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      計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD/CAE軟件在成像儀設(shè)計(jì)中的使用分析

      時(shí)間:2024-04-29 04:49:45 CAD工程制圖 我要投稿
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      計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD/CAE軟件在成像儀設(shè)計(jì)中的使用分析

        自20世紀(jì)80年代初雜交測序(sequencing byhybridization,SBH)概念的提出,到20世紀(jì)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(jī)構(gòu)均對此投以可觀的財(cái)力。采用計(jì)算機(jī)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(diǎn)是掃描時(shí)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(jì)的化學(xué)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(diǎn)。尤其是在短時(shí)間內(nèi)可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,深受檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)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(fù)雜,價(jià)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(yīng)用方便以及與國產(chǎn)生物芯片配套的化學(xué)發(fā)光成像儀具有重要意義。

        1 化學(xué)發(fā)光成像儀

        化學(xué)發(fā)光分析廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生命科學(xué)及材料科學(xué)等領(lǐng)域。化學(xué)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(jī)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(shí)意義。化學(xué)發(fā)光成像儀的設(shè)計(jì)改進(jìn)了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法,充分借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computeraided design,CAD)及計(jì)算機(jī)輔助工程(computeraided engineering,CAE)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和缺陷修改。

        1.1 化學(xué)發(fā)光成像儀設(shè)計(jì)思路

        在具體結(jié)構(gòu)上借助三維CAD系統(tǒng),以實(shí)際工作情況為基礎(chǔ)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。借助CAE系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵部件強(qiáng)度和熱-應(yīng)力耦合分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的同時(shí)提高設(shè)計(jì)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(yīng)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(jì)。由于傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法無法完成精確而全面的計(jì)算和分析,因此必須采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法加以解決。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(xué)科更加工程實(shí)用化,學(xué)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(xué)發(fā)光成像儀的快速設(shè)計(jì)和定型生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。基于CAD/CAE技術(shù)、用于化學(xué)發(fā)光成像儀分析的三維模型如圖1所示。

        現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法表明,產(chǎn)品設(shè)計(jì)雖然只占產(chǎn)品整個(gè)成本的5%,但卻影響產(chǎn)品整個(gè)成本的70%。潛在的問題越早得到解決,設(shè)計(jì)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(jì)、制造成本。在實(shí)際制造前利用三維數(shù)字模型進(jìn)行仿真分析已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)工程中的重要方向和課題。

        2 化學(xué)發(fā)光檢測儀熱耦合分析計(jì)算

        由于熒光及化學(xué)發(fā)光本身較弱,在做化學(xué)發(fā)光檢測時(shí)需要曝光的時(shí)間比較長,這將導(dǎo)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(huì)發(fā)熱,未散熱的芯片其“熱”或“白”的像素點(diǎn)則會(huì)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(jì)工作考慮的重點(diǎn)。

        2.1 結(jié)構(gòu)散熱效果評價(jià)方法

        目前,評價(jià)機(jī)械結(jié)構(gòu)散熱系統(tǒng)工作效果的方法有3種:①實(shí)物試驗(yàn);②進(jìn)行全系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn);③冷卻系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真分析。

        (1)實(shí)物試驗(yàn)是最直接、最簡單的方法,但是周期會(huì)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(yàn)的可重復(fù)性差。

        (2)進(jìn)行全系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是近些年發(fā)展起來的新技術(shù),采用這樣的方法評價(jià)起來比較全面,量化程度高,準(zhǔn)確可靠,但對試驗(yàn)設(shè)備的要求苛刻。該方法與實(shí)物試驗(yàn)方法的共同點(diǎn)是整個(gè)試驗(yàn)均建立在散熱系統(tǒng)的實(shí)物基礎(chǔ)之上。

        (3)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真分析。在儀器尚未制造出來之前,先建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和物理模型,借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),能夠預(yù)先對將要建立的散熱系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)評估,將會(huì)極大節(jié)省工程設(shè)計(jì)的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等。

        2.2 CCD裝配結(jié)構(gòu)熱分析計(jì)算

        本研究以ANSYS軟件(CAE有限元分析軟件)通過數(shù)值模擬進(jìn)行熱分析,可預(yù)測設(shè)計(jì)產(chǎn)品的熱可靠性能,合理進(jìn)行產(chǎn)品的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)力進(jìn)行計(jì)算與分析,從而獲得熱應(yīng)力、熱變形大小分析數(shù)據(jù),為設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)。

        熱分析用于計(jì)算一個(gè)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(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度,并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。

        對于一個(gè)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(dòng)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(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化,其能量平衡方程為(公式2):

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

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

        3 三維模型的建立

        根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)體模型可輸入至ANSYS系統(tǒng)中構(gòu)建有限元模型進(jìn)行分析。這一建模思路可避免對現(xiàn)有CAD模型的重復(fù)勞動(dòng)生成待分析的實(shí)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)為44751。網(wǎng)格劃分完畢,即進(jìn)行載荷與邊界條件的添加。根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)的實(shí)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(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng);②根據(jù)CCD支板受力情況,對有限元模型添加相應(yīng)載荷;③進(jìn)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(yīng)力耦合分析

        為確保CCD攝像頭定位的準(zhǔn)確可靠,其支架結(jié)構(gòu)剛性設(shè)計(jì)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(yīng)力耦合下位移及應(yīng)力分布如圖5所示。

        5 結(jié)論

        CAD/CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中的科學(xué)計(jì)算、設(shè)計(jì)和分析中,成功地解決了許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)和分析問題,已成為工程設(shè)計(jì)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(jì)中應(yīng)用,并能夠有效和快捷地對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)的CAD/CAE技術(shù),針對化學(xué)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(jìn)行整體建模,通過數(shù)值計(jì)算方法對承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算,為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。同時(shí),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(yùn)算可對散熱系統(tǒng)在不同條件下的工作特性進(jìn)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(jì)中必不可少的組成部分。本研究為機(jī)械結(jié)構(gòu)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的輔助設(shè)計(jì)與分析方法,為相關(guān)儀器熱平衡設(shè)計(jì)中的難題提供了解決思路。

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