（微电子学与固体电子学专业论文）pdms微型蠕动泵性能的有限元分析.pdf

沈阳l 。业人学硕士学位论文 摘要 在微流控分析系统中，微流体驱动技术是实现微流体控制的酊提和基础，虽然目前 用于微流体驱动的微泵有很多种，但要实现芯片上实验室这一目的，首先应该使微泵和 微流控器件实现集成化。 本文在计算机软件平台上对多层软光刻技术制作的聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 气动 微泵进行了研究。该微泵的优点是结构和制作方法简单、复制速度快、造价低、易于和 其它微流控器件形成集成化。计算机辅助技术的应用能够大大减少新器件研制的费用和 时间，并能保证器件的设计合理。本文的意义在于利用计算机模拟微泵的某些性能使我 们对微泵的工作情况有更进一步的了解，从而有利于微泵的优化设计。 文章介绍了微泵的种类及其发展，简要介绍了a n s y s 作为有限元分析软件在结构、 流体和耦合分析上的应用；利用a n s y s 软件模拟了p d m s 微型蠕动泵的结构，并且根 据该软件所提供的结构分析模块对微泵的p d m s 气动薄膜进行受力形变分析，得出了二 维模型的薄膜在不同压强下的形变程度及压强一形变位移曲线；利用a n s y s 软件建立 液体通道的三维简化模型，并分析了液体通道形状对微泵性能的影响：用该软件提供的 流体分析模块和与其相兼容的结构分析模块，运用物理环境耦合的分析方法，在固定频 率下运用二维简化模型分别模拟分析了气体沟道宽度、液体沟道宽度、压强大小及液体 沟道深度对p d m s 微型蠕动泵流速的影响，并且得出压强一流速收敛曲线和液体沟道深 度一流速曲线。 关键词：蠕动泵，结构分析，流体分析，耦合分析 p d m s 微型蠕动泵性能的有限元分析 f i n i t yc e l la n a l y s i so fc a p a b i l i t yi np d m s p e r i s t a l t i cm i c r o p u m p a b s t r a c t m i c r o f l u i d i cd r i v e r sa r et h ep r e c o n d i t i o na n dt h eb a s ei nt h em i c r o f l i u d i cc o n t r o l l i n g s y s t e m a tp r e s e n t ，a l t h o u 【g ht h e r ea r es om a n yk i n d so fm i c r o p u m p si nt h ed i f f e r e n tf i e l d s ，t o c o m et r u eal a bo nc h i p ，m i c r o p u m p sm u s tb ei n t e g r a t e dw i t ho t h e rm i c r o f l u i d i cc o n t r o l l i n g d e v i c e s p d m sm i c r o p u m p sm a d eb ym u l t i l a y e rs o f tl i t h o g r a p h yh a v eb e e nr e s e a r c h e do nt h e s o f t w a r ep l a t f o r mi nt h ep a p e r t h e r ea r es e v e r a la d v a n t a g e so ft h em i c r o p u m p s ，i n c l u d i n g e a s yo ff a b r i c a t i o n ，r a p i dp r o t o t y p i n g , l o wc o s ta n di n t e g r a t e dw i t ho t h e rm i c r o f l u i d i c c o n t r o l l i n gd e v i c e se a s i l y t h et i m ea n dc h a r g eo fn e wd e v i c e ss t u d i e dc a nb er e d u c e db yt h e a p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a n dm a k es u r et h ed e s i g no fd e v i c e sa r er e a s o n a b l e t h e m e a n i n go ft h i sp a p e ri st h a tt h ew o r ko fp u m p sc a nb eu n d e r s t o o dm o r eb e t t e rb yc o m p u t e r s i m u l a t i o n ，a n dt h e nt h em i c r o p u m p sc a l lb eo p t i m i z e de a s i l y t h ek i n d sa n dd e v e l o p m e n to fm i c r o p u m p sw