計算機輔助設計CAD/CAE軟件在成像儀設計中的使用分析
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，芯片技術得以迅速發(fā)展，并呈現(xiàn)發(fā)展高峰，國外多家機構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研發(fā)設計的化學發(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域。化學發(fā)光成像儀的研制，可改變國外同類設備產(chǎn)品在我國醫(yī)療機構的壟斷，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)光成像儀的設計改進了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計方法，充分借助計算機輔助設計(computeraided design，CAD)及計算機輔助工程(computeraided engineering，CAE)技術實現(xiàn)產(chǎn)品的設計驗證和缺陷修改。
1.1 化學發(fā)光成像儀設計思路
在具體結構上借助三維CAD系統(tǒng)，以實際工作情況為基礎進行整體結構設計。借助CAE系統(tǒng)進行關鍵部件強度和熱-應力耦合分析，及時發(fā)現(xiàn)設計缺陷，實現(xiàn)優(yōu)化設計。在實現(xiàn)創(chuàng)新的同時提高設計質(zhì)量，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。
1.2 CAD/CAE技術的應用
現(xiàn)代工業(yè)技術的發(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)代設計方法加以解決。隨著現(xiàn)代設計技術不斷發(fā)展，CAD/CAE技術的內(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，且與相關技術日益結合，朝集成化、一體化的方向發(fā)展。這一發(fā)展為化學發(fā)光成像儀的快速設計和定型生產(chǎn)奠定了基礎。基于CAD/CAE技術、用于化學發(fā)光成像儀分析的三維模型如圖1所示。
現(xiàn)代設計方法表明，產(chǎn)品設計雖然只占產(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。通過改善結構、優(yōu)化方法能夠減少噪音的產(chǎn)生。因此，結構散熱是設計工作考慮的重點。
2.1 結構散熱效果評價方法
目前，評價機械結構散熱系統(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，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)的實物基礎之上。
(3)隨著計算機軟硬件和計算機仿真技術的發(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，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)省工程設計的時間、經(jīng)費等。
2.2 CCD裝配結構熱分析計算
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，可預測設計產(chǎn)品的熱可靠性能，合理進行產(chǎn)品的散熱結構設計，平衡結構設計與熱可靠性之間的關系，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對結構產(chǎn)生的熱應力。
3 三維模型的建立
根據(jù)設計要求，借助CAD系統(tǒng)建立CCD攝像頭裝配結構的三維幾何模型。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)儀器結構的實際工作狀態(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，其支架結構剛性設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 結論
CAD/CAE技術廣泛應用于各個領域中的科學計算、設計和分析中，成功地解決了許多復雜的設計和分析問題，已成為工程設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，可更好地在工程設計中應用，并能夠有效和快捷地對產(chǎn)品進行設計制造，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，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構進行仿真計算，為進一步改進設計提供參考和依據(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，其結果為散熱系統(tǒng)方案設計中必不可少的組成部分。本研究為機械結構散熱系統(tǒng)的設計提供了一種新的輔助設計與分析方法，為相關儀器熱平衡設計中的難題提供了解決思路。
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