人体SPECT是一种精密的医学影像设备,在人体器官的功能研究及疾病诊断方面应用广泛。SPECT设备的机械系统具有多自由度、高负载和变载荷等工作特点,这对机械系统的疲劳可靠性是非常大的考验。在产品设计阶段,为保证SPECT机械系统疲劳性能,采用虚拟疲劳试验法对其进行疲劳寿命分析,并在此基础上对关键零部件进行优化设计。采用S-N曲线法进行疲劳寿命分析。首先,建立SPECT机械系统三维模型,并根据SPECT运动特性进行动力学仿真分析,获取丝杠、导轨滑块、轴承座等关键连接处的载荷时间历程;然后对基板装配体、X平台装配体和Y平台装配体进行有限元分析,在各零部件的关键连接处添加单位载荷,并运用惯性释放法求解获取静力学分析结果;最后选取S-N曲线法进行疲劳寿命分析,运用线性叠加法将载荷谱与单位载荷的静应力分析结果相乘获取应力谱,再结合零部件本身的疲劳特性即应力-寿命曲线进行寿命预测。分析结果表明相关零部件满足设计要求。在保证SPECT机械系统的疲劳可靠性满足要求基础上,对零部件进行优化设计以达到提高材料利用率、减轻设备重量、降低成本的目的。采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法,首先应用拓扑优化法进行结构消减,再应用响应面法对局部尺寸进行控制。建立探测器平移机构在4种典型工况下的有限元模型,根据有限元分析的应变能结果设置各工况在拓扑优化时的权重比;建立多工况拓扑优化模型,搜索最优材料分布,并进行模型重构获取改进结构;对改进后的结构进行参数化建模,选取对质量影响较大的尺寸参数如厚度、减重孔大小作为优化的设计变量,并根据装配关系、运动范围等技术参数设置合理的设计变量取值范围;运用最佳空间填充法进行试验设计,在取值范围内抽取试验样本点;运用非参数回归法及标准二阶响应面法进行响应面构建,以体积质量最小为目标、以零部件的各关键尺寸为设计变量、以疲劳寿命结果为约束条件进行优化设计,通过遗传算法进行求解,X平台装配体质量减轻11.2%,Y平台装配体质量减轻15.9%,基板装配体质量减轻15.1%,且疲劳寿命都满足要求,实现了轻量化设计。