陳 瑋 肖 瑞 榮 振 蘆宏斌 張春霞 程 鵬

CAD/CAE技術(shù)在化學(xué)發(fā)光成像儀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陳 瑋① 肖 瑞②* 榮 振② 蘆宏斌① 張春霞① 程 鵬①

目的：研制一種用于生物芯片、免疫滲濾(IFA)及免疫層析(ICA)等化學(xué)發(fā)光信號(hào)檢測(cè)的多用途成像儀器。方法：借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助工程(CAD/CAE)技術(shù)，針對(duì)設(shè)計(jì)的多用途成像儀關(guān)鍵部件進(jìn)行建模和仿真，對(duì)整體調(diào)焦定位架構(gòu)進(jìn)行分析，得到其承載靜強(qiáng)度分布情況；以電荷耦合器件(CCD)攝像頭作為熱源，對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱-固耦合分析，得到熱應(yīng)力情況，在保證性能的前提下進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。結(jié)果：通過(guò)對(duì)整體調(diào)焦定位架構(gòu)和熱-固耦合的仿真分析，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)，可減少開發(fā)費(fèi)用及縮短開發(fā)周期。結(jié)論：CAD/CAE技術(shù)是進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法，是設(shè)計(jì)工作由經(jīng)驗(yàn)類比方法向科學(xué)分析方法轉(zhuǎn)變的重要保證，對(duì)于設(shè)計(jì)工作中提升產(chǎn)品性能、提高設(shè)計(jì)效率可起到積極的推動(dòng)作用。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；耦合；優(yōu)化分析；化學(xué)發(fā)光

[First-author’s address]Plant of Experimental Instrument, Academy of Military Medical Sciences of PLA, Beijing 100850, China.

自20世紀(jì)80年代初雜交測(cè)序(sequencing by hybridization，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[1-2]。采用計(jì)算機(jī)控制的電荷耦合器件(charge couple 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[3-10]。化學(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)(computer aided design，CAD)及計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided 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[11]。

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)[12]。由于傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法無(wú)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[13]。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%[14]。潛在的問(wèn)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。

圖1 化學(xué)發(fā)光成像儀三維模型圖

2 化學(xué)發(fā)光檢測(cè)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(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(guò)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(guò)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)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(lái)的新技術(shù)，采用這樣的方法評(píng)價(jià)起來(lái)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(lái)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

本研究以ANSYS軟件(CAE有限元分析軟件)通過(guò)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(guò)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)[15]。

對(duì)于一個(gè)封閉系統(tǒng)，無(wú)質(zhì)量的流入或流出即(公式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(wèn)題：△KE＝△PE＝0；通?？紤]沒(méi)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)：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，本研究為熱應(yīng)力分析，考慮到物體的熱脹冷縮原理，通過(guò)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[16]。

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：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。

圖2 裝配結(jié)構(gòu)三維模型和有限元模型

圖3 熱分布云圖

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(wèn)題，將載荷加至水平承載板上，其單板分析如圖4所示。

圖4 熱應(yīng)力分布圖

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。

圖5 部件裝配體熱應(yīng)力位移及應(yīng)力分布圖

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(wèn)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(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(guò)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。

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Application of CAD/CAE technology in the design of chemiluminescent imaging instrument/

CHEN Wei, XIAO Rui, RONG Zhen, et al// China Medical Equipment,2014,11(1):30-33.

Objective:To develop a multipurpose imaging instrument which can detect chemiluminescent signal of biochips, Immununofiltration assay and Immunochromatographic assay.Methods:With CAD/CAE technology, some key parts undertaking loads were modeled and analized, including strength analysis and thermal-stress coupled analysis. This ensure to get optimization result.Results:Through simulation analysis, the design level was improved, development costs and development cycle were reduced.Conclusion:Optimization of products with CAD/CAE is an effective design method, which is an important guarantee for the design from the experience analogy method to the scientific analysis method. The product’s performance and design efficiency can be improved.

Computer aided design; Termal-solid coupling; Structure optimization; Chemiluminescence

1672-8270(2014)01-0030-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.011

2013-08-23

①軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)儀器廠 北京 100850

②軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所 北京 100850

*通訊作者：chw69221@126.com

陳瑋,男,(1969- ),碩士，高級(jí)工程師。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)儀器廠，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及有限元技術(shù)。