气体采样装置研制中的执行机构关键部件有限元分析

马娜 曲宝林 陈玮

(1.中国人民解放军总医院第一医学中心放射治疗科，北京 100859；2.军事医学研究院科研保障中心，北京 100850)

随着现代工业的发展，大气污染成为日益严重的环境与健康问题，由环境污染导致的疾病，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)，已成为最常见的慢性肺病，预计2020年将成为全球第三大死因[1]。因此，与环境监测密切相关的气体采集与检测方法的研究越来越受重视。虽然人们在这方面的研究己有近百年历史，但在气体采样方法等方面依然存在待解决的技术难题[2]。气体采样注射器是一种常用气体采样装置，尽管这一装置结构简单、操作维护容易，但在气体采样实际使用过程中，由于管线复杂，常会因电磁阀故障、颗粒物或管道折叠等原因导致管路阻塞,电磁阀故障可直接通过电控信号判定，而颗粒物或管道折叠导致的阻塞必须通过执行装置所设定的阻塞压力报警来获知。如果管道发生阻塞报警延迟，会直接影响气体样本采集，甚至导致整个采样气路报废。为保证设备良好工作状态，应尽量缩短管道阻塞报警延迟时间。

本研究针对在低温条件下采样、采集效率较高[3]的过滤式气溶胶采样方法设计出两套可实施气体采样、储存和输送的执行装置，通过计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)技术将执行装置中阻塞压力报警相关零部件建立仿真用三维模型，借助计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技术对其进行压力相关性仿真分析和模态分析，以便及早发现设计缺陷，优化产品性能[4-5]。

1 静强度、刚度分析计算

通常情况下，一个典型CAD及CAE流程主要包含预处理、仿真计算以及后处理3个重要阶段[6-7]。预处理阶段需要依赖工程技术人员的经验来考虑模型的几何尺寸以及所处的物理环境，建立理想化模型，最终生成工程仿真精度可信的网格。仿真计算是通过软件求解器进行求解计算。后处理则是采集处理分析结果：取等值线、点云图、动画、图表、曲线、列表等，使用户能简便提取信息，根据计算结果进行结构优化[8]。

1.1 阻塞压力响应零件三维建模

目前的CAD三维造型系统发展日益成熟且稳定，涌现了如CATIA,UG,Solidworks,Pro/E,Solidedge等各种高端软件系统，它们广泛应用于汽车、飞机、轮船、机械、建筑和轻工等领域的工程和产品设计。但是，由于模型几何特征的复杂性、物理简化方式的多样性等原因，实现仿真结果可靠的几何设计模型理想化仍然是CAD/CAE综合运用的关键问题，美国sandia国家实验室的统计结果表明，含CAD模型简化的模型理想化过程占据了整体工程仿真50%以上的时间，而该问题近年来多次被列为公开问题提出[6-7,9]。本研究如图1所示，执行装置为研究对象，通过Solidedge对阻塞压力响应零件（图2）进行CAD三维建模。为建立可信的仿真模型，首先对原阻塞压力响应零件CAD模型连接螺纹特征进行体识别及抑制[10-20]，生成最简化模型（图3）；然后对简化模型进行仿真求解；而后选择带有连接螺纹细节特征的阻塞压力响应零件（图2）并进行仿真求解，经计算后对比，确保简化模型仿真达到一定的精度控制。

1.2 快速计算与模拟分析

通过数据接口转换将CAD设计的三维模型导入到有限元分析软件中。为了得到均匀规则的分析网格，提高分析精度，需进一步检查片体是否存在负角，并对局部尖角部位进行倒圆光顺，并进行网格划分，分别建立阻塞压力响应零件（图2）和阻塞压力响应零件简化模型（图3）的有限元模型。