e r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r ，a n dt h e a p p l i c a t i o n so fa n s y s i ns t r u c t u r a la n a l y s i s ，f l u i da n a l y s i s ，a n dc o u p l e d f i e l da n a l y s i sw e r e i l l u m i n a t e d a n do nt h es o f t w a r ep l a t f o r m ，t h es t r u c t u r eo ft h em i c r o p u m pw a sb u i l t b y a n s y ss y s t e m ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p r e s s u r ea n dg a sd r i v i n gt h i nf i l m m o v e m e n tv a l u ew a sa n a l y s e d ，a n dc o n n e c t i o nc u r v et h r o u g hp l a n a rm o d e lw a sg a i n e d ； s e c o n d l y ，m i c r o p u m ps t r u c t u r ei nt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw a ss i m u l a t e da n dt h ea f f l u e n c e o fs t r u c t u r eo nf u n c t i o no ft h em i c r o p u m pw a sa n a l y s e d f i n a l l y ，a f f e c t i o no fw i d t ha n d l e n g t ho fg a sc h a n n e l ，w i d t ha n dd e p t ho ff l u i dc h a n n e la n dp r e s s u r et h r o u 曲c o u p l e dp h y s i c s c o n d i t i o ns i m u l a t i o nw e r es i m u l a t e da n da n a l y s e d a n dc o n s t r i n g e n c yc u r v ea n d r e l a t i o n s h i p c u r v e sw e r eg a i n e d k e yw o r d s ：p e r i s t a l t i cm i c r o p u m p ，s t r u c t u r a la n a l y s i s ，f l u i da n a l y s i s ，c o u p l e d - f i e l d a n a l y s i s i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 躲狱飙甲 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 师签名：亟翘日期：兰翌：! ：z 沈伢ll 业人学硕十学仲论文 1 绪论 1 1 研究背景 目酊用于微流体驱动的微泵有很多种，可分为机械微泵和非机械微泵两大类l ”。机 械微泵根据致动机理的不同又可以分为压电致动微泵、静电致动微泵、电磁致动微泵、 形状记忆合金( s h a p em e m e r ya l l o y ，s m a ) 致动微泵、热气动力致动微泵和气动微泵等。 连续流微泵，也可以称为非机械微泵，它与机械微泵的区别是无活动部件，其工作机理 是将非机械能或机械能直接传递给液体，使其流动。目前已经有多种连续流微泵被研制 开发，如，电渗泵、磁液态动力泵、电液态动力泵、毛细一蒸发作用力微泵等。 1 2 微泵的种类及工作原理 1 2 ，1 机械微泵 机械微泵可分为两种类型一往复式和蠕动式，但多数微泵为往复式1 2 翔。往复式微泵 又可以分为有阀微泵和无阀微泵两种。往复式有阀微泵的原理结构如图i 1 所示，由一 腔体、泵膜、两个被动阀和一个致动器组成。 入口 腔体体积变化量 出口 图1 1 往复式有阀微泵工作原理示意图 f i g 1 1p r i n c i p l es e t - u po far e c i p r o c a t i n gm i c r o p u m pw i t hv a l v e s 腔体的一侧用一弹性膜封闭，通过某种致动机理，弹性膜上下移动，使腔体内液体 p d m s 微1 u 蠕动泵性能的有限元分析 在高压和低压之j 1 日j 交将变换。在一个1 = 作周期内，微泵的工作状念可以分为象入模式和 泵出模式。在泵入模式状态下，泵膜向上移动，泵腔体积增大，处于低压状念，腔体 l j 入口经入口阀吸入液体。在泵出模式状念下，泵膜向下移动，泵腔体积减小，处f 高压 状态的腔体使腔体中的液体经出口阀从出口流出。