磁共振（MRI）系統(tǒng)廣泛應用于現(xiàn)代醫(yī)療影像診斷。其中梯度線圈是MRI系統(tǒng)的一個重要組成部分,其線圈效率以及產生梯度磁場的線性度直接影響到MRI系統(tǒng)的成像質量。在MRI系統(tǒng)工作時,通電的梯度線圈在MRI系統(tǒng)的勻強磁場中會受到洛倫茲力的作用,通過梯度線圈的脈沖電流,產生的洛倫茲力會導致線圈的變形和振動。所以對梯度線圈的支撐結構進行優(yōu)化以提升梯度線圈在實際工作狀態(tài)下的位置精度和穩(wěn)定性對于成像精度有較為重要的作用。針對流函數方法設計的圓柱型梯度線圈的支撐結構,通過提高其剛度來降低洛倫茲力對梯度線圈精度的影響。使用基于密度法的多負載條件下SIMP拓撲優(yōu)化方法,對x, y, z三個方向的梯度線圈支撐結構進行多負載條件下力學結構優(yōu)化設計。得到較為符合受力狀態(tài)的結構并且在實際工作狀態(tài)下的性能得到了提高。 

【文章來源】：計算機仿真. 2020,37(08)北大核心

【文章頁數】：7 頁

【部分圖文】：

圖1 支撐結構受力分析

綜合x,y,z三個方向的梯度線圈,在數值優(yōu)化中總共需要采用9個負載進行設計(z方向梯度線圈算作一個負載)。對所有負載進行優(yōu)化可以得到較為合理的結果。通常用來固定梯度線圈的材料為樹脂等非金屬絕緣各向同性材料,優(yōu)化出的支撐結構同樣也可以使用樹脂或塑料等高分子聚合材料。使用SIMP拓撲優(yōu)化方法,將支撐結構的密度作為設計變量,其各處的取值為0或1,0表示無材料分布,1表示有材料分布。以應變能極小(剛度極大)作為優(yōu)化目標函數。其數學模型為

其中,f為結構的總體柔度;K,U,F分別為整體剛度矩陣、位移矢量和力矢量;V為實際材料體積;V*為體積分數;V0為初始體積;ρe為單元密度。用流函數方法計算一個半徑為0.25m,高為0.75m,ROI為半徑0.125m的球體區(qū)域的圓柱面梯度線圈(本文所有算例皆基于此幾何條件),得到x,y,z三個方向的梯度線圈構型,將線圈的圓柱支撐結構的兩個端面做位移約束,并由此計算支撐結構在每個負載下的受力和變形(圖3)。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]結合振動控制的柱面縱向梯度線圈目標場設計方法[J]. 胡格麗,倪志鵬,王秋良.  物理學報. 2014(01)

博士論文
[1]磁共振系統(tǒng)可展梯度線圈拓撲構型設計方法研究[D]. 潘輝.中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所) 2018
[2]基于接觸和振動仿真的經緯儀結構設計及輕量化研究[D]. 謝軍.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 2017



本文編號：3301955