计算分析所用静强度仿真分析软件Ansys是一款融结构、流体、电磁场以及声场分析于一体的有限元软件,具有强大的前处理、分析计算和后处理功能，可以将研究对象内部应力分布与变化情况的计算结果以彩色等值线、矢量图、粒子流迹和梯度等图形方式显示,被广泛地应用于工业生产及科学研究领域。所分析零件材料为结构钢，具体材料参数列于表1。

静强度结构分析用来分析结构在给定静力载荷条件下的响应，是关于结构的位移、约束反力、应力及应变等的参数。由经典力学理论我们知道物体的动力学通用方程为：

式中 [M]—质量矩阵；

[C]—阻尼矩阵；

图1 执行机构示意图

图2 阻塞压力响应零件三维图

图3 阻塞压力响应零件简化模型三维图

表1 结构钢材料属性

[K]—刚度系数矩阵；

{x}—位移矢量；

{F}—力矢量。

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(1-1)式中得到以下方程式：

执行装置中正常丝杆传动时静工作载荷一般较小,在堵转或负载变化引起转速波动时导致的冲击载荷较大,阻塞压力响应零件功能设计为承载驱动电机，内部悬臂环为丝杆支撑部和轴向承力点，丝杆堵转轴向力作用在阻塞压力响应零件悬臂环上，通过对其强度、刚度进行分析,可明确其阻塞载荷与悬臂环变形的关系，为阻塞报警应变阈值提供参照。在进行有限元分析时，设计初期采用经验设计和材料力学简化算法相结合的方式，得到设计参数的初始值。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。

根据阻塞压力响应零件的实际工作状态，载荷与边界条件的添加如下：①阻塞压力响应零件三点固定，约束3个方向的平动和转动；②阻塞压力响应零件悬臂环承受100N压力，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。阻塞压力响应零件的有限元模型如图4所示。

有限元网格的单元数为25754，节点数为47489。网格划分完毕，即进行载荷与边界条件的添加。具体分析云图如图5和图6。

阻塞压力响应零件简化模型的有限元模型如图7所示。

有限元网格的单元数为22303，节点数为41060。网格划分完毕，即进行载荷与边界条件的添加。具体分析云图如图8和图9所示。

通过模拟分析可以看出，阻塞压力响应零件简化模型所得结果与原型无差别。因此进一步优化结构使用简化模型即可，既易于建模，又加快了模型仿真分析速度，同时为应变片粘接位置提供了指导依据。

2 模态分析

模态分析作为一门新的学科，是了解结构振动特性的一个重要手段，已经广泛应用在结构动力特性修改、优化设计、故障诊断、状态检测等诸多领域。这一技术将过去机械结构由经验、类比和静态设计方法改变为动态、优化设计方法。随着计算机技术的迅速发展，已成为解决复杂结构振动问题的主要工具，并与CAD相结合，对产品的改进提供可靠的理论依据[21]。

由振动理论可知，结构以某一频率振动时所表现出的振动形态称模态，所出现的形状称为振型。结构的动力学问题都是以模态理论为其础的[22]。结构动力学方程如下：

图4 阻塞压力响应零件分析用网格模型

图5 阻塞压力响应零件应力分析云图

图6 阻塞压力响应零件位移分析云图

图8 阻塞压力响应零件简化模型应力分析云图

图9 阻塞压力响应零件简化模型位移分析云图

3 执行装置振动特性分析

气溶胶采样执行装置使用过程中动力学特征明显，在设计中应充分考虑振动和噪音问题。本研究设计出齿轮传动和同步带传动两种执行装置，均采用42步进电机，其固有频率为20～50Hz。齿轮传动执行装置（图10）优点是结构紧凑，加工周期短，加工手段简单，易于实现加工，丝杆传动机构简洁；其缺点是阻塞压力传感器配套装置结构复杂，传动装配均为刚性连接，安装误差对传递性能影响大。同步带传动执行装置（图11）的优点是大传动比同步带传动结构简单，易于更换，零部件复合功能多，丝杆传动简洁，阻塞压力贴装应变片即可实现预警；其缺点是异形结构件多，加工周期长，涉及加工手段多样化，需形成批量化生产。