入口阀和出口阀在微泵工作中将阻止 倒流，起“流体整流器”的作用，使液体的双向流动变成指定方向的单向流动，在膜连 续工作状念下实现液体的连续流动l “l 。 如果把入口阀和出f 1 阀代以扩散口和喷嘴。即成为无阀机械微泵，此种微泵是由e s t e m m e 和g ，s t e m m e 在1 9 9 3 年首先提出的，扩散口是一个逐渐张开的通道，喷嘴是逐渐 收缩的通道。无阀机械微泵的工作原理图如图1 2 所示，在一个工作周期内，工作状态仍 然可分为泵入模式和泵出模式，泵的运行以扩散口喷嘴的定向流动特性为基础。通过 工f 确设计扩散r 喷嘴的几何尺寸使微泵在泵入模式中，由入口( 扩散口) 流入腔体的 液体量大于由出口( 喷嘴) 流入腔体的液体量：在泵出模式中，由出口( 扩散口) 流出 腔体的液体量大于由入口( 喷嘴) 流出腔体的液体量，结果从泵的入口端到出口端就有 定向的液体流动【7 。 图1 2 无阀微泵i i 作原理 f i g 1 2v a l e l e s sm i c r o p u m p sw o r k i n gp r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a m ( 1 ) 压电微泵 压电力已经广泛应用于微机械设备中。压电效应产生于一些特殊的晶体，当它们承 受机械应力时，就被电极化，电极化的强度与应力的大小成正比。反过来，当给它们施 沈阳业人学硕f 。学位论文 加电场时，它们也会产生应力和形变，形变的程度随电场强度的增加而增加。压电致动 器就是采用压电晶体和会属电极制作的活动部件，利用压电效应产生部件的形变。压电 致动器通常由双压电晶片构成，所施加的电压通过引起一层收缩，另一层膨胀而获得更 有效的响应。往复式压电微泵由v a nl i n t e l 等人首先提f s j ，其结构如图1 3 所示，也 是迄今为止最为广泛应用的一种结构，由两个被动阀、一个泵腔和个压电致动器组成。 微泵的最大输出压力取决于所用致动力的大小。压电材料用胶通过手工粘接到玻璃薄膜 上，这种工艺不利于批量生产出可靠性较高的微泵【3 1 。 图1 3 往复式压电微泵结构原理图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e c i p r o c a t i n gm i c r o p u m p w i t hp i e z o e l e c t r i ca c t u a t i o n ( 2 ) 热气动微泵 热气动微泵由v a nd ep o l 等首先研制成功，用带有内部加热电阻的密封腔体代替压 电盘集成在微泵顶部的薄膜上。图1 4 为典型的热气动微泵的结构图。 图1 4 热气动微泵结构示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a m o ft h e r m o p n e u m a t i cm i c r o p u m p p d m s 傲l u 蠕动泵性能的有限庀分析 它由热气动致动器和两个被动阀组成，热气动致动器i l 加热器、薄膜和充满气体或 液体的密封腔体组成。欧姆加热和自然冷却使密封腔体内压力变化，进而使薄膜形变， 引起被动阀或，f 或关，导致液体定向流动。热气动致动器的特点是能用较小的电压获得 较大的薄膜位移，但由于热延迟的原因，其致动频率较低【1 4 - 1 7 1 。 ( 3 ) 静电致动微泵 静电致动微泵的特点是致动频率高、结构简单、便于操作，冈此在m e m s 领域中发 展很快。【】d z e n g e r l e 等人提出的垂直静电微泵【5 j 的结构如图1 5 所示，致动器由两层薄单 晶硅片构成，分别做成弹性电极膜和对应的固定电极，弹性电极膜作为微泵的泵膜，处 于泵腔的上方，其结构类似于电容器，当给电容器的两个电极施加足够高的电压时，静 电引力吸引泵膜向上偏移，当电容器放电时，泵膜靠张力又回到原来的位置，这使得泵 腔的压力发生变化，进而使入口阀和进口阀或开或关，液体就产生了定向移动。根据致 动频率的不同，微泵具有双向流动的特性，在低致动频率下( o 1 8 0 0 h z ) 微泵为正向流 动( 液体由1 5 所示的入口流向出口) ，在高致动频率下( 2 - 6 k h z ) ，微泵为负向流动( 液 体由1 5 所示的出口流向入口) 。微泵的双向性取决于被动阀的响应与驱动流体压力差的 相位转换。最大流速可达8 5 0 m l m i n ，在2 0 0 v 的致动电压下可获得3 1 k p a 的泵压【1 8 - 2 1 1 。 图1 5 静电薄膜微泵结构示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o s t a t i cm i c r o p u m p 静电致动微泵的缺点是致动电压较高，要获得理想的流速，其致动电压需大于5 0 v ， 而且当薄膜位移量超过电极间气体间隙的1 3 时，会出现不稳定性，因此薄膜位移量较小。 ( 4 ) 电磁微泵 4 沈研i 1 业人学硕 学静论文 与静电微泵相比，电磁微泵具有较人的致动力，而且工作电压低，但电磁微泵在体 积上没有优势，随着线圈尺寸的减小，其致动力也随之下降。b o h m 等人提出的塑料电 磁微泵【矧，其结构如图1 6 所示。