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  • 計算機輔助設(shè)計CAD/CAE軟件在成像儀設(shè)計中的使用分析

    時間:2024-04-29 04:49:45 CAD工程制圖 我要投稿
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    計算機輔助設(shè)計CAD/CAE軟件在成像儀設(shè)計中的使用分析

      自20世紀80年代初雜交測序(sequencing byhybridization,SBH)概念的提出,到20世紀90年代初各種生物芯片的研制,芯片技術(shù)得以迅速發(fā)展,并呈現(xiàn)發(fā)展高峰,國外多家機構(gòu)均對此投以可觀的財力。采用計算機控制的電荷耦合器件(chargecouple device,CCD)攝像原理可獲得結(jié)合于芯片上目的基因的熒光信號,其特點是掃描時間短,靈敏度和分辨率較高,較適合用于臨床診斷。

      本研究基于生物芯片檢測技術(shù)研發(fā)設(shè)計的化學發(fā)光成像儀具有簡便易行、穩(wěn)定性高及不污染環(huán)境等優(yōu)點。尤其是在短時間內(nèi)可得到實驗結(jié)果,深受檢驗醫(yī)學和臨床醫(yī)師的青睞。目前,國內(nèi)所使用的儀器多為歐美廠商的產(chǎn)品,其系統(tǒng)復雜,價格昂貴,不適于在中小型醫(yī)院普及推廣。因此,開發(fā)出適合國內(nèi)需求、應用方便以及與國產(chǎn)生物芯片配套的化學發(fā)光成像儀具有重要意義。

      1 化學發(fā)光成像儀

      化學發(fā)光分析廣泛應用于環(huán)境科學、臨床醫(yī)學、藥學、生命科學及材料科學等領(lǐng)域;瘜W發(fā)光成像儀的研制,可改變國外同類設(shè)備產(chǎn)品在我國醫(yī)療機構(gòu)的壟斷,對分析方法發(fā)展和儀器制造水平的提高具有現(xiàn)實意義。化學發(fā)光成像儀的設(shè)計改進了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法,充分借助計算機輔助設(shè)計(computeraided design,CAD)及計算機輔助工程(computeraided engineering,CAE)技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計驗證和缺陷修改。

      1.1 化學發(fā)光成像儀設(shè)計思路

      在具體結(jié)構(gòu)上借助三維CAD系統(tǒng),以實際工作情況為基礎(chǔ)進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。借助CAE系統(tǒng)進行關(guān)鍵部件強度和熱-應力耦合分析,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷,實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。在實現(xiàn)創(chuàng)新的同時提高設(shè)計質(zhì)量,降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期。

      1.2 CAD/CAE技術(shù)的應用

      現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展表明,現(xiàn)代產(chǎn)品的創(chuàng)新是基于知識和信息的創(chuàng)新設(shè)計。由于傳統(tǒng)的解析計算方法無法完成精確而全面的計算和分析,因此必須采用現(xiàn)代設(shè)計方法加以解決。隨著現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)不斷發(fā)展,CAD/CAE技術(shù)的內(nèi)涵和外延向更深、更廣的方向發(fā)展。原有的學科更加工程實用化,學科方向不斷拓展,且與相關(guān)技術(shù)日益結(jié)合,朝集成化、一體化的方向發(fā)展。這一發(fā)展為化學發(fā)光成像儀的快速設(shè)計和定型生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ);贑AD/CAE技術(shù)、用于化學發(fā)光成像儀分析的三維模型如圖1所示。

      現(xiàn)代設(shè)計方法表明,產(chǎn)品設(shè)計雖然只占產(chǎn)品整個成本的5%,但卻影響產(chǎn)品整個成本的70%。潛在的問題越早得到解決,設(shè)計的成本與周期的降低效果越明顯。因此,必須大幅度消減產(chǎn)品設(shè)計、制造成本。在實際制造前利用三維數(shù)字模型進行仿真分析已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計工程中的重要方向和課題。

      2 化學發(fā)光檢測儀熱耦合分析計算

      由于熒光及化學發(fā)光本身較弱,在做化學發(fā)光檢測時需要曝光的時間比較長,這將導致CCD產(chǎn)生較多的暗電流,對圖像的質(zhì)量影響非常大。通常CCD產(chǎn)生的暗電流隨著溫度下降而減少,因此,通過降低CCD的溫度最大限度地減少暗電流對成像的影響。CCD芯片曝光>5~10 s則會發(fā)熱,未散熱的芯片其“熱”或“白”的像素點則會遮蓋圖像,圖像布滿雪花。通過改善結(jié)構(gòu)、優(yōu)化方法能夠減少噪音的產(chǎn)生。因此,結(jié)構(gòu)散熱是設(shè)計工作考慮的重點。

      2.1 結(jié)構(gòu)散熱效果評價方法

      目前,評價機械結(jié)構(gòu)散熱系統(tǒng)工作效果的方法有3種:①實物試驗;②進行全系統(tǒng)的模擬實驗室試驗;③冷卻系統(tǒng)的計算機仿真分析。

      (1)實物試驗是最直接、最簡單的方法,但是周期會比較長,耗資也大,獲得全面的數(shù)據(jù)也有些困難,在某一種工況下試驗的可重復性差。

      (2)進行全系統(tǒng)的模擬實驗室試驗是近些年發(fā)展起來的新技術(shù),采用這樣的方法評價起來比較全面,量化程度高,準確可靠,但對試驗設(shè)備的要求苛刻。該方法與實物試驗方法的共同點是整個試驗均建立在散熱系統(tǒng)的實物基礎(chǔ)之上。

