实验室用多功能操作箱优化分析

陈 玮，汪建华，陈 薇，芦宏斌，张惟材，程 环，鲁茗莉

0 引言

在实验过程中，环境是一个无法回避的、必须加以考虑的因素。最早期的试验是在天然环境条件下进行的，这种试验虽然直观、无特殊的试验设备，但受到地区性环境条件的限制，试验时间长，可靠性和重现性差，特别是有些物质在大气状态下极易氧化、结节和潮解，这使试验物质的化学反应及样品的前级处理非常困难，影响了试验过程和测试结果。为了及时、准确地验证试验结果的可靠性，需要人工模拟试验环境，以确保环境温度、湿度等条件的施加都可以严格控制在容差范围内，使试验重现性好、有可比性，保证全部试验在受控条件下进行。基于以上原因，各国纷纷投入可观的人力和财力，研制和生产能模拟所需环境条件的试验设备，而这些研究工作主要集中在设备的结构、控制精度与测试监控方面，对试验箱内的流-固耦合方面的研究很少。本文设计了一种适用于密闭性隔离操作使用的多功能操作箱。在试验过程中，可使试验样品既能够安全地放进和取出，且能自如地操作、反应和测试，确保科学试验的正常进行，又可以实现快速、节约地对操作箱完成换气，减少检测结果的人为因素干扰，提高生物医学试验方面的应用水平。

为了有效地确定最佳设计，通过CAD技术对箱体结构、支撑台桌等进行三维设计，充分描绘样机的各个属性，并以此为基础借助CAE技术对关键部件进行静强度分析、对操作箱进行流-固耦合分析，综合运用分析数据实施优化设计，实现了从产品概念、造型设计、结构设计全部过程的计算机化，缩短了产品的开发周期。

1 静强度分析计算

1.1 多功能试验操作箱三维模型的建立

传统的产品设计一般是先展开平面简图的构思，形成初步的方案之后再开始绘制三维简图，完全定型后再根据需要绘制效果图、三视图或制作简易模型。在设计过程中，需要工程技术人员、产品造型人员与工人通力合作，用样品实物模型来表达设计者的构思，但对每一种方案都制作实物样品，要付出大量的劳动，还存在修改调整困难、设计周期长及成本费用高等问题。

随着计算机技术的快速发展，CAD技术将计算机的快速性、准确性以及信息高度集成性和设计人员的创造性思维、综合分析的能力充分地结合起来，已成为现代产品设计的主要手段。设计人员在CAD软件系统的帮助下，可以通过计算机实施样品实体建模，从而实现设计的高质量、高效率。

根据设计要求，借助CAD系统建立多功能试验操作箱的三维几何模型，整体完成后的模型如图1所示。由于操作箱体自身质量较大，因此，必须对支撑台桌的强度和刚度进行静强度分析，分析用钢结构如图2所示。

图1 多功能试验操作箱三维模型

图2 多功能试验操作箱分析用钢支撑结构

利用CAD系统快速建模，建成的实体模型就可以输入到ANSYS中构建有限元模型进行分析，这一建模思路可以避免重复对现有CAD模型的重复劳动生成待分析的实体模型[1]。

1.2 强度分析

线性静力结构分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。一般情况下，比较关注的往往是结构的位移、约束反力、应力及应变等参数[2]。由经典力学我们知道物体的动力学通用方程为：

式中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度系数矩阵，x为位移矢量，F为力矢量。

在线性结构静力分析中，所有与时间相关的量都被忽略。于是，从式（1）中得到以下方程式：

根据实际工况的要求，载荷与边界条件的添加如下：

（1）位移边界条件为约束底平面架支撑点，约束3个方向的平动和转动；（2）根据支撑台桌的受力情况，对其有限元模型的上平面添加操作箱施加的重力载荷；（3）进行网格划分，生成有限单元网格。

完成后的有限元模型如图3所示。

图3 支撑台桌分析用有限元模型

有限元网格选用10节点四面体单元，这一类型单元可保证计算的精确性。有限元网格的单元数为48 020，节点数为106 128。网格划分完毕，即进行载荷与边界条件的添加。

对支撑台桌结构有限元模型进行分析计算，得出其应力分布情况如图4所示、受力变形如图5所示。

图4 支撑台桌应力云图

图5 支撑台桌变形云图

通过上面的计算，我们可以分析出支撑台桌的整体受力满足设计要求。当然，这其中还有许多细节和小节需要进一步优化和完善，但总体上达到了前期的设计要求，为进一步做好具体的设计工作奠定了坚实的基础。

