №4. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/proshloe-i-nastoyaschee-luchevoy-terapii-v-onkologii