馬娜 曲寶林 陳瑋

(1.中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心放射治療科，北京 100859；2.軍事醫(yī)學研究院科研保障中心，北京 100850)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大氣污染成為日益嚴重的環(huán)境與健康問題，由環(huán)境污染導致的疾病，尤其是肺部疾病日益增多，如慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD)，已成為最常見的慢性肺病，預計2020年將成為全球第三大死因[1]。因此，與環(huán)境監(jiān)測密切相關(guān)的氣體采集與檢測方法的研究越來越受重視。雖然人們在這方面的研究己有近百年歷史，但在氣體采樣方法等方面依然存在待解決的技術(shù)難題[2]。氣體采樣注射器是一種常用氣體采樣裝置，盡管這一裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作維護容易，但在氣體采樣實際使用過程中，由于管線復雜，常會因電磁閥故障、顆粒物或管道折疊等原因?qū)е鹿苈纷枞?電磁閥故障可直接通過電控信號判定，而顆粒物或管道折疊導致的阻塞必須通過執(zhí)行裝置所設(shè)定的阻塞壓力報警來獲知。如果管道發(fā)生阻塞報警延遲，會直接影響氣體樣本采集，甚至導致整個采樣氣路報廢。為保證設(shè)備良好工作狀態(tài)，應盡量縮短管道阻塞報警延遲時間。

本研究針對在低溫條件下采樣、采集效率較高[3]的過濾式氣溶膠采樣方法設(shè)計出兩套可實施氣體采樣、儲存和輸送的執(zhí)行裝置，通過計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD)技術(shù)將執(zhí)行裝置中阻塞壓力報警相關(guān)零部件建立仿真用三維模型，借助計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技術(shù)對其進行壓力相關(guān)性仿真分析和模態(tài)分析，以便及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品性能[4-5]。

1 靜強度、剛度分析計算

通常情況下，一個典型CAD及CAE流程主要包含預處理、仿真計算以及后處理3個重要階段[6-7]。預處理階段需要依賴工程技術(shù)人員的經(jīng)驗來考慮模型的幾何尺寸以及所處的物理環(huán)境，建立理想化模型，最終生成工程仿真精度可信的網(wǎng)格。仿真計算是通過軟件求解器進行求解計算。后處理則是采集處理分析結(jié)果：取等值線、點云圖、動畫、圖表、曲線、列表等，使用戶能簡便提取信息，根據(jù)計算結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。

1.1 阻塞壓力響應零件三維建模

目前的CAD三維造型系統(tǒng)發(fā)展日益成熟且穩(wěn)定，涌現(xiàn)了如CATIA,UG,Solidworks,Pro/E,Solidedge等各種高端軟件系統(tǒng)，它們廣泛應用于汽車、飛機、輪船、機械、建筑和輕工等領(lǐng)域的工程和產(chǎn)品設(shè)計。但是，由于模型幾何特征的復雜性、物理簡化方式的多樣性等原因，實現(xiàn)仿真結(jié)果可靠的幾何設(shè)計模型理想化仍然是CAD/CAE綜合運用的關(guān)鍵問題，美國sandia國家實驗室的統(tǒng)計結(jié)果表明，含CAD模型簡化的模型理想化過程占據(jù)了整體工程仿真50%以上的時間，而該問題近年來多次被列為公開問題提出[6-7,9]。本研究如圖1所示，執(zhí)行裝置為研究對象，通過Solidedge對阻塞壓力響應零件（圖2）進行CAD三維建模。為建立可信的仿真模型，首先對原阻塞壓力響應零件CAD模型連接螺紋特征進行體識別及抑制[10-20]，生成最簡化模型（圖3）；然后對簡化模型進行仿真求解；而后選擇帶有連接螺紋細節(jié)特征的阻塞壓力響應零件（圖2）并進行仿真求解，經(jīng)計算后對比，確保簡化模型仿真達到一定的精度控制。

1.2 快速計算與模擬分析

通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換將CAD設(shè)計的三維模型導入到有限元分析軟件中。為了得到均勻規(guī)則的分析網(wǎng)格，提高分析精度，需進一步檢查片體是否存在負角，并對局部尖角部位進行倒圓光順，并進行網(wǎng)格劃分，分別建立阻塞壓力響應零件（圖2）和阻塞壓力響應零件簡化模型（圖3）的有限元模型。

計算分析所用靜強度仿真分析軟件Ansys是一款融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場以及聲場分析于一體的有限元軟件,具有強大的前處理、分析計算和后處理功能，可以將研究對象內(nèi)部應力分布與變化情況的計算結(jié)果以彩色等值線、矢量圖、粒子流跡和梯度等圖形方式顯示,被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)及科學研究領(lǐng)域。所分析零件材料為結(jié)構(gòu)鋼，具體材料參數(shù)列于表1。

靜強度結(jié)構(gòu)分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷條件下的響應，是關(guān)于結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應力及應變等的參數(shù)。由經(jīng)典力學理論我們知道物體的動力學通用方程為：