2 多功能试验操作箱FLUENT仿真

多功能试验操作箱内的干燥气体置换是通过气泵将试验箱内的空气抽出并送入干燥器进行干燥，干燥完成后又送回试验箱内，如此反复循环进行除湿。对于气流影响较大的实验，了解箱体内气流的变化情况对于拟定实验方案具有指导意义。针对操作箱的实际工作情况，本文采用CFD（computational fluid dynamics）技术探索箱体内的气体流动现象，为优化实验方案提供指导。

计算流体力学CFD是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程（euler或navier-stokes方程）以发现各种流动现象规律的学科，相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。在诸多领域，利用CFD进行反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。

本文借助通用CFD软件ANSYS FLUENT进行计算分析。ANSYS FLUENT能够建立较准确地描述气流分布特性的数学模型并分析流态分布规律。作为目前市场上最流行的CFD软件，它在美国市场的占有率达到60%[3]，在国内也是应用最广泛的CFD软件之一，其特点是市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多[4]。

FLUENT是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体运动与传热现象的专用软件。它提供了灵活的网格特性，可以支持多种网格。用户可以自由选择使用结构化或者非结构化网格来划分复杂的几何区域，也可以利用FLUENT提供的网格自适应特性在求解过程中根据所获得的计算结果来优化网格[5]。

2.1 建立多功能操作箱CFD仿真模型

首先定义仿真对象，即多功能操作箱内的进排气口产生的气流问题，借助CAD系统构建起具有进排气口的多功能操作箱三维仿真模型。多功能操作箱分析模型如图6所示。

然后将三维仿真模型导入到有限元分析前处理模块ICE CFD中，构建网格。图7为多功能操作箱有限元分析模型，有限元网格的单元数为4 412 092，节点数为740 664。至此，网格划分完毕。

2.2 仿真结果及分析

网格构建完成后，设定边界条件，任何微分控制方程的数值求解都必须在给定的边界条件下才能进行，通过对模型中的各定解的条件进行分析，确定各变量的初始条件值和边界条件值[6]。

图6 多功能操作箱分析模型

图7 多功能操作箱有限元分析模型

进气口的初始条件为：分析所选的流体方程模型是k-Epsilon，给定由系统设定的温度、压力以及空气流介质的相对湿度、密度和黏度等进行计算，各初始量值可看成不随时间变化的定值，可视壁面为绝热。其中，流体介质为干燥空气，前面圆口为进气口，上面圆口为排气口。为了更好地提供对比依据，分别将进气口的气流速度按 1、0.1 和 0.01 m/s进行仿真计算，计算分析图分别如图8～图10所示，藉此为多功能操作箱使用人员提供试验方案优化的依据。

图8 多功能操作箱进气流速度1 m/s的气流云图

图9 多功能操作箱进气流速度0.1 m/s的气流云图

图10 多功能操作箱进气流速度0.01 m/s的气流云图

从图8～图10可以看出，干燥空气从前面的进气口进入箱体，在设定的速度下沿箱体壁面运动，与箱体壁面撞击后形成特定的环绕型流向。当进气流速度为1 m/s时，箱体内气流紊乱，流场分布较均匀，换气无死角，可作为饲养实验动物换气或要求内部快速换气的试验环境选定参数；气流速度为0.1和0.01 m/s时，箱体内气流平稳，流场分布不均，为改善这一情况应增加导流板结构，待内部流场均匀后，可作为稳态气流环境下微颗粒物悬浮、沉降试验或微流环境下相关生物学评价的参数选项。

3 讨论

本研究借助先进的CAD/CAE技术，针对多功能操作箱的典型工况，简化了载荷、约束的施加，对支撑结构整体建模，并进行了强度校核，满足设计要求。

利用ANSYS FLUENT软件仿真模拟操作箱内部的气流流态情况，得到了箱体内不同流速的速度场分布数据与规律，提供了解决难以动态设定相关参数而明晰试验环境问题的有效方法。

CAD/CAE技术广泛应用于各个领域的科学计算、设计、分析中，成功解决了许多复杂的设计和分析问题，已成为工程设计和分析中的重要工具。了解建模方法以及有限元分析的基本理论，可以更好地在工程中应用。

设计的产品能否满足预想的要求、满足的程度如何，主要由设计阶段决定。高度重视研究、发展现代设计技术具有十分重要的意义。

文中仿真未对多功能操作箱的结构形状、气流进出口位置、扰流板设置等结构做深入优化与研究，只对仿真结果进行了一般性描述和讨论，还需进一步的优化结构和完善流路。

在涉及特定试验环境要求的工作中，应将虚拟实验与真实实验相结合，将计算机仿真技术应用于环境试验，为研究、观察环境实验提供一种全新的手段。

[1]刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[2]浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]王瑞金，张凯，王刚.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.

[4]周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT工程技术与实例分析[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[5]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[6]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.