氣體采樣裝置研制中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件有限元分析

馬娜 曲寶林 陳瑋

(1.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心放射治療科，北京 100859；2.軍事醫(yī)學(xué)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(yán)重的環(huán)境與健康問(wèn)題，由環(huán)境污染導(dǎo)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(jiàn)的慢性肺病，預(yù)計(jì)2020年將成為全球第三大死因[1]。因此，與環(huán)境監(jiān)測(cè)密切相關(guān)的氣體采集與檢測(cè)方法的研究越來(lái)越受重視。雖然人們?cè)谶@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(jiǎn)單、操作維護(hù)容易，但在氣體采樣實(shí)際使用過(guò)程中，由于管線復(fù)雜，常會(huì)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(guò)電控信號(hào)判定，而顆粒物或管道折疊導(dǎo)致的阻塞必須通過(guò)執(zhí)行裝置所設(shè)定的阻塞壓力報(bào)警來(lái)獲知。如果管道發(fā)生阻塞報(bào)警延遲，會(huì)直接影響氣體樣本采集，甚至導(dǎo)致整個(gè)采樣氣路報(bào)廢。為保證設(shè)備良好工作狀態(tài)，應(yīng)盡量縮短管道阻塞報(bào)警延遲時(shí)間。

本研究針對(duì)在低溫條件下采樣、采集效率較高[3]的過(guò)濾式氣溶膠采樣方法設(shè)計(jì)出兩套可實(shí)施氣體采樣、儲(chǔ)存和輸送的執(zhí)行裝置，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)技術(shù)將執(zhí)行裝置中阻塞壓力報(bào)警相關(guān)零部件建立仿真用三維模型，借助計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技術(shù)對(duì)其進(jìn)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(jì)缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品性能[4-5]。

1 靜強(qiáng)度、剛度分析計(jì)算

通常情況下，一個(gè)典型CAD及CAE流程主要包含預(yù)處理、仿真計(jì)算以及后處理3個(gè)重要階段[6-7]。預(yù)處理階段需要依賴工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(jì)算是通過(guò)軟件求解器進(jìn)行求解計(jì)算。后處理則是采集處理分析結(jié)果：取等值線、點(diǎn)云圖、動(dòng)畫(huà)、圖表、曲線、列表等，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。

1.1 阻塞壓力響應(yīng)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(yīng)用于汽車(chē)、飛機(jī)、輪船、機(jī)械、建筑和輕工等領(lǐng)域的工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是，由于模型幾何特征的復(fù)雜性、物理簡(jiǎn)化方式的多樣性等原因，實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果可靠的幾何設(shè)計(jì)模型理想化仍然是CAD/CAE綜合運(yùn)用的關(guān)鍵問(wèn)題，美國(guó)sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，含CAD模型簡(jiǎn)化的模型理想化過(guò)程占據(jù)了整體工程仿真50%以上的時(shí)間，而該問(wèn)題近年來(lái)多次被列為公開(kāi)問(wèn)題提出[6-7,9]。本研究如圖1所示，執(zhí)行裝置為研究對(duì)象，通過(guò)Solidedge對(duì)阻塞壓力響應(yīng)零件（圖2）進(jìn)行CAD三維建模。為建立可信的仿真模型，首先對(duì)原阻塞壓力響應(yīng)零件CAD模型連接螺紋特征進(jìn)行體識(shí)別及抑制[10-20]，生成最簡(jiǎn)化模型（圖3）；然后對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真求解；而后選擇帶有連接螺紋細(xì)節(jié)特征的阻塞壓力響應(yīng)零件（圖2）并進(jìn)行仿真求解，經(jīng)計(jì)算后對(duì)比，確保簡(jiǎn)化模型仿真達(dá)到一定的精度控制。

1.2 快速計(jì)算與模擬分析

通過(guò)數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換將CAD設(shè)計(jì)的三維模型導(dǎo)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(jìn)一步檢查片體是否存在負(fù)角，并對(duì)局部尖角部位進(jìn)行倒圓光順，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別建立阻塞壓力響應(yīng)零件（圖2）和阻塞壓力響應(yīng)零件簡(jiǎn)化模型（圖3）的有限元模型。

計(jì)算分析所用靜強(qiáng)度仿真分析軟件Ansys是一款融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)以及聲場(chǎng)分析于一體的有限元軟件,具有強(qiáng)大的前處理、分析計(jì)算和后處理功能，可以將研究對(duì)象內(nèi)部應(yīng)力分布與變化情況的計(jì)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷條件下的響應(yīng)，是關(guān)于結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應(yīng)力及應(yīng)變等的參數(shù)。由經(jīng)典力學(xué)理論我們知道物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為：