图1 6 a 为电磁致动器，它由永久性磁铁和线圈构成， 实际上就是一个传统的电磁扬声器结构，当线圈中有电流通过时，就在线圈中产生向上 或向下的洛伦兹力，力的大小取决于电流的大小。图1 6 b 为微泵的结构，它是在上下两 个阀部件中间央有阀膜的三层结构，在微泵的底部设有进口和出口，在微泵的顶部设有 泵膜。阀部件用注模技术制得，首先用传统的加工设备制成铝模，再涂上一层脱模剂之 后，将环氧树脂注入模中，在6 0 下固化5 0 r a i n 制成。阀膜是厚度为和m 的聚酯膜； 泵膜是2 0 毗m 厚的硅橡胶膜，最后用环氧树脂将电磁致动器固定在泵膜上，构成了完 整的微泵。泵的功耗为0 5 w ，在零背压下，水的流速可达2 1 m l j m i n ，气体的流速为 4 0 m u m i n ，微泵的体积为1 0 x 1 0 x 1 0 m m 。该微泵的优点是制作简单、成本低，能自吸 ( s e l f - p r i m i n g ) ，缺点是没有利用微加工技术，因此不能进一步缩小体积t 2 2 - 矧。 磁芯 空隙 匐 入口 阀座 出口 图1 6 塑料电磁微泵结构示意图 a ) 电磁致动器b ) 塑料微泵 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a s t i cm i c r o p u m pw i t he l e c t o m a g n e t i ca c t u a t i o n a ) e l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o rb ) p l a s t i cm i c r o p u m p ( 5 ) 形状记忆合金微泵 由t i n i 合金制得的s m a 微泵致动器具有很高的恢复力和致动力，因此能产生较大 的流速和较大的工作压力，泵压可达数百k p a 。其它类型机械微泵的典型输出压力为几 p d m s 微犁蠕动泵性能的 r 限元分析 十k t a ，或者更少。对于在微分析系统中的应用，几十k p a 压力不够高，因为微分析系 统的流路复杂，流动阻力大。t i n i 微泵由t i n i 薄膜和偏霄弹簧( b i a ss p r i n g ) 或偏置压 ( b i a sp r e s s u r e ) 构成。给t i n i 薄膜施加偏置力，使之在室温下变形，再通过加热使t i n i 薄膜又恢复到原来的平面形状。周期性地加热或冷却就得到了t i n i 薄膜的往复式运动， 于是泵的效果就产生了。 1 2 2 非机械微泵 非机械微泵又称连续流微泵一以电场和磁场诱导液体流动的微泵为主，它包括电渗 泵【躺”、电液态动力泵【3 2 。5 l 和磁液念动力泵【3 6 4 1 1 等，由于这些泵所产生的液流无脉动性， 流速范围可在每分钟几纳升到每分钟几百微升之i b j 变化，因此被微流控系统广泛采用。 但这些微泵需要庞大的驱动器也给使用带来不便。 ( 1 ) 电渗泵 电渗驱动的原理是利用微通道表面存在的固定电荷进行驱动。以玻璃基质微芯片为 例，在中性或碱性条件下，玻璃通道表面带负电荷，液流中与其相邻的部分形成沿通道 壁的带正电荷的界面双电层。在通道两端施加高电压，带正电荷的界面在电场作用 下产生迁移，继而带动通道内界面包裹的液体流动。双电层厚度通常只有数十纳米，因 此电渗泵只能在极小的微通道内工作。 ( 2 ) 电流体动力微泵 电流体动力( e h d ) 是通过给所传输的液体施加电压所产生的电场与液体中感应电 荷之间的相互作用来传输液体的。 离子拖动泵是e h d 泵中的一种，其工作原理是将电场作用于液体中的空间电荷上， 电荷就沿电场方向运动，并拖动液体一起运动。电荷是通过电极的尖端和边缘注入到液 体中的，该电极称为发射极。电荷被拖动至另一电极，该电极作为收集极。图1 7 为单 一传导离子拖动泵的工作机理。当直流电压加在电极阵列上时，正离子就从正电极被注 入到液体中，正电极作为发射极。虽然正电极两侧均有负电极，但是正离子被拖动至更 近的负电极，该负电极就成为收集极。通过摩擦力的作用，正离子的一些动能被传输给 液体，因此液体也从正电极向负电极移动。 6 一 沈目1 ：业人学硕士学位论文 液流方堕。 = 宠燮鲤奎置墨： 正离子 僦圉 液流方向 十一-+ 一+ 一+ - - 】受视图 图1 7 单电极传导离子拖动泵工作机理图 f i g 1 7m e c h a n i s mi o nd r a gp u m p r i gu s i n gu n p o l a rc o n d u c t i o n ( 3 ) 磁液态动力泵 磁流体动力微泵( m a g n c t h y d r o d y n a m i cm i c r o p u m pm u d ) 的工作机制起源于洛伦兹 力。当将电流施加于含有导电液体的沟道两侧壁上，在有垂直于沟道的磁场存在畦，就 产生了与电流和磁场方向垂直的洛伦兹力，洛伦兹力与电流、磁场方向如图1 8 所示。 洛伦兹力由1 1 式表示： f = lxbw 图1 8i 旺i d 泵矢量图瞵1 f i g 1 8v e c t o r - d i a g r a mo fm h dp u m p p d m s 微q g 蠕动泉性能的有限元分析 f = i x b w 式中，为沟道f i 横向流动的电流，b 为磁场强度，为电极问距，所产生的压力由式 1 2 确定： p = 1 b h( 1 2 ) 式中，h ；q i 乜极高度。