微噴射三維調(diào)節(jié)裝置設計【三維調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)設計】

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微流體系統(tǒng)是微系統(tǒng)的一個重要分支。由于它具有尺寸小、無效體積小、功耗低、控制精度高、響應速度快等特點，因此有著廣闊的應用前景，可用于化學分析、生物和化學檢測、藥物輸送、分子生物學、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測等。微流體的輸運、控制和混合逐漸成為研究熱點。微噴射是微流體控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，現(xiàn)有微噴射技術(shù)大都基于噴墨打印機的原理，它利用外力迫使液體以液滴的形式從小孔中射出，目前噴射的實現(xiàn)可以有多種方式，根據(jù)驅(qū)動方式的不同，微噴主要分為壓電式、電阻電熱式(氣 泡式)、靜電式、超聲式和電磁閥式等。微噴射技術(shù)最成功的應用是噴墨打印機的商品化，它要求溶液具有很好的微粒分散性以防止噴頭堵塞，和較低的粘度而易于噴射，但是對所噴溶液近乎苛刻的要求限制了其在打印之外的其它應用；近年來隨著相關(guān)納米分散技術(shù)和溶膠一凝膠技術(shù)的發(fā)展，微噴射技術(shù)在微機械和微器件制造、生物芯片、材料合成、藥物霧化、芯片冷卻和微推進系統(tǒng)等領域也獲得了發(fā)展和初步應用[1]。 微噴射是由于金屬表面的微物質(zhì)在慣性力的作用下形成的微量流體的噴射。微噴射技術(shù)廣泛應用在噴墨打印、生物芯片制作、單分散微粒制備、激光光能量吸收、液體霧化等領域。微噴射過程的正常實現(xiàn)一般需要兩項關(guān)鍵技術(shù)支撐：微噴射流體的驅(qū)動技術(shù)和與驅(qū)動技術(shù)相應的微噴嘴制造技術(shù)。 本課題所涉及的某試驗裝置，其真空室與微噴射裝置之間采用焊結(jié)的連接方式。真空室與微噴射裝置之間可能因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形、真空室熱膨脹和三維調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)支架形，而產(chǎn)生附加應力和應變，這將影響實驗系統(tǒng)正常工作甚至產(chǎn)生破壞作用。針對三維隨動調(diào)節(jié)支架設計要求，我們采片了三維隨動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)解決微噴射裝置的自由度；此結(jié)構(gòu)設計用于支撐和調(diào)節(jié)試驗用真空系統(tǒng)中微噴射裝置的三維調(diào)節(jié)支架，為了減小真空室與微噴射裝置焊縫焊接應力的影響，要求微噴射裝置支架設計成三維調(diào)節(jié)型，以便真空室熱膨脹時由微噴射三維調(diào)節(jié)支架支撐微噴射裝置自動空間調(diào)節(jié)位置，減小真空室與微噴射裝置之間的相互作用；然后通過ANSYS對三維隨動調(diào)節(jié)支架結(jié)構(gòu)進行仿真分析，本課題的主要任務就是要得到三維調(diào)節(jié)支架的應力場和位移場，校核支架的強度和剛度。并據(jù)此對結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)化設計。 三維調(diào)節(jié)架的結(jié)構(gòu)設計應滿足系統(tǒng)多方面要求，主要實現(xiàn)功能：① 安裝前x、Y向可調(diào)節(jié)要求，噴嘴角度可調(diào)節(jié)；②安裝后X、Y 向自動調(diào)節(jié)的要求；③可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面的要求。 有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法[2][3]。將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計算模型，稱為單元剖分。離散后單元與單元之問利用單元的節(jié)點相互連結(jié)起來，單元節(jié)點的設置、性質(zhì)、數(shù)目等應視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定三維隨動調(diào)節(jié)支架的ANSYS有限元分析對結(jié)構(gòu)設計是十分必要的一項綜合性工作。利用有限元法的原理進行分析計算，使其滿足預期的設計要求，實現(xiàn)預定的結(jié)構(gòu)設計功能。 因此，三維隨動可調(diào)節(jié)支架的結(jié)構(gòu)設計是一項綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設計的錯誤或不合理，可能造成不應有的失效，使其無法滿足預期的要求，實現(xiàn)預定的功能， 同時可能給整個工程系統(tǒng)造成很大的影響，甚至無法工作。 