基于ANSYS生成仪的气泵和垫片的静力分析

基于ANSYS生成仪的气泵和垫片的静力分析

汪红梅1 ,汪冬梅2

汉口学院    湖北武汉430200

武汉光谷职业学院 湖北武汉 430202

摘要：生成仪是用于形成乳液的系统，包括方法、装置和套件。该系统可以向由芯片保持的预期的乳液相施加压力以便在芯片中驱动乳液的形成和收集[1]。当该仪器检测出满足预订条件的压力改变时，该仪器可以停止向芯片施加压力。该变化可以指示出已经到达液滴产生的终点[1]。本论文主要是为了验证气泵的选型和垫片其结构设计的合理性，对气泵和垫片进行网格划分和静力分析，为生成仪的设计提供一定的指导性依据。将在SolidWorks中设计好的驱动组件模型进行简化，然后导入到ANSYS workbench中，根据施加160N的力对气泵和垫片进行静力分析，根据气泵和垫片的受力和位移变形量来反映施加力的合理性，从而验证垫片结构设计的合理性和气泵规格选用的合理性。

关键字：气泵；垫片；网格划分；静力分析；验证。

中图分类号：TH114   文献标志码：B

Static analysis of gas pump and gasket based on ANSYS generator

Wang Hongmei1，Wang Dongmei2

(1 Wuhan Hubei，Hankou University，430200；2 Wuhan Hubei，Wuhan Guanggu Vocational College ，430202）

Abstract: A generator is a system for forming an emulsion, comprising a method, a device and a package.The system can exert pressure on the desired emulsion phase maintained by the chip in order to drive emulsion formation and collection in the chip[1].The instrument can stop applying pressure to the chip when it detects a pressure change that satisfies a predetermined condition.This change can indicate that the endpoint of droplet generation has been reached [1].This paper is mainly to verify the selection of gas spring and the rationality of gasket structure design, the gas spring and gasket mesh pision and static analysis, for the design of the generator provides some guidance basis.Will be designed in SolidWorks to simplify the drive component model, and then imported to ANSYS workbench, according to the applied force of 160N static analysis was carried out on the gas springs and washers, according to the gas spring and gasket stress and displacement deformation to reflect the rationality of the force f, thus verifying the rationality of structural design of the gasket and the rationality of the spring specification selection.

Keywords:Air pump；Gasket；Grid pision；Static analysis；Validation。

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0 引言

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许多生物医学应用都依赖于样品的高通量分析。例如，在研究和临床应用中，使用靶特异性试剂的高通量遗传测试可以提供核酸靶的准确以及精确的定量，可以用来制药，用于医学临床，生物标记等[1]。本论文主要是为了验证气泵的选型和垫片其结构设计的合理性，对气泵和垫片进行网格划分和静力分析，为生成仪的设计提供一定的指导性依据。

1模型的建立

根据实际结构，建立其三维模型，然后进行有限元分析

[2-3]。

1.1三维模型的创建

利用SolidWorks三维软件，建立气泵和垫片的三维模型，在确保实验条件下，计算的结果不受影响，可以对驱动系统相应的零部件进行简化，同时可以提高计算机在计算的过程中的速度和减少对应的计算时间。建立的气泵和垫片三维模型如图1、图2所示。

图1气泵三维模型

图2 垫片三维模型

1.2 有限元分析

有限元法实质上是通过数值计算方法计算的，先将实际模型通过网格划分为一系列的离散单元，这些离散单元是通过公共节点进行连接， 然后对这些单元组合体进行分析[4-5]。对于实际结构的有限元分析步骤大致为：将各个零部件通过装配的方式结合在一起，然后通过有限元的方法将其划分为多个单元，这些单元都是通过公共节点连接在一起，通过这些公共节点组成刚度方程，创建边界条件到方程中得出结果[6-7]，相关参数的设置，材料属性的定义，最后进行网格划分 [8]。

1.2.1三维模型的导入

将创建好的模型导入到ANSYS workbench中，由于气泵和垫片的受力是在驱动组件的驱动下作业，导入时需将驱动系统导入，为了提高仿真速度，可以对模型进行一些简化处理，对气泵和垫片进行分析。

1.2.2材料设置

根据实际的运行环境，选用合适的材料电机固定板、管道压块、均选用6061-T6材料，缸筒采用20号钢，活塞杆采用45号钢，活塞采用铝合金，密封圈、防尘圈采用聚氨酯橡胶，定位环采用锰钢材料[9],芯片选用玻璃，垫片的材质是橡胶。