式中 [M]—質(zhì)量矩陣；

[C]—阻尼矩陣；

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 阻塞壓力響應(yīng)零件三維圖

圖3 阻塞壓力響應(yīng)零件簡(jiǎn)化模型三維圖

表1 結(jié)構(gòu)鋼材料屬性

[K]—?jiǎng)偠认禂?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(shí)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(dòng)時(shí)靜工作載荷一般較小,在堵轉(zhuǎn)或負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的沖擊載荷較大,阻塞壓力響應(yīng)零件功能設(shè)計(jì)為承載驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部懸臂環(huán)為絲桿支撐部和軸向承力點(diǎn)，絲桿堵轉(zhuǎn)軸向力作用在阻塞壓力響應(yīng)零件懸臂環(huán)上，通過(guò)對(duì)其強(qiáng)度、剛度進(jìn)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(bào)警應(yīng)變閾值提供參照。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，設(shè)計(jì)初期采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和材料力學(xué)簡(jiǎn)化算法相結(jié)合的方式，得到設(shè)計(jì)參數(shù)的初始值。利用CAD系統(tǒng)快速建模，建成的實(shí)體模型就可以輸入到ANSYS中構(gòu)建有限元模型進(jìn)行分析。

根據(jù)阻塞壓力響應(yīng)零件的實(shí)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(yīng)零件三點(diǎn)固定，約束3個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；②阻塞壓力響應(yīng)零件懸臂環(huán)承受100N壓力，對(duì)有限元模型添加相應(yīng)載荷；③進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限單元網(wǎng)格。阻塞壓力響應(yīng)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(diǎn)數(shù)為47489。網(wǎng)格劃分完畢，即進(jìn)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(yīng)零件簡(jiǎn)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(diǎn)數(shù)為41060。網(wǎng)格劃分完畢，即進(jìn)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(guò)模擬分析可以看出，阻塞壓力響應(yīng)零件簡(jiǎn)化模型所得結(jié)果與原型無(wú)差別。因此進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用簡(jiǎn)化模型即可，既易于建模，又加快了模型仿真分析速度，同時(shí)為應(yīng)變片粘接位置提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析作為一門(mén)新的學(xué)科，是了解結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一個(gè)重要手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障診斷、狀態(tài)檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。這一技術(shù)將過(guò)去機(jī)械結(jié)構(gòu)由經(jīng)驗(yàn)、類(lèi)比和靜態(tài)設(shè)計(jì)方法改變?yōu)閯?dòng)態(tài)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，已成為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的主要工具，并與CAD相結(jié)合，對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)提供可靠的理論依據(jù)[21]。

由振動(dòng)理論可知，結(jié)構(gòu)以某一頻率振動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出的振動(dòng)形態(tài)稱模態(tài)，所出現(xiàn)的形狀稱為振型。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都是以模態(tài)理論為其礎(chǔ)的[22]。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程如下：

圖4 阻塞壓力響應(yīng)零件分析用網(wǎng)格模型

圖5 阻塞壓力響應(yīng)零件應(yīng)力分析云圖

圖6 阻塞壓力響應(yīng)零件位移分析云圖

圖8 阻塞壓力響應(yīng)零件簡(jiǎn)化模型應(yīng)力分析云圖

圖9 阻塞壓力響應(yīng)零件簡(jiǎn)化模型位移分析云圖

3 執(zhí)行裝置振動(dòng)特性分析

氣溶膠采樣執(zhí)行裝置使用過(guò)程中動(dòng)力學(xué)特征明顯，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮振動(dòng)和噪音問(wèn)題。本研究設(shè)計(jì)出齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)兩種執(zhí)行裝置，均采用42步進(jìn)電機(jī)，其固有頻率為20～50Hz。齒輪傳動(dòng)執(zhí)行裝置（圖10）優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，加工周期短，加工手段簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)加工，絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)潔；其缺點(diǎn)是阻塞壓力傳感器配套裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)裝配均為剛性連接，安裝誤差對(duì)傳遞性能影響大。同步帶傳動(dòng)執(zhí)行裝置（圖11）的優(yōu)點(diǎn)是大傳動(dòng)比同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于更換，零部件復(fù)合功能多，絲桿傳動(dòng)簡(jiǎn)潔，阻塞壓力貼裝應(yīng)變片即可實(shí)現(xiàn)預(yù)警；其缺點(diǎn)是異形結(jié)構(gòu)件多，加工周期長(zhǎng)，涉及加工手段多樣化，需形成批量化生產(chǎn)。

