CAD/CAE技術在化學發光成像儀設計中的應用研究

陳 瑋 肖 瑞 榮 振 蘆宏斌 張春霞 程 鵬

CAD/CAE技術在化學發光成像儀設計中的應用研究

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)等化學發光信號檢測的多用途成像儀器。方法：借助計算機輔助設計與輔助工程(CAD/CAE)技術，針對設計的多用途成像儀關鍵部件進行建模和仿真，對整體調焦定位架構進行分析，得到其承載靜強度分布情況；以電荷耦合器件(CCD)攝像頭作為熱源，對其散熱結構進行熱-固耦合分析，得到熱應力情況，在保證性能的前提下進一步優化結構。結果：通過對整體調焦定位架構和熱-固耦合的仿真分析，為改進設計提供理論依據。同時，可減少開發費用及縮短開發周期。結論：CAD/CAE技術是進行產品結構優化設計的有效方法，是設計工作由經驗類比方法向科學分析方法轉變的重要保證，對于設計工作中提升產品性能、提高設計效率可起到積極的推動作用。

計算機輔助設計；耦合；優化分析；化學發光

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

自20世紀80年代初雜交測序(sequencing by hybridization，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展，并呈現發展高峰，國外多家機構均對此投以可觀的財力[1-2]。采用計算機控制的電荷耦合器件(charge couple 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設計的化學發光成像儀具有簡便易行、穩定性高及不污染環境等優點。尤其是在短時間內可得到實驗結果，深受檢驗醫學和臨床醫師的青睞。目前，國內所使用的儀器多為歐美廠商的產品，其系統復雜，價格昂貴，不適于在中小型醫院普及推廣。因此，開發出適合國內需求、應用方便以及與國產生物芯片配套的化學發光成像儀具有重要意義。

1 化學發光成像儀

化學發光分析廣泛應用于環境科學、臨床醫學、藥學、生命科學及材料科學等領域[3-10]?；瘜W發光成像儀的研制，可改變國外同類設備產品在我國醫療機構的壟斷，對分析方法發展和儀器制造水平的提高具有現實意義?；瘜W發光成像儀的設計改進了傳統的產品設計方法，充分借助計算機輔助設計(computer aided design，CAD)及計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)技術實現產品的設計驗證和缺陷修改。

1.1 化學發光成像儀設計思路

在具體結構上借助三維CAD系統，以實際工作情況為基礎進行整體結構設計。借助CAE系統進行關鍵部件強度和熱-應力耦合分析，及時發現設計缺陷，實現優化設計。在實現創新的同時提高設計質量，降低研發成本，縮短研發周期[11]。

1.2 CAD/CAE技術的應用

現代工業技術的發展表明，現代產品的創新是基于知識和信息的創新設計[12]。由于傳統的解析計算方法無法完成精確而全面的計算和分析，因此必須采用現代設計方法加以解決。隨著現代設計技術不斷發展，CAD/CAE技術的內涵和外延向更深、更廣的方向發展。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、一體化的方向發展[13]。這一發展為化學發光成像儀的快速設計和定型生產奠定了基礎?；贑AD/CAE技術、用于化學發光成像儀分析的三維模型如圖1所示。

現代設計方法表明，產品設計雖然只占產品整個成本的5%，但卻影響產品整個成本的70%[14]。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，必須大幅度消減產品設計、制造成本。在實際制造前利用三維數字模型進行仿真分析已成為現代工業設計工程中的重要方向和課題。

圖1 化學發光成像儀三維模型圖

2 化學發光檢測儀熱耦合分析計算

由于熒光及化學發光本身較弱，在做化學發光檢測時需要曝光的時間比較長，這將導致CCD產生較多的暗電流，對圖像的質量影響非常大。通常CCD產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、優化方法能夠減少噪音的產生。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工作效果的方法有3種：①實物試驗；②進行全系統的模擬實驗室試驗；③冷卻系統的計算機仿真分析。

(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，獲得全面的數據也有些困難，在某一種工況下試驗的可重復性差。

(2)進行全系統的模擬實驗室試驗是近些年發展起來的新技術，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之前，先建立相應的數學模型和物理模型，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進行相應評估，將會極大節省工程設計的時間、經費等。

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)通過數值模擬進行熱分析，可預測設計產品的熱可靠性能，合理進行產品的散熱結構設計，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、熱變形大小分析數據，為設計工作提供指導。

熱分析用于計算一個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的溫度，并導出其他熱物理參數[15]。

對于一個封閉系統，無質量的流入或流出即(公式1)：

式中，Q為熱量；W為做功；△U為系統內能；△KE為系統動能；△PE為系統勢能。對于多數工程傳熱問題：△KE＝△PE＝0；通?？紤]沒有做功：W＝0；對于穩態熱分析：Q＝△U＝0，即流入系統的熱量等于流出的熱量。

在穩態熱分析中任何一節點的溫度不隨時間變化，其能量平衡方程為(公式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}為節點溫度向量；Q為節點熱流率向量，包含熱生成。

耦合場分析是考慮2個或數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，建成的實體模型可輸入至ANSYS系統中構建有限元模型進行分析。這一建模思路可避免對現有CAD模型的重復勞動生成待分析的實體模型[16]。

環境溫度為27 ℃，CCD攝像頭溫度為70 ℃，自然對流環境。采用直接生成節點和單元的方法建立有限元模型。有限元網格的單元數為11604，節點數為44751。網格劃分完畢，即進行載荷與邊界條件的添加。根據儀器結構的實際工作狀態，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CCD支板受力情況，對有限元模型添加相應載荷；③進行網格劃分，生成有限單元網格。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 裝配結構三維模型和有限元模型

圖3 熱分布云圖

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。

圖4 熱應力分布圖

部件裝配體熱應力耦合下位移及應力分布如圖5所示。

圖5 部件裝配體熱應力位移及應力分布圖

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品進行設計制造，降低產品研制成本，提高產品的市場競爭力。

本研究借助先進的CAD/CAE技術，針對化學發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。同時，本研究對于其他熱-固耦合的熱環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行分析，獲得散熱器的特性參數與各種工作曲線，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，為相關儀器熱平衡設計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軍事醫學科學院實驗儀器廠 北京 100850

②軍事醫學科學院放射醫學研究所 北京 100850

*通訊作者：chw69221@126.com

陳瑋,男,(1969- ),碩士，高級工程師。軍事醫學科學院實驗儀器廠，研究方向：計算機輔助設計及有限元技術。