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1、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 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(cè)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(guó)外多家機(jī)構(gòu)均對(duì)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(hào)，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(cè)技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)的化學(xué)發(fā)光成像儀具有簡(jiǎn)便易行、穩(wěn)定

2、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(guó)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(guó)內(nèi)需求、應(yīng)用方便以及與國(guó)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?；瘜W(xué)發(fā)光成像儀的研制，可改變國(guó)外同類設(shè)備產(chǎn)品在我國(guó)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的壟斷，對(duì)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?；瘜W(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，C

3、AD)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(shí)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

4、，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)?；贑AD/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(cè)儀熱耦合分析計(jì)算 　　由于熒

5、光及化學(xué)發(fā)光本身較弱，在做化學(xué)發(fā)光檢測(cè)時(shí)需要曝光的時(shí)間比較長(zhǎng)，這將導(dǎo)致CCD產(chǎn)生較多的暗電流，對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)方法 　　目前，評(píng)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(jiǎn)

6、單的方法，但是周期會(huì)比較長(zhǎng)，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(píng)價(jià)起來比較全面，量化程度高，準(zhǔn)確可靠，但對(duì)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(duì)將要建立的散熱系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)評(píng)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

7、 　　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(cè)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(duì)象，利用ANSYS軟件的求解熱分析技術(shù)對(duì)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(duì)于一個(gè)封

8、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(shì)能。對(duì)于多數(shù)工程傳熱問題：△KE＝△PE＝0；通?？紤]沒有做功：W＝0；對(duì)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(duì)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(chǎng)分析是考慮2個(gè)或數(shù)個(gè)工程物理場(chǎng)之間相互作用的分析，本研究為熱

9、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(duì)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(duì)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

10、：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(duì)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

11、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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 　　本研究借助先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù)，針對(duì)化學(xué)發(fā)光成像儀工作的典型狀況，簡(jiǎn)化載荷和約束的施加，對(duì)主要承力部件進(jìn)行整體建模，通過數(shù)值計(jì)算方法對(duì)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(duì)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(duì)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。