在微沟道中，流体的压力p o i s e u i l l e 定律确定： p = q r ( 1 3 ) 式中，q 为液体的体积流速；r 为流动阻力，其大小取决于沟道的几何尺寸，由式1 4 给出： 月= 搿 ( 1 a ) 式中，为沟道长度；为粘性系数。对于矩形沟道来说，月可表示为： r ：丝掣：尘 ( 1 5 ) w h 5 将式1 5 代入式1 3 ，再利用它与式1 2 相等的关系可得： q 一面i b i w 丽3 h 2 ( 1 6 ) 流速不仅与电流和磁场的大小有关，还与沟道的几何尺寸有关。 1 3p d m s 微泵研究的意义 在上述的各种微泵中，非机械微泵的共同优点是结构简单、易于制作、液流无脉动。 但它们对所驱动的液体都有不同程度的要求，并且庞大的驱动设备不利于集成化。机械 微泵的优点是对所输送的液体要求不高，可驱动绝大多数种类的液体，水溶液、有机溶 剂、生物试剂等。但液流有脉动性，结构复杂，加工难度大，造价高，不易于与微流控 的其它装置实现集成化。u n g e r 1 5 】等于2 0 0 0 年提出了一种采用多层软光刻技术制作的气 聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 微型蠕动泵。该微泵由三个微阀构成，其结构和制作过程如 图1 9 所示。其工作原理是：未施加气动力时，流体通道允许流体通过：当给控制通道 沈刚i 业人学硕干：学位论文 施加足够大的气压时，中层p d m s 薄膜封闭流体通道。撤消致动气压，p d m s 薄膜恢复 原状，流体通道重新导通l 粤。4 4 - ；i 图1 9 多层软光刻技术制作气动徽阀t 艺过程示意图 f i g 1 9s c h e m a t i cd i a g r a mo ff a b r i c a t i n gp n e u m a t i cm i c r o v a l v ep r o c e s sw i t hm u l t i l a y e rs o f t l i t h o g r a p h y 三个气动p d m s 微阀就构成了p d m s 蠕动微泵，如图1 1 0 所示。依靠三个阀按顺 序的开关，实现对流体通道中液体的驱动。该微泵的优点是结构和制作方法简单、复制 速度快、成本低、易于和其它微流控器件形成集成化。t h o r s e n 等【1 6 1 等利用p d m s 多层 软平版印刷技术实现了微流控系统的大规模集成化，包含上千个微阀和可寻址的腔体。 使用两个多元通路作为流体设计元素，设计出一个包含1 0 0 0 个间隔区和3 5 7 4 个微阀， 构成2 5 x 4 0 个可寻址的腔微阵列的微流控记忆存储器，如图1 1 1 所示。但是没有文献 报道对该微泵的结构和性能进行分析。 图1 1 0 弹性蠕动泵二维示意图 典酗蠕动致动方式为l 叭1 0 01 1 00 1 00 1 10 0 1 三个连续的数字代表二个阀，0 ，1 表示阀的i ：作状态， 其中0 ，1 分别表示阀开和阀关，0 表示“阀开”，1 表示“阀关” f i g 1 1 0a 3 ds c a l eo fa ne l a s t o m e r i cp e r i s t a l t i cm i c r o p u m p p e r i s t a l s i s w a s t y p i c a l l ya c t u a t e db y t h e p a t t e m l 0 11 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 10 0 1 w h e r e t h r e e f i g u r e s i n d i c a t e t h r e e v a l v e sa n d 0 a n d r i n d i c a t e “v a l v eo p e n ”a n d “v a l v ec l o s e d ” 图1 1 1 微流控记忆存储器 f i g 1 1 1m i c r o f l u i dc o n t r o l l i n gm e m o r i a ls t o r a g e 1 0 一 沈刚i 业人学硕十学伉论艾 2 有限元方法和c a e 技术 2 1 有限元方法 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快捷的交通工具、更大规模的建 筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这切都要求工 程师在设计阶段就能精确地预测出产品或工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度 以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算i 蚓。 有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法。可用有限元方法解决的有关工 程和数学领域内的典型问题包括结构分析、热传导、流体流动、质量传输和电磁电位等。 2 1 1 有限元方法的优点 有限元方法已应用于解决大量闯题，既包括结构问题，也包括非结构问题。