CAD/CAE技术在化学发光成像仪设计中的应用研究

陈 玮 肖 瑞 荣 振 芦宏斌 张春霞 程 鹏

CAD/CAE技术在化学发光成像仪设计中的应用研究

陈 玮① 肖 瑞②* 荣 振② 芦宏斌① 张春霞① 程 鹏①

目的：研制一种用于生物芯片、免疫渗滤(IFA)及免疫层析(ICA)等化学发光信号检测的多用途成像仪器。方法：借助计算机辅助设计与辅助工程(CAD/CAE)技术，针对设计的多用途成像仪关键部件进行建模和仿真，对整体调焦定位架构进行分析，得到其承载静强度分布情况；以电荷耦合器件(CCD)摄像头作为热源，对其散热结构进行热-固耦合分析，得到热应力情况，在保证性能的前提下进一步优化结构。结果：通过对整体调焦定位架构和热-固耦合的仿真分析，为改进设计提供理论依据。同时，可减少开发费用及缩短开发周期。结论：CAD/CAE技术是进行产品结构优化设计的有效方法，是设计工作由经验类比方法向科学分析方法转变的重要保证，对于设计工作中提升产品性能、提高设计效率可起到积极的推动作用。

计算机辅助设计；耦合；优化分析；化学发光

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

自20世纪80年代初杂交测序(sequencing by hybridization，SBH)概念的提出，到20世纪90年代初各种生物芯片的研制，芯片技术得以迅速发展，并呈现发展高峰，国外多家机构均对此投以可观的财力[1-2]。采用计算机控制的电荷耦合器件(charge couple device，CCD)摄像原理可获得结合于芯片上目的基因的荧光信号，其特点是扫描时间短，灵敏度和分辨率较高，较适合用于临床诊断。

本研究基于生物芯片检测技术研发设计的化学发光成像仪具有简便易行、稳定性高及不污染环境等优点。尤其是在短时间内可得到实验结果，深受检验医学和临床医师的青睐。目前，国内所使用的仪器多为欧美厂商的产品，其系统复杂，价格昂贵，不适于在中小型医院普及推广。因此，开发出适合国内需求、应用方便以及与国产生物芯片配套的化学发光成像仪具有重要意义。

1 化学发光成像仪

化学发光分析广泛应用于环境科学、临床医学、药学、生命科学及材料科学等领域[3-10]。化学发光成像仪的研制，可改变国外同类设备产品在我国医疗机构的垄断，对分析方法发展和仪器制造水平的提高具有现实意义。化学发光成像仪的设计改进了传统的产品设计方法，充分借助计算机辅助设计(computer aided design，CAD)及计算机辅助工程(computer aided engineering，CAE)技术实现产品的设计验证和缺陷修改。

1.1 化学发光成像仪设计思路

在具体结构上借助三维CAD系统，以实际工作情况为基础进行整体结构设计。借助CAE系统进行关键部件强度和热-应力耦合分析，及时发现设计缺陷，实现优化设计。在实现创新的同时提高设计质量，降低研发成本，缩短研发周期[11]。

1.2 CAD/CAE技术的应用

现代工业技术的发展表明，现代产品的创新是基于知识和信息的创新设计[12]。由于传统的解析计算方法无法完成精确而全面的计算和分析，因此必须采用现代设计方法加以解决。随着现代设计技术不断发展，CAD/CAE技术的内涵和外延向更深、更广的方向发展。原有的学科更加工程实用化，学科方向不断拓展，且与相关技术日益结合，朝集成化、一体化的方向发展[13]。这一发展为化学发光成像仪的快速设计和定型生产奠定了基础。基于CAD/CAE技术、用于化学发光成像仪分析的三维模型如图1所示。

现代设计方法表明，产品设计虽然只占产品整个成本的5%，但却影响产品整个成本的70%[14]。潜在的问题越早得到解决，设计的成本与周期的降低效果越明显。因此，必须大幅度消减产品设计、制造成本。在实际制造前利用三维数字模型进行仿真分析已成为现代工业设计工程中的重要方向和课题。

图1 化学发光成像仪三维模型图

2 化学发光检测仪热耦合分析计算

由于荧光及化学发光本身较弱，在做化学发光检测时需要曝光的时间比较长，这将导致CCD产生较多的暗电流，对图像的质量影响非常大。通常CCD产生的暗电流随着温度下降而减少，因此，通过降低CCD的温度最大限度地减少暗电流对成像的影响。CCD芯片曝光＞5～10 s则会发热，未散热的芯片其“热”或“白”的像素点则会遮盖图像，图像布满雪花。通过改善结构、优化方法能够减少噪音的产生。因此，结构散热是设计工作考虑的重点。