齒輪傳動(dòng)執(zhí)行裝置中各傳動(dòng)齒輪均為金屬材料，從電機(jī)到絲桿力矩傳遞過(guò)程中應(yīng)充分考慮齒輪嚙合過(guò)程產(chǎn)生的共振。故選齒輪和絲桿作為分析對(duì)象，首先定義分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)，進(jìn)行固有頻率的有限元計(jì)算，具體零件如圖12、13、14，材料參數(shù)列于表2。

分析計(jì)算后得到小齒輪二階振動(dòng)云圖如圖15；得到絲桿齒輪二階振動(dòng)云圖如圖16；得到過(guò)渡齒輪二階振動(dòng)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(jiàn)表3。分析計(jì)算后得到絲桿二階振動(dòng)云圖如圖19。

圖10 齒輪傳動(dòng)執(zhí)行裝置裝配圖

圖11 同步帶傳動(dòng)執(zhí)行裝置裝配

表3 材料屬性值

通過(guò)仿真分析可以發(fā)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)上齒輪和絲桿的二階振型振動(dòng)頻率均在20～50Hz范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振噪音，整體設(shè)備工作噪音比較大，應(yīng)適當(dāng)考慮其他結(jié)構(gòu)，為此進(jìn)一步提出同步帶傳動(dòng)裝置。其中，同步帶的材料參數(shù)如表4所示。具體零件見(jiàn)圖20。分析計(jì)算后得到同步帶二階振動(dòng)云圖見(jiàn)圖21。同步帶二階振型圖顯示與電機(jī)激振頻率相差大，可有效隔絕電機(jī)引起的整體傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的振動(dòng)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(huì)工業(yè)化程度的提高，人類(lèi)社會(huì)已面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題，環(huán)境的檢測(cè)已成為各國(guó)各領(lǐng)域關(guān)注焦點(diǎn)。在各類(lèi)環(huán)境污染問(wèn)題中，空氣污染問(wèn)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(duì)人類(lèi)健康造成越來(lái)越嚴(yán)重的危害。近年來(lái)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(guò)氣溶膠的方式進(jìn)行傳播，傳播危險(xiǎn)性程度極高，對(duì)人類(lèi)的生命健康和全球經(jīng)濟(jì)等都造成重大危害。因此，我們迫切需要對(duì)大氣中的微生物及其他污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便做出相應(yīng)的防治措施。空氣監(jiān)測(cè)首先必須對(duì)空氣進(jìn)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(duì)氣體采樣注射器推進(jìn)執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，我們通過(guò)CAD技術(shù)針對(duì)氣體采樣注射器推進(jìn)執(zhí)行裝置進(jìn)行CAD建模，借助CAE技術(shù)對(duì)氣路阻塞壓力報(bào)警響應(yīng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)分析；根據(jù)仿真分析得出的變形和應(yīng)力分布情況，為應(yīng)變片定位提供設(shè)計(jì)依據(jù)；并通過(guò)對(duì)兩種氣體采樣注射器推進(jìn)執(zhí)行裝置進(jìn)行模態(tài)分析，為其集成裝配降噪減振提供設(shè)計(jì)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，借助先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù)，針對(duì)所設(shè)計(jì)的一種阻塞報(bào)警關(guān)鍵零件，建立分析用簡(jiǎn)化模型，便于載荷、約束的施加，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行剛度分析，為應(yīng)變片粘貼位置提供所需數(shù)據(jù)；針對(duì)所設(shè)計(jì)的兩種執(zhí)行裝置中傳動(dòng)件進(jìn)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(guò)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(guò)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(fù)雜性以及創(chuàng)造更快的產(chǎn)品開(kāi)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(wú)縫CAD／CAE集成仍是目前工業(yè)設(shè)計(jì)的最重要議題之一，仿真精度可控的簡(jiǎn)化模型仍然有待持續(xù)長(zhǎng)久研究。但是，CAD/CAE技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)早期，可以通過(guò)模擬分析提高對(duì)產(chǎn)品性能的認(rèn)識(shí)，評(píng)估并優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，為采用虛擬測(cè)試減少甚至取消部分樣機(jī)制作和測(cè)試試驗(yàn)，從而大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用，全面提高了產(chǎn)品性能和核心開(kāi)發(fā)能力。