式中 [M]—質(zhì)量矩陣；

[C]—阻尼矩陣；

圖1 執(zhí)行機構(gòu)示意圖

圖2 阻塞壓力響應零件三維圖

圖3 阻塞壓力響應零件簡化模型三維圖

表1 結(jié)構(gòu)鋼材料屬性

[K]—剛度系數(shù)矩陣；

{x}—位移矢量；

{F}—力矢量。

線性結(jié)構(gòu)靜力分析中，所有與時間相關(guān)的量都被忽略。于是，從(1-1)式中得到以下方程式：

執(zhí)行裝置中正常絲桿傳動時靜工作載荷一般較小,在堵轉(zhuǎn)或負載變化引起轉(zhuǎn)速波動時導致的沖擊載荷較大,阻塞壓力響應零件功能設(shè)計為承載驅(qū)動電機，內(nèi)部懸臂環(huán)為絲桿支撐部和軸向承力點，絲桿堵轉(zhuǎn)軸向力作用在阻塞壓力響應零件懸臂環(huán)上，通過對其強度、剛度進行分析,可明確其阻塞載荷與懸臂環(huán)變形的關(guān)系，為阻塞報警應變閾值提供參照。在進行有限元分析時，設(shè)計初期采用經(jīng)驗設(shè)計和材料力學簡化算法相結(jié)合的方式，得到設(shè)計參數(shù)的初始值。利用CAD系統(tǒng)快速建模，建成的實體模型就可以輸入到ANSYS中構(gòu)建有限元模型進行分析。

根據(jù)阻塞壓力響應零件的實際工作狀態(tài)，載荷與邊界條件的添加如下：①阻塞壓力響應零件三點固定，約束3個方向的平動和轉(zhuǎn)動；②阻塞壓力響應零件懸臂環(huán)承受100N壓力，對有限元模型添加相應載荷；③進行網(wǎng)格劃分，生成有限單元網(wǎng)格。阻塞壓力響應零件的有限元模型如圖4所示。

有限元網(wǎng)格的單元數(shù)為25754，節(jié)點數(shù)為47489。網(wǎng)格劃分完畢，即進行載荷與邊界條件的添加。具體分析云圖如圖5和圖6。

阻塞壓力響應零件簡化模型的有限元模型如圖7所示。

有限元網(wǎng)格的單元數(shù)為22303，節(jié)點數(shù)為41060。網(wǎng)格劃分完畢，即進行載荷與邊界條件的添加。具體分析云圖如圖8和圖9所示。

通過模擬分析可以看出，阻塞壓力響應零件簡化模型所得結(jié)果與原型無差別。因此進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用簡化模型即可，既易于建模，又加快了模型仿真分析速度，同時為應變片粘接位置提供了指導依據(jù)。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析作為一門新的學科，是了解結(jié)構(gòu)振動特性的一個重要手段，已經(jīng)廣泛應用在結(jié)構(gòu)動力特性修改、優(yōu)化設(shè)計、故障診斷、狀態(tài)檢測等諸多領(lǐng)域。這一技術(shù)將過去機械結(jié)構(gòu)由經(jīng)驗、類比和靜態(tài)設(shè)計方法改變?yōu)閯討B(tài)、優(yōu)化設(shè)計方法。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，已成為解決復雜結(jié)構(gòu)振動問題的主要工具，并與CAD相結(jié)合，對產(chǎn)品的改進提供可靠的理論依據(jù)[21]。

由振動理論可知，結(jié)構(gòu)以某一頻率振動時所表現(xiàn)出的振動形態(tài)稱模態(tài)，所出現(xiàn)的形狀稱為振型。結(jié)構(gòu)的動力學問題都是以模態(tài)理論為其礎(chǔ)的[22]。結(jié)構(gòu)動力學方程如下：

圖4 阻塞壓力響應零件分析用網(wǎng)格模型

圖5 阻塞壓力響應零件應力分析云圖

圖6 阻塞壓力響應零件位移分析云圖

圖8 阻塞壓力響應零件簡化模型應力分析云圖

圖9 阻塞壓力響應零件簡化模型位移分析云圖

3 執(zhí)行裝置振動特性分析

氣溶膠采樣執(zhí)行裝置使用過程中動力學特征明顯，在設(shè)計中應充分考慮振動和噪音問題。本研究設(shè)計出齒輪傳動和同步帶傳動兩種執(zhí)行裝置，均采用42步進電機，其固有頻率為20～50Hz。齒輪傳動執(zhí)行裝置（圖10）優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，加工周期短，加工手段簡單，易于實現(xiàn)加工，絲桿傳動機構(gòu)簡潔；其缺點是阻塞壓力傳感器配套裝置結(jié)構(gòu)復雜，傳動裝配均為剛性連接，安裝誤差對傳遞性能影響大。同步帶傳動執(zhí)行裝置（圖11）的優(yōu)點是大傳動比同步帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，易于更換，零部件復合功能多，絲桿傳動簡潔，阻塞壓力貼裝應變片即可實現(xiàn)預警；其缺點是異形結(jié)構(gòu)件多，加工周期長，涉及加工手段多樣化，需形成批量化生產(chǎn)。