2.1 结构散热效果评价方法

目前，评价机械结构散热系统工作效果的方法有3种：①实物试验；②进行全系统的模拟实验室试验；③冷却系统的计算机仿真分析。

(1)实物试验是最直接、最简单的方法，但是周期会比较长，耗资也大，获得全面的数据也有些困难，在某一种工况下试验的可重复性差。

(2)进行全系统的模拟实验室试验是近些年发展起来的新技术，采用这样的方法评价起来比较全面，量化程度高，准确可靠，但对试验设备的要求苛刻。该方法与实物试验方法的共同点是整个试验均建立在散热系统的实物基础之上。

(3)随着计算机软硬件和计算机仿真技术的发展，出现了冷却系统的计算机仿真分析。在仪器尚未制造出来之前，先建立相应的数学模型和物理模型，借助于先进的计算机仿真技术，能够预先对将要建立的散热系统进行相应评估，将会极大节省工程设计的时间、经费等。

2.2 CCD装配结构热分析计算

本研究以ANSYS软件(CAE有限元分析软件)通过数值模拟进行热分析，可预测设计产品的热可靠性能，合理进行产品的散热结构设计，平衡结构设计与热可靠性之间的关系，提高产品的热可靠性；以CCD摄像头、配套支架和周围的空气流体为研究对象，利用ANSYS软件的求解热分析技术对CCD摄像头发热过程中的散热和热应力进行计算与分析，从而获得热应力、热变形大小分析数据，为设计工作提供指导。

热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度及热流密度等。ANSYS热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程，所有有限元计算各节点的温度，并导出其他热物理参数[15]。

对于一个封闭系统，无质量的流入或流出即(公式1)：

式中，Q为热量；W为做功；△U为系统内能；△KE为系统动能；△PE为系统势能。对于多数工程传热问题：△KE＝△PE＝0；通常考虑没有做功：W＝0；对于稳态热分析：Q＝△U＝0，即流入系统的热量等于流出的热量。

在稳态热分析中任何一节点的温度不随时间变化，其能量平衡方程为(公式2)：式中，[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状函数；{T}为节点温度向量；Q为节点热流率向量，包含热生成。

耦合场分析是考虑2个或数个工程物理场之间相互作用的分析，本研究为热应力分析，考虑到物体的热胀冷缩原理，通过计算得到由于温度分布不均匀对结构产生的热应力。

3 三维模型的建立

根据设计要求，借助CAD系统建立CCD摄像头装配结构的三维几何模型。利用CAD系统快速建模，建成的实体模型可输入至ANSYS系统中构建有限元模型进行分析。这一建模思路可避免对现有CAD模型的重复劳动生成待分析的实体模型[16]。

环境温度为27 ℃，CCD摄像头温度为70 ℃，自然对流环境。采用直接生成节点和单元的方法建立有限元模型。有限元网格的单元数为11604，节点数为44751。网格划分完毕，即进行载荷与边界条件的添加。根据仪器结构的实际工作状态，载荷与边界条件的添加如下：①位移边界条件为约束支架底平面，约束3个方向的平动和转动；②根据CCD支板受力情况，对有限元模型添加相应载荷；③进行网格划分，生成有限单元网格。完成后的三维模型和有限元模型如图2所示。分析得到热分布云图，如图3所示。

图2 装配结构三维模型和有限元模型

图3 热分布云图

4 热应力耦合分析

为确保CCD摄像头定位的准确可靠，其支架结构刚性设计是需要考虑的重要问题，将载荷加至水平承载板上，其单板分析如图4所示。

图4 热应力分布图

部件装配体热应力耦合下位移及应力分布如图5所示。

图5 部件装配体热应力位移及应力分布图

5 结论

CAD/CAE技术广泛应用于各个领域中的科学计算、设计和分析中，成功地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的重要工具。了解建模方法以及有限元分析的基本理论，可更好地在工程设计中应用，并能够有效和快捷地对产品进行设计制造，降低产品研制成本，提高产品的市场竞争力。

本研究借助先进的CAD/CAE技术，针对化学发光成像仪工作的典型状况，简化载荷和约束的施加，对主要承力部件进行整体建模，通过数值计算方法对承载结构进行仿真计算，为进一步改进设计提供参考和依据。同时，本研究对于其他热-固耦合的热环境仿真分析有很好的借鉴作用。散热系统的仿真运算可对散热系统在不同条件下的工作特性进行分析，获得散热器的特性参数与各种工作曲线，其结果为散热系统方案设计中必不可少的组成部分。本研究为机械结构散热系统的设计提供了一种新的辅助设计与分析方法，为相关仪器热平衡设计中的难题提供了解决思路。

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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军事医学科学院实验仪器厂 北京 100850

②军事医学科学院放射医学研究所 北京 100850

*通讯作者：chw69221@126.com

陈玮,男,(1969- ),硕士，高级工程师。军事医学科学院实验仪器厂，研究方向：计算机辅助设计及有限元技术。