其优点 包括： ( 1 ) 易模拟不规则形状的结构。 ( 2 ) 易处理一般的载荷条件。 ( 3 ) 可以模拟由几种不同材料构成的物体。 ( 4 ) 可以处理数量不受限制的和各种类型的边界条件。 ( 5 ) 单元的尺寸大小可以变化，必要时可使用小单元。 ( 6 ) 改变有限元模型比较容易，花费不大。 ( 7 ) 可以进行动态分析。 ( 8 ) 能够处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。 2 1 2 有限元方法的计算机程序 用有限元方法求解问题有两种通常的计算机处理方法。一种是使用大型的商业程 序，其中很多配置可在p c 机上运行。这些通用的程序设计用来解决很多类型的问题。 另一种方法是建立很多小型的专用程序以解决特定的问题。这两种程序各有优缺点。 通用程序的优点： ( 1 ) 输入组织得很好，方便用户使用。用户不需要有计算机软件或硬件的专门知识， 而且预处理很容易使用，有助于创建有限元模型。 p d m s 微，蠕动泵性能的有限元分析 ( 2 ) 通用程序是一个大的系统，用同样的输入格式常常可以求解大小尺寸不等的备 种类型的问题。 ( 3 ) 很多程序可通过增加求解新类型问题的模型和新技术加以扩充。这样只要花费 很小的力气就可以跟随潮流的发展。 ( 4 ) 随着p c 机内存容量和汁算效率的增加，很多通用程序现在可在微机上运行， 缺点： ( 1 ) 开发通用程序的仞始代价很高。 ( 2 ) 通用程序的效率没有专用程序高，因为计算机对每个问题要做很多检查，如果 用专用程序，就不需要作这种检查。 ( 3 ) 很多程序有专用权。因此用户无权访问程序的逻辑。如果需要进行修改，只能 由开发人员来做。 专用程序的优点： ( 1 ) 专用程序通常较短，丌发费用低。 ( 2 ) 小计算机可运行专用程序。 ( 3 专用程序容易扩充，成本低。 ( 4 ) 专用程序解题效率离，因为它们是号门设计来解决特定闯题的。 专用程序的主要缺点是不能解决不同类型的问题。因此，有多少类型的问题需要求 解，就要有多少个程序i 矧。 2 2c a e 技术 c a e 即计算机辅助工程，指工程设计中的分析计算与分析仿真，其含义表现为以下 几个方面。 ( 1 ) 运用工程数值分析中的有限元等技术，分析计算产品结构的应力及变形等物理 场量，给出整个物理场在空间与时间上的分布，实现结构的从线性及静力计算分析到非 线性和动力的计算分析。 ( 2 ) 运用工程优化设计的方法，在满足各种工艺和设计的约束条件下，对产品的结 构、工艺参数及结构形状进行优化设计，使产品结构性能和工艺过程达到最优。 沈叭i 业人学硕十学位论丈 ( 3 ) 运用结构强度与寿命评估的理论、方法和规范，对结构的安全性、町靠性及使 用寿命做出评价与估计。 ( 4 ) 运用运动学和动力学的理论及方法，对由c a d 实体造型设计的机构及整机进 行运动学或动力学仿真，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度，以及动力的大小 等。 2 2 1c a e 软件的作用 c a e 起始于2 0 世纪5 0 年代中期，c a e 软件从诞生到2 0 世纪7 0 年代仞期处在成 长阶段，主要是扩充和完善基本功能、算法及软件结构。到2 0 世纪8 0 年代中期，逐步 形成了商品化的通用和专用c a e 软件。目前国际上的先进c a e 软件，如a n s y s 等已 经可以对工程和产品进行如下性能分析、预报及运行行为模拟。 ( 1 ) 静力和拟静力的线性与非线性分析：包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、 弹塑性，塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑 性接触在内的变形与应力应变分析。 ( 2 ) 线性与非线性动力分析：包括交变、爆炸冲击、随机地震，以及各种运动载荷 作用下的动力时程、震动模态、谐波相应、随机震动、屈曲与稳定性分析等。 ( 3 ) 稳态与瞬态热分析：包括传导、对流和辐射状态下的热、相变及热一结构耦合 分析。 ( 4 ) 流体计算：包括常规的管内和外场的层流、端流、熟一流耦合及流一固耦合分 析。 2 2 2c a e 软件的发展 ( 1 ) 功能、性能与软件技术 采用最先进的信息技术，吸纳最新的科学知识和方法扩充c a e 软件的功能，提高 其性能，仍然是c a e 软件开发商的主攻目标。主要发展表现在如下方面。 1 ) 真3 d 图形处理与虚拟实现。 2 ) 面向对象的工程数据库及其管理系统。 3 ) 多相多态介质耦合、多物理场耦合，以及多尺度耦合分析。 p d m s 微掣瑞动泉性能的仃限元分析 4 ) 适应于超缴并行计算机和机群的高性能c a e 求解技术。 5 ) 集成化、产地化与专业化。 ( 2 ) 多媒体用户界面与智能化 1 ) g u i 多媒体用户界面：多媒体技术的发展会使未来c a e 的用户界面具有更强的 直观、直感和直觉性，为用户带来极大的便利。 2 ) 智能化用户界面：随着人工智能方法和知识1 二程的发展，会出现支持用户更为 有效地使用c a e 软件的专家系统，并成为c a e 用户界面的重要组成部分。 3 ) 网络化 随着i n t e r n c t 的不断发展和普及，通过网络传递信息，对于全面的c a e 分析过程都 可能得到专家的技术支持，必将在c a e 技术的推广应用方面发挥极为重要的作用。 