磁共振系统梯度线圈支撑结构的拓扑优化
发布时间:2021-07-25 11:36
磁共振(MRI)系统广泛应用于现代医疗影像诊断。其中梯度线圈是MRI系统的一个重要组成部分,其线圈效率以及产生梯度磁场的线性度直接影响到MRI系统的成像质量。在MRI系统工作时,通电的梯度线圈在MRI系统的匀强磁场中会受到洛伦兹力的作用,通过梯度线圈的脉冲电流,产生的洛伦兹力会导致线圈的变形和振动。所以对梯度线圈的支撑结构进行优化以提升梯度线圈在实际工作状态下的位置精度和稳定性对于成像精度有较为重要的作用。针对流函数方法设计的圆柱型梯度线圈的支撑结构,通过提高其刚度来降低洛伦兹力对梯度线圈精度的影响。使用基于密度法的多负载条件下SIMP拓扑优化方法,对x, y, z三个方向的梯度线圈支撑结构进行多负载条件下力学结构优化设计。得到较为符合受力状态的结构并且在实际工作状态下的性能得到了提高。
【文章来源】:计算机仿真. 2020,37(08)北大核心
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
图1 支撑结构受力分析
综合x,y,z三个方向的梯度线圈,在数值优化中总共需要采用9个负载进行设计(z方向梯度线圈算作一个负载)。对所有负载进行优化可以得到较为合理的结果。通常用来固定梯度线圈的材料为树脂等非金属绝缘各向同性材料,优化出的支撑结构同样也可以使用树脂或塑料等高分子聚合材料。使用SIMP拓扑优化方法,将支撑结构的密度作为设计变量,其各处的取值为0或1,0表示无材料分布,1表示有材料分布。以应变能极小(刚度极大)作为优化目标函数。其数学模型为
其中,f为结构的总体柔度;K,U,F分别为整体刚度矩阵、位移矢量和力矢量;V为实际材料体积;V*为体积分数;V0为初始体积;ρe为单元密度。用流函数方法计算一个半径为0.25m,高为0.75m,ROI为半径0.125m的球体区域的圆柱面梯度线圈(本文所有算例皆基于此几何条件),得到x,y,z三个方向的梯度线圈构型,将线圈的圆柱支撑结构的两个端面做位移约束,并由此计算支撑结构在每个负载下的受力和变形(图3)。
【参考文献】:
期刊论文
[1]结合振动控制的柱面纵向梯度线圈目标场设计方法[J]. 胡格丽,倪志鹏,王秋良. 物理学报. 2014(01)
博士论文
[1]磁共振系统可展梯度线圈拓扑构型设计方法研究[D]. 潘辉.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]基于接触和振动仿真的经纬仪结构设计及轻量化研究[D]. 谢军.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
本文编号:3301955
【文章来源】:计算机仿真. 2020,37(08)北大核心
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
图1 支撑结构受力分析
综合x,y,z三个方向的梯度线圈,在数值优化中总共需要采用9个负载进行设计(z方向梯度线圈算作一个负载)。对所有负载进行优化可以得到较为合理的结果。通常用来固定梯度线圈的材料为树脂等非金属绝缘各向同性材料,优化出的支撑结构同样也可以使用树脂或塑料等高分子聚合材料。使用SIMP拓扑优化方法,将支撑结构的密度作为设计变量,其各处的取值为0或1,0表示无材料分布,1表示有材料分布。以应变能极小(刚度极大)作为优化目标函数。其数学模型为
其中,f为结构的总体柔度;K,U,F分别为整体刚度矩阵、位移矢量和力矢量;V为实际材料体积;V*为体积分数;V0为初始体积;ρe为单元密度。用流函数方法计算一个半径为0.25m,高为0.75m,ROI为半径0.125m的球体区域的圆柱面梯度线圈(本文所有算例皆基于此几何条件),得到x,y,z三个方向的梯度线圈构型,将线圈的圆柱支撑结构的两个端面做位移约束,并由此计算支撑结构在每个负载下的受力和变形(图3)。
【参考文献】:
期刊论文
[1]结合振动控制的柱面纵向梯度线圈目标场设计方法[J]. 胡格丽,倪志鹏,王秋良. 物理学报. 2014(01)
博士论文
[1]磁共振系统可展梯度线圈拓扑构型设计方法研究[D]. 潘辉.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]基于接触和振动仿真的经纬仪结构设计及轻量化研究[D]. 谢军.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
本文编号:3301955
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3301955.html