齿轮传动执行装置中各传动齿轮均为金属材料，从电机到丝杆力矩传递过程中应充分考虑齿轮啮合过程产生的共振。故选齿轮和丝杆作为分析对象，首先定义分析类型和分析选项，进行固有频率的有限元计算，具体零件如图12、13、14，材料参数列于表2。

分析计算后得到小齿轮二阶振动云图如图15；得到丝杆齿轮二阶振动云图如图16；得到过渡齿轮二阶振动云图如图17。

表2 材料属性值

丝杆的零件如图18，材料参数见表3。分析计算后得到丝杆二阶振动云图如图19。

图10 齿轮传动执行装置装配图

图11 同步带传动执行装置装配

表3 材料属性值

通过仿真分析可以发现齿轮传动执行装置设计上齿轮和丝杆的二阶振型振动频率均在20～50Hz范围内，步进电机工作时会产生共振噪音，整体设备工作噪音比较大，应适当考虑其他结构，为此进一步提出同步带传动装置。其中，同步带的材料参数如表4所示。具体零件见图20。分析计算后得到同步带二阶振动云图见图21。同步带二阶振型图显示与电机激振频率相差大，可有效隔绝电机引起的整体传动执行机构的振动噪音，有利于整体设备工作可靠。

表4 材料属性值

4 讨论

图12 小齿轮三维图

图13 丝杆齿轮三维图

随着社会工业化程度的提高，人类社会已面对越来越严峻的环境污染问题，环境的检测已成为各国各领域关注焦点。在各类环境污染问题中，空气污染问题不可忽视，而空气中的微生物是造成污染的重要因素之一。目前世界范围内，空气中的微生物正对人类健康造成越来越严重的危害。近年来各种传染病频发，如2019年末爆发并肆虐全球的新冠肺炎，其病毒可以通过气溶胶的方式进行传播，传播危险性程度极高，对人类的生命健康和全球经济等都造成重大危害。因此，我们迫切需要对大气中的微生物及其他污染物进行监测，以便做出相应的防治措施。空气监测首先必须对空气进行采样，气体采样注射器是一种常用的气体采样装置。

本研究旨在对气体采样注射器推进执行装置的设计数据进行优化，我们通过CAD技术针对气体采样注射器推进执行装置进行CAD建模，借助CAE技术对气路阻塞压力报警响应关键结构件进行静力学分析；根据仿真分析得出的变形和应力分布情况，为应变片定位提供设计依据；并通过对两种气体采样注射器推进执行装置进行模态分析，为其集成装配降噪减振提供设计依据。研究发现，借助先进的CAD/CAE技术，针对所设计的一种阻塞报警关键零件，建立分析用简化模型，便于载荷、约束的施加，通过数值计算方法进行刚度分析，为应变片粘贴位置提供所需数据；针对所设计的两种执行装置中传动件进行了固有频率分析，能够得出比较精确的直观结果，为整体设备装配工艺提供了参考。

图14 过渡齿轮三维图

图15 小齿轮二阶振型图

图16 丝杆齿轮二阶振型图

图17 过渡齿轮二阶振型图

图18 丝杆三维图

图19 丝杆二阶振型图

图20 同步带三维图

图21 同步带二阶振型图

5 结论

如何提高产品的技术复杂性以及创造更快的产品开发周期和更低的研发成本，现已成为了各行业产品研发工作的重中之重。尽管无缝CAD／CAE集成仍是目前工业设计的最重要议题之一，仿真精度可控的简化模型仍然有待持续长久研究。但是，CAD/CAE技术在产品研发早期，可以通过模拟分析提高对产品性能的认识，评估并优化产品设计，为进一步的改进提供数据和技术支撑，为采用虚拟测试减少甚至取消部分样机制作和测试试验，从而大大缩短了产品的研制周期，减少了产品开发费用，全面提高了产品性能和核心开发能力。