沈研l | ：业人硕十学位论丈 3a n s y s 分析简介 a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用 有限元分析软件。a n s y s 用户涵盖t c t 械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、 水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，a n s y s 是这些领域进行国际国 内分析设计技术交流的主要分析平台。 a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证的大型分析设计类软件，是美国 工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 、及近二十种专业技术协会认证的标准 分析软件。在国内，它第一个通过了中国压力容器标准化委员会认证并在国务院十七个 部委推广使用【拍朋。 3 1a n s y s 的特点 ( 1 ) 强大的前处理能力 强大的前处理能力主要包括强大的几何建模能力、强大的网格划分能力、强大的参 数设置功能。 ( 2 ) 强大的加载求解能力 在a n s y s 中，包括位移、力、温度在内的任何载荷可以直接施加在任意几何实体 或者有限元实体上，载荷可以是具体数值，也可以是与时间或者坐标有关的任意函数。 a n s y s 优异的求解能力突出地表现在对高精度非线性问题求解和强大的耦合场求 解上。例如，在考虑结构的大位移、大应变( 几何非线性) 和塑性( 材料非线性) 的问 题时，必须考虑材料的非线性。 ( 3 ) 强大的后处理能力 利用a n s y s 可以获得任何节点、单元的数据。这些数据具有列表输出、图形显示、 动画模拟等多种数据输出形式。此外时间历程分析功能可以对载荷叠加进行分析计算。 ( 4 ) 良好的开放性 a n s y s 开放的环境允许用户自定义单元特性、用户自定义材料、用户自定义流场 边晁条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等。 p d m s 微刑蠕动泵性能的有限元分析 a n s y s 的特点不仅体现在功能的充备上，也突出地表现在友好的图形用户界面 ( g u i ) 和清晰的程序结构匕，在a n s y s 启动之后，就可以看到图形化的用户界面， 可以给用户一个直接的操作。如图3 1 所示。 圈3 1a n s y s 的g u i 图形界面 f i g 3 1t h ei n t e r f a c eo fa n s y s sg u i 3 2a n s y s 的组成 a n s y s 主要包括三个部分：前处理模块、求解模块和后处理模块。 3 2 1 前处理模块 陔模块用于定义求解所需的数据，用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数和 材料特性、建立实体模型并对其进行网格剖分、控制结点和单元，以及定义耦合和约束 方程等。通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解过程所需的文件大小及内存。 ( 1 ) 坐标系 坐标系可定义空间几何结构的位置，规定节点自由度，定义材料线性方向，以及改 变图形显示和列表。如图3 2 所示，在g u i 操作界面下，可以直接选择所需的坐标系。 沈目| | 业人譬硕十学位论文 尽管a n s y s 有多种坐标系，并且用户可以定义多个坐标系，但同一时刻只能有- 一 个坐标系被激活。系统总是首先激活笛卡尔坐标系。如果用户定义了新的局部坐标系， 该新坐标系就被系统自动激活。 a n s y s 在程序运行的任何时候都可以激活任意一个坐标系，如果没有明确改变已 激活的坐标系，则当前激活的坐标系将一直保持有效。 幽3 2 坐枷、系定义界曲 f i g 3 。2t h ei n t e r f a c eo fr e f e r e n c ef r a m ed e f i n i t i o n ( 2 ) 属性定义 在建立实体模型前必须设定分析类型、单元类型和材料特性。 a n s y s 提供了结构、电、磁、热、流体等分析类型，每种分析类型都对应着一些 单元类型。图3 3 所示的为分析类型定义的截面图。从图中可以看出，在定义分析类型 时可以同时选择多个分析类型。 p d m s 微掣蠕动泵性能的有限兀分析 蚓3 _ 3 分析类型定义界面幽 f i g 3 3d e f i n i t i o no fa n a l y s i st y p e s 在a n s y s 单元库中有超过1 0 0 种的不同单元类型，每个单元类型有一个特定的编 号和一个标识单元类型的前缀。例如，b e a m ，s o l i d ，f l u i d 等。 单元类型决定了单元的自由度数( 又代表了分析领域结构、热、磁场、f 乜场、网 边形、六面体等) 和单元的空| 日j 维数。 在所有的分析中都要输入材料属性，材料属性根据分析问题的物理环境不同而不 同。如结构分析中必须输入材料的弹性模量及泊松比。 ( 3 ) 实体建模 采用实体模型有自底向上建模和自顶向下建模两种方法。 1 ) 自底向上建模 自底向上建模，首先定义关键点，然后利用关键点定义较高级的实体图元( 即线、 面和体) 。同时，自底向上构造的有限元模型在当前激活的坐标系内定义。 如果不需要按从低到高的方法定义所有图元后生成高级图元，则可直接在顶点，即 关键点生成面和体，中间的图元在需要时可自动生成。 沈目f | 业人学硕十学位论文 对于点、线、面和体之问的关系，顶点为关键点、边为线、表面为面，而整个物体 内部为体。这些图元的层次关系是最高级的图元，体以面为边界，面以线为边界，线以 关键点为端点。 2 ) 自顶向下建模 生成一种体素时，a n s y s 自动生成所有从属于该体素的较低级图元，这种丌始就 从较高级的实体图元构造模型的方法即自项向下的建模方法。 ( 4 ) 网格划分 实体模型建好后，用户就需要将其进行网格划分，生成有限元单元网络，为施加边 界条件、施加载荷和求解做好准备。 实体模型网格的划分包括两种不同的划分：自由( f r e em e s h i n g ) 网格划分和映射 ( m a p p e dm e s h i n g ) 网格划分，这两种不同的网格划分对于实体建模过程有很大影响。 因此在对模型进行网格划分之前，甚至在模型建立之前，应确定采用自由网格还是映射 网格。自由网格对f 单元的形状没有限制，并且没有特定的准则。与自由网格相瞻映射 网格对包含的单元形状有限制，并且必须满足特定的规则。映射面网格只包含四边形或 三角形单元，映射体网格只包含六面体单元，并且映射网格具有规则形状明显排成的单 元。 a n s y s 网格划分工具提供了最常用的网格划分控制和最常用的网格划分操作。它 能方便地实现单元属性控制、智能网格划分控制、尺寸控制、自由网格划分和对应网格 划分、执行网格划分、清除网格划分以及局部细分。一旦用户打开如图3 4 所示的对话 框，它就一直保持打开的状态，除非关闭或退出前处理。 p d m s 微犁蠕动泵件能的有限兀分析 图3 4 网格划分一f 具对话框 f i g 3 4m e s h t o o l 3 2 2 求解模块 在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。在该阶段用 户可以定义分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 ( 1 ) 载荷 在a n s y s 中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，共有六种载荷，如表 3 1 所示。 沈阳i ：业人学硕十誓位论文 表3 1a n s y s 中的荷载类刑 t a b 3 1l o a dt y p e si na n s y s 荷载类删荷载说明 自由度d o f ( d ) 集中荷载( d 面荷载( s f b e a m s v ) 体积荷载( b n 惯性荷载 耦合场载荷 定义仃点的n 由度( d o f ) 值即结构分析中的位移 作用t 霄点的集中力即结构分析中的集中力、力矩 作川在表面上的分布荷载即结构分析中的压力 作用在体积上的体力( 如温度荷载) 结构质量或惯性引起的荷载( 自重、角速度等) 物理场之间的相互作用 ( 2 ) 载荷步、子步和平衡迭代 1 ) 载荷步仅仅是为了得到解答的载荷配最。在线性静态或稳态分析中，可以使用 不同的载荷步施加不同的载荷组合一在第一个载荷步中施加风载荷，第二个载荷步中施 加重力载荷，在第三个载荷步中施加风和重力载荷以及一个不同的支撑条件等等。在瞬 态分析中，多个载荷步加到载荷历程曲线的不同区段。 2 ) 子步为执行求解载荷步中的点，由于不同的原因，要使用子步。 在线性静态或稳态分析中，使用子步逐渐旌加载荷以便能获得精确解。 在线性或非线性瞬态分析中，使用子步满足瞬态时间累积法则( 为获得精确解通 常规定一个最小累积时间步子) 。 在谐波分析中，使用子步获得谐波频率范围内多个频率处的解，平衡迭代是在给 定子步下为了收敛而计算的附加解。仅用于收敛起着很重要的作用的非线性分析( 静态 或瞬态) 中的迭代修正。 3 ) 缺省情况下，程序自动地对t i m e 赋值，在载荷步1 结束时，赋t i m e = 1 ；在载荷 步2 结束时，赋t i m e = 2 ；依次类推。载荷步中的任何子步将被赋给合适的，用线性插值 得到的时间值。 载荷步为作用在给定时间间隔内的一系列载荷。子步为载荷中的时间点，在这些时 间点，求得中间解。两个连续的子步之间的时间差称为时间步长或时间增量。平衡迭代 是为了收敛而在给定时间点进行计算的迭代求解。 p d m s 微1 0 蠕动泉性能的有限元分析 ( 3 ) 阶跃载衍和线性载荷 当在一个载荷步中指定一个以上的子步时，就出现了载荷膨为阶跃载荷或是线性载 荷的| n j 题。 1 ) 如果载衙是阶跃的，那么，全部载荷施加于第一个载荷子步，且在载荷步的其 余部分，载荷保持不变。 2 ) 如果载荷是逐渐递增的，那么，在每个载荷子步，载衙值逐渐增加，且全部载 荷出现在载荷步结束时。 a n s y s 允许在实体模型或f e a 模型( 节点和单元) 上加载。在模型上加载，几何 模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局域网格修改不影响荷载：加载的操作更 加容易，尤其是存图