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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(shù)得以迅速發(fā)展，并呈現發(fā)展高峰，國外多家機構均對此投以可觀(guān)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(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)設計的化學(xué)發(fā)光成像儀具有簡(jiǎn)便易行、穩定性高及不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。尤其是在短時(shí)間內可得到實(shí)驗結果，深受檢驗醫學(xué)和臨床醫師的青睞。目前，國內所使用的儀器多為歐美廠(chǎng)商的產(chǎn)品，其系統復雜，價(jià)格昂貴，不適于在中小型醫院普及推廣。因此，開(kāi)發(fā)出適合國內需求、應用方便以及與國產(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)光分析廣泛應用于環(huán)境科學(xué)、臨床醫學(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，可改變國外同類(lèi)設備產(chǎn)品在我國醫療機構的壟斷，對分析方法發(fā)展和儀器制造水平的提高具有現實(shí)意義�；瘜W(xué)發(fā)光成像儀的設計改進(jìn)了傳統的產(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(shù)實(shí)現產(chǎn)品的設計驗證和缺陷修改。
1.1 化學(xué)發(fā)光成像儀設計思路
在具體結構上借助三維CAD系統，以實(shí)際工作情況為基礎進(jìn)行整體結構設計。借助CAE系統進(jìn)行關(guān)鍵部件強度和熱-應力耦合分析，及時(shí)發(fā)現設計缺陷，實(shí)現優(yōu)化設計。在實(shí)現創(chuàng )新的同時(shí)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(shù)的應用
現代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展表明，現代產(chǎn)品的創(chuàng )新是基于知識和信息的創(chuàng )新設計。由于傳統的解析計算方法無(wú)法完成精確而全面的計算和分析，因此必須采用現代設計方法加以解決。隨著(zhù)現代設計技術(shù)不斷發(fā)展，CAD/CAE技術(shù)的內涵和外延向更深、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)光成像儀的快速設計和定型生產(chǎn)奠定了基礎�；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。
現代設計方法表明，產(chǎn)品設計雖然只占產(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(wèn)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(shí)際制造前利用三維數字模型進(jìn)行仿真分析已成為現代工業(yè)設計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(cháng)，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(zhù)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(mǎn)雪花。通過(guò)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(diǎn)。
2.1 結構散熱效果評價(jià)方法
目前，評價(jià)機械結構散熱系統工作效果的方法有3種：①實(shí)物試驗；②進(jìn)行全系統的模擬實(shí)驗室試驗；③冷卻系統的計算機仿真分析。
(1)實(shí)物試驗是最直接、最簡(jiǎn)單的方法，但是周期會(huì )比較長(cháng)，耗資也大，獲得全面的數據也有些困難，在某一種工況下試驗的可重復性差。
(2)進(jìn)行全系統的模擬實(shí)驗室試驗是近些年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，采用這樣的方法評價(jià)起來(lái)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(shí)物試驗方法的共同點(diǎn)是整個(gè)試驗均建立在散熱系統的實(shí)物基礎之上。
(3)隨著(zhù)計算機軟硬件和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，出現了冷卻系統的計算機仿真分析。在儀器尚未制造出來(lái)之前，先建立相應的數學(xué)模型和物理模型，借助于先進(jìn)的計算機仿真技術(shù)，能夠預先對將要建立的散熱系統進(jìn)行相應評估，將會(huì )極大節省工程設計的時(shí)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(guò)數值模擬進(jìn)行熱分析，可預測設計產(chǎn)品的熱可靠性能，合理進(jìn)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(guān)系，提高產(chǎn)品的熱可靠性；以CCD攝像頭、配套支架和周?chē)目諝饬黧w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(guò)程中的散熱和熱應力進(jìn)行計算與分析，從而獲得熱應力、熱變形大小分析數據，為設計工作提供指導。
熱分析用于計算一個(gè)系統或部件的溫度分布及其熱物理參數，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點(diǎn)的溫度，并導出其他熱物理參數。
對于一個(gè)封閉系統，無(wú)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為系統內能；△KE為系統動(dòng)能；△PE為系統勢能。對于多數工程傳熱問(wèn)題：△KE＝△PE＝0；通�？紤]沒(méi)有做功：W＝0；對于穩態(tài)熱分析：Q＝△U＝0，即流入系統的熱量等于流出的熱量。
在穩態(tài)熱分析中任何一節點(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]為傳導矩陣，包含導熱系數、對流系數及輻射率和形狀函數；{T}為節點(diǎn)溫度向量；Q為節點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。
耦合場(chǎng)分析是考慮2個(gè)或數個(gè)工程物理場(chǎng)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(guò)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
根據設計要求，借助CAD系統建立CCD攝像頭裝配結構的三維幾何模型。利用CAD系統快速建模，建成的實(shí)體模型可輸入至ANSYS系統中構建有限元模型進(jìn)行分析。這一建模思路可避免對現有CAD模型的重復勞動(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)格的單元數為11604，節點(diǎn)數為44751。網(wǎng)格劃分完畢，即進(jìn)行載荷與邊界條件的添加。根據儀器結構的實(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)和轉動(dòng)；②根據CCD支板受力情況，對有限元模型添加相應載荷；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(wèn)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(shù)廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域中的科學(xué)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(wèn)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(jìn)行設計制造，降低產(chǎn)品研制成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)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(jiǎn)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(guò)數值計算方法對承載結構進(jìn)行仿真計算，為進(jìn)一步改進(jìn)設計提供參考和依據。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。散熱系統的仿真運算可對散熱系統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與各種工作曲線(xiàn)，其結果為散熱系統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的設計提供了一種新的輔助設計與分析方法，為相關(guān)儀器熱平衡設計中的難題提供了解決思路。
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