二、機械結(jié)構(gòu)和工作原理 試驗用真空系統(tǒng)是由許多單元組成，每個單元是由大支架、二極磁鐵(B鐵)、四極磁鐵(Q鐵)、六級磁鐵(S鐵)、校正磁鐵(BV鐵)、真空室、束流位置探頭(BPM)、光子吸收器、微噴射裝置等設備組裝而成 [10]，如圖1所示 Q鐵 S鐵 BV鐵 B鐵 真空室 微噴射裝置 大支架 圖1 試驗用真空系統(tǒng)組成模型示意圖 真空室是整個真空實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵設備，微噴射裝置與真空室焊接在一起，系統(tǒng)要求微噴射裝置與真空室之間不因相互作用力而產(chǎn)生附加應力，真空系統(tǒng)工作時，真空室要在平面內(nèi)伸縮，為使真空室與微噴射裝置不產(chǎn)生應力而破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，要求微噴射裝置支架能在平面內(nèi)自動調(diào)節(jié)[4][10]。根據(jù)真空系統(tǒng)的工作要求，微噴射三維調(diào)節(jié)支架的結(jié)構(gòu)設計方案如圖2所示。 圖2 微噴射三維隨動調(diào)節(jié)支架簡化模型示意圖 該支架主要由兩個調(diào)節(jié)層組成，分別為上下調(diào)節(jié)層(即角度調(diào)節(jié))、平面調(diào)節(jié)層(即x向 Y向)，可以實現(xiàn)三維空間的任意調(diào)節(jié)。其動作原理與結(jié)構(gòu)特點是 [10]： (1)調(diào)節(jié)底版。調(diào)節(jié)底板是微噴射三維調(diào)節(jié)支架的基礎，與大支架連接，調(diào)節(jié)支撐桿與調(diào) 彈簧都是基于調(diào)節(jié)底板進行上下調(diào)節(jié)。 (2)調(diào)節(jié)支撐桿。當螺母1與2固定，調(diào)節(jié)螺母3，可使調(diào)節(jié)支撐桿在調(diào)節(jié)底板與調(diào)節(jié)頂板間的長度變化，支架角度調(diào)節(jié)。 (3)調(diào)節(jié)彈簧。調(diào)節(jié)彈簧的伸縮自動調(diào)節(jié)支架角度。 (4)調(diào)節(jié)頂板。調(diào)節(jié)頂板支撐平面調(diào)節(jié)層。 (5)平面調(diào)節(jié)機構(gòu)。平面調(diào)節(jié)機構(gòu)的核心零件是滾珠，所以可以進行X向，Y向調(diào)節(jié)。 (6)調(diào)節(jié)機構(gòu)支撐板。調(diào)節(jié)機構(gòu)支撐板直接支撐微噴射裝置。 利用有限元軟件對微噴射三維調(diào)節(jié)支架結(jié)構(gòu)在這種狀態(tài)下的強度和剛度進行考查 計算出微噴射三維調(diào)節(jié)支架在這種狀態(tài)下的變形和應力情況。 三、有限單元法靜力分析 [11][12] 在有限元法中，根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目 位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導出單元剛度矩陣，這是有限元法的基本步驟之～ 再用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元上的力。利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)接起來，形成整體的有限元方程，即 Kq=f k是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q是節(jié)點位移列陣；f是載荷列陣。 現(xiàn)以有限元方法研究微噴射三維隨動調(diào)節(jié)支架，對其用ANSYS軟件進行靜力分析驗證設計算。靜力分析的求解步驟通常有以FYL步： (1)前處理：建模。首先用戶應該指定工作口錄、文件名和分析標題，然后通過PREI~ 前處理器來定義模型幾何元素、單元類型、實常數(shù)、材料參數(shù)。這些步驟與大多數(shù)ANSYS分析類型是一致的。 (2)設置求解控制：設置求解控制包括定義分析類型、設置一般分析選項、指定載荷步選項等。用戶可以通過Solution Controls對話框來設置求解控制選項，其菜單路徑為Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Option (3)施加載荷。 (4)求解。 (5)查看分析結(jié)果 2．1建立分析模型 將已經(jīng)建立的Pro／E模型存成sat文件直接導人ANSYS軟件中，完成分析模型的建立。 2．2載荷與邊界約束 離子泵放在二維調(diào)節(jié)機構(gòu)支撐板七，按分布載荷。支架與地面接觸面施加固定約束。 四、結(jié)論 本文完成了微噴射三維隨動調(diào)節(jié)支架的有限元靜力分析。分析時先通過有關(guān)建模，做出初步結(jié)構(gòu)，再通過有限元分析軟件的強大功能，可以在方案設汁階段得到結(jié)構(gòu)的靜力學計算結(jié)果，得到了詳細的應力及應力集中和最大變形的位置。并確定最終的結(jié)構(gòu)。達到了預定的要求，實現(xiàn)了預定的功能。根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設計方案。既可以節(jié)省做試驗模型的費用，又可以減少設計時間，縮短設計周期。得出了對結(jié)構(gòu)設計與實驗有指導意義的結(jié)論。 參考文獻 [1] 王國強．實用工程數(shù)值模擬技術(shù)搜其在ANSYS上的實踐[M]．西安：西北丁業(yè)大學出版社，1999．8. 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