      (3)隨著計算機軟硬件和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的計算機仿真分析。在儀器尚未制造出來之前,先建立相應的數(shù)學模型和物理模型,借助于先進的計算機仿真技術(shù),能夠預先對將要建立的散熱系統(tǒng)進行相應評估,將會極大節(jié)省工程設(shè)計的時間、經(jīng)費等。

      2.2 CCD裝配結(jié)構(gòu)熱分析計算

      本研究以ANSYS軟件(CAE有限元分析軟件)通過數(shù)值模擬進行熱分析,可預測設(shè)計產(chǎn)品的熱可靠性能,合理進行產(chǎn)品的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計,平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱可靠性之間的關(guān)系,提高產(chǎn)品的熱可靠性;以CCD攝像頭、配套支架和周圍的空氣流體為研究對象,利用ANSYS軟件的求解熱分析技術(shù)對CCD攝像頭發(fā)熱過程中的散熱和熱應力進行計算與分析,從而獲得熱應力、熱變形大小分析數(shù)據(jù),為設(shè)計工作提供指導。

      熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其熱物理參數(shù),如熱量的獲取或損失、熱梯度及熱流密度等。ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程,所有有限元計算各節(jié)點的溫度,并導出其他熱物理參數(shù)。

      對于一個封閉系統(tǒng),無質(zhì)量的流入或流出即(公式1):

      Q-W=△U+△KE+△PE(1)式中,Q為熱量;W為做功;△U為系統(tǒng)內(nèi)能;△KE為系統(tǒng)動能;△PE為系統(tǒng)勢能。對于多數(shù)工程傳熱問題:△KE=△PE=0;通常考慮沒有做功:W=0;對于穩(wěn)態(tài)熱分析:Q=△U=0,即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量。

      在穩(wěn)態(tài)熱分析中任何一節(jié)點的溫度不隨時間變化,其能量平衡方程為(公式2):

      [K]{T}={Q} (2)式中,[K]為傳導矩陣,包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀函數(shù);{T}為節(jié)點溫度向量;Q為節(jié)點熱流率向量,包含熱生成。

      耦合場分析是考慮2個或數(shù)個工程物理場之間相互作用的分析,本研究為熱應力分析,考慮到物體的熱脹冷縮原理,通過計算得到由于溫度分布不均勻?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應力。

      3 三維模型的建立

      根據(jù)設(shè)計要求,借助CAD系統(tǒng)建立CCD攝像頭裝配結(jié)構(gòu)的三維幾何模型。利用CAD系統(tǒng)快速建模,建成的實體模型可輸入至ANSYS系統(tǒng)中構(gòu)建有限元模型進行分析。這一建模思路可避免對現(xiàn)有CAD模型的重復勞動生成待分析的實體模型。

      環(huán)境溫度為27 ℃,CCD攝像頭溫度為70 ℃,自然對流環(huán)境。采用直接生成節(jié)點和單元的方法建立有限元模型。有限元網(wǎng)格的單元數(shù)為11604,節(jié)點數(shù)為44751。網(wǎng)格劃分完畢,即進行載荷與邊界條件的添加。根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài),載荷與邊界條件的添加如下:①位移邊界條件為約束支架底平面,約束3個方向的平動和轉(zhuǎn)動;②根據(jù)CCD支板受力情況,對有限元模型添加相應載荷;③進行網(wǎng)格劃分,生成有限單元網(wǎng)格。完成后的三維模型和有限元模型如圖2所示。

      分析得到熱分布云圖,如圖3所示。

      4 熱應力耦合分析

      為確保CCD攝像頭定位的準確可靠,其支架結(jié)構(gòu)剛性設(shè)計是需要考慮的重要問題,將載荷加至水平承載板上,其單板分析如圖4所示。

      部件裝配體熱應力耦合下位移及應力分布如圖5所示。

      5 結(jié)論

      CAD/CAE技術(shù)廣泛應用于各個領(lǐng)域中的科學計算、設(shè)計和分析中,成功地解決了許多復雜的設(shè)計和分析問題,已成為工程設(shè)計和分析的重要工具。了解建模方法以及有限元分析的基本理論,可更好地在工程設(shè)計中應用,并能夠有效和快捷地對產(chǎn)品進行設(shè)計制造,降低產(chǎn)品研制成本,提高產(chǎn)品的市場競爭力。

      本研究借助先進的CAD/CAE技術(shù),針對化學發(fā)光成像儀工作的典型狀況,簡化載荷和約束的施加,對主要承力部件進行整體建模,通過數(shù)值計算方法對承載結(jié)構(gòu)進行仿真計算,為進一步改進設(shè)計提供參考和依據(jù)。同時,本研究對于其他熱-固耦合的熱環(huán)境仿真分析有很好的借鑒作用。散熱系統(tǒng)的仿真運算可對散熱系統(tǒng)在不同條件下的工作特性進行分析,獲得散熱器的特性參數(shù)與各種工作曲線,其結(jié)果為散熱系統(tǒng)方案設(shè)計中必不可少的組成部分。本研究為機械結(jié)構(gòu)散熱系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種新的輔助設(shè)計與分析方法,為相關(guān)儀器熱平衡設(shè)計中的難題提供了解決思路。

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