齒輪傳動執(zhí)行裝置中各傳動齒輪均為金屬材料，從電機到絲桿力矩傳遞過程中應充分考慮齒輪嚙合過程產(chǎn)生的共振。故選齒輪和絲桿作為分析對象，首先定義分析類型和分析選項，進行固有頻率的有限元計算，具體零件如圖12、13、14，材料參數(shù)列于表2。

分析計算后得到小齒輪二階振動云圖如圖15；得到絲桿齒輪二階振動云圖如圖16；得到過渡齒輪二階振動云圖如圖17。

表2 材料屬性值

絲桿的零件如圖18，材料參數(shù)見表3。分析計算后得到絲桿二階振動云圖如圖19。

圖10 齒輪傳動執(zhí)行裝置裝配圖

圖11 同步帶傳動執(zhí)行裝置裝配

表3 材料屬性值

通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)齒輪傳動執(zhí)行裝置設(shè)計上齒輪和絲桿的二階振型振動頻率均在20～50Hz范圍內(nèi)，步進電機工作時會產(chǎn)生共振噪音，整體設(shè)備工作噪音比較大，應適當考慮其他結(jié)構(gòu)，為此進一步提出同步帶傳動裝置。其中，同步帶的材料參數(shù)如表4所示。具體零件見圖20。分析計算后得到同步帶二階振動云圖見圖21。同步帶二階振型圖顯示與電機激振頻率相差大，可有效隔絕電機引起的整體傳動執(zhí)行機構(gòu)的振動噪音，有利于整體設(shè)備工作可靠。

表4 材料屬性值

4 討論

圖12 小齒輪三維圖

圖13 絲桿齒輪三維圖

隨著社會工業(yè)化程度的提高，人類社會已面對越來越嚴峻的環(huán)境污染問題，環(huán)境的檢測已成為各國各領(lǐng)域關(guān)注焦點。在各類環(huán)境污染問題中，空氣污染問題不可忽視，而空氣中的微生物是造成污染的重要因素之一。目前世界范圍內(nèi)，空氣中的微生物正對人類健康造成越來越嚴重的危害。近年來各種傳染病頻發(fā)，如2019年末爆發(fā)并肆虐全球的新冠肺炎，其病毒可以通過氣溶膠的方式進行傳播，傳播危險性程度極高，對人類的生命健康和全球經(jīng)濟等都造成重大危害。因此，我們迫切需要對大氣中的微生物及其他污染物進行監(jiān)測，以便做出相應的防治措施?？諝獗O(jiān)測首先必須對空氣進行采樣，氣體采樣注射器是一種常用的氣體采樣裝置。

本研究旨在對氣體采樣注射器推進執(zhí)行裝置的設(shè)計數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，我們通過CAD技術(shù)針對氣體采樣注射器推進執(zhí)行裝置進行CAD建模，借助CAE技術(shù)對氣路阻塞壓力報警響應關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進行靜力學分析；根據(jù)仿真分析得出的變形和應力分布情況，為應變片定位提供設(shè)計依據(jù)；并通過對兩種氣體采樣注射器推進執(zhí)行裝置進行模態(tài)分析，為其集成裝配降噪減振提供設(shè)計依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，借助先進的CAD/CAE技術(shù)，針對所設(shè)計的一種阻塞報警關(guān)鍵零件，建立分析用簡化模型，便于載荷、約束的施加，通過數(shù)值計算方法進行剛度分析，為應變片粘貼位置提供所需數(shù)據(jù)；針對所設(shè)計的兩種執(zhí)行裝置中傳動件進行了固有頻率分析，能夠得出比較精確的直觀結(jié)果，為整體設(shè)備裝配工藝提供了參考。

圖14 過渡齒輪三維圖

圖15 小齒輪二階振型圖

圖16 絲桿齒輪二階振型圖

圖17 過渡齒輪二階振型圖

圖18 絲桿三維圖

圖19 絲桿二階振型圖

圖20 同步帶三維圖

圖21 同步帶二階振型圖

5 結(jié)論

如何提高產(chǎn)品的技術(shù)復雜性以及創(chuàng)造更快的產(chǎn)品開發(fā)周期和更低的研發(fā)成本，現(xiàn)已成為了各行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)工作的重中之重。盡管無縫CAD／CAE集成仍是目前工業(yè)設(shè)計的最重要議題之一，仿真精度可控的簡化模型仍然有待持續(xù)長久研究。但是，CAD/CAE技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)早期，可以通過模擬分析提高對產(chǎn)品性能的認識，評估并優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，為進一步的改進提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，為采用虛擬測試減少甚至取消部分樣機制作和測試試驗，從而大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，減少了產(chǎn)品開發(fā)費用，全面提高了產(chǎn)品性能和核心開發(fā)能力。