1.2.3接触设置

将模型从SolidWorks导入到ANSYS workbench 中,各个零件是单独存在的，有些零件是有接触的所以就需要设置一些零件的接触类型。

表1 接触设置表

1.2.4 网格划分

划分网格的形式有六种，分别是Automatic、Tetrahedrons、Sweep、Multizone、Hex Dominent、CutCell。网格类型有四种，分别是四面体网格、六面体网格、棱柱网格、金字塔网格[10]。网格划分的粗细将会直接影响最后的计算结果的准确度。网格画的越细，最后的计算结果准确度越高，但是有的计算机性能不好，计算需要很长的时间，大大增加了工作量，所以划网格时，需要充分考虑时间和效率的关系，划出比较完美的网格[7]。划分网格的方法选用Hex Dominent，活塞杆的单元size设为1 mm，缸筒的单元size设为1.5 mm，管道压块的单元size设为3 mm，芯片的单元size设为1.2 mm，垫片的单元size设为1 mm，划分后的网格有42362个单元， 157298个节点。 如图3、图4所示。

图3 气泵的有限元模型

图4垫片的有限元模型

1.2.5 施加约束及载荷

一般的约束方法有：固定约束，强迫位移，远程位移，无摩擦约束，仅压缩约束，圆柱面约束，简支约束，固定旋转约束，弹性支撑等。设置缸筒与活塞杆为Frictionless Support。垫片的端面设置为Frictionless Support。然后给电机施加160N的力，进行求解。

2计算结果与分析

根据静力分析的理论，物体动力学方程为：[M]{}+[C]{}+[K]{x}={F(t)}, 忽略与时间t情况下，简化为[K]{x}={F(t)}，式中：[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵，{x}为位移矢量；{}为速度矢量；{}为加速度矢量；{F(t)} 为矢量[11]。

2.1 气泵计算结果与分析

气泵主要是由缸筒、活塞杆构成，还有一些其它的密封装置，支撑装置等。为了更好的反映气泵的静力分析结果，可以对其缸筒和活塞杆进行静力分析，分析结果如下图所示。

图5 缸筒应力分布图

图6 缸筒位移分布图

图7 活塞杆应力分布图

图8 活塞杆位移分布图

从缸筒的应力分布图来看，最大应力为71.552 MPa，发生在缸底，该值远小于其材料20号钢的许用应力137 MPa，说明缸筒的强度较好。

从缸筒的位移分布图来看，最大位移发生在缸底，其最大横向位移变形值为1.7008 mm，因为当气泵内部受到压缩时， 缸筒是处于一种膨胀拉伸状态，最大位移变形发生在缸底。

从活塞杆的应力分布图来看，最大应力为47.468 MPa，其值远小于活塞杆材料45号钢的许用应力230 MPa，强度达到了要求，也是在安全范围内。

从活塞杆的位移分布云图来看，最大位移值为1.3263mm，是延横向展开，当气泵受压时，活塞被压到底部，活塞底部位移变形量最大，但也是在允许范围内，说明活塞杆的设计刚度满足要求。从总体来看，气泵的选型是比较合理的。

2.2垫片计算结果与分析

    为了验证垫片设计的合理性，以及垫片受力时，垫片与芯片接触，其气密性是否良好，是否达到理想的效果，需要对垫片进行静力分析，分析结果如下图所示。

图9 垫片的应力分布图

图10 垫片的位移分布图

从垫片的应力分布图来看，最大应力为3.5695MPa,其值小于垫片材料橡胶的许用应力5Mpa，垫片中间部分应力较周围大，因为根据流体力学理论，管道中间小孔流速最大。但最大应力值小于垫片材料橡胶的许用应力5Mpa，符合设计要求。

从垫片的位移分布图来看，最大位移变形量为0.2021mm。从整个图来看，主要是芯片口处产生了变形量，其变形量达到了与芯片接触的良好的密封性，保证了气密性，同时也满足了刚度的设计要求，总体来看，垫片的设计比较合理。

3 结束语

利用SolidWorks建立气泵和垫片的模型，与ANSYS workbench连接，运用静力分析的理论对气泵和垫片进行静力分析，得出了相应的应力和位移分布图。从气泵的应力和位移分布图来看，缸筒的最大应力为71.552 MPa，发生在缸底，该值远小于其材料20号钢的许用应力137 MPa，说明缸筒的强度较好。 缸筒的最大位移发生在缸底，其值为1.7008mm。活塞杆的最大应力为47.468MPa,其值远小于活塞杆材料45号钢的许用应力230MPa。活塞杆的位移变形量是横向的，当气泵受压时，活塞被压到底部，活塞底部位移变形量最大，其值为1.3263mm。从垫片的应力和位移分布图来看，应力最大应力为3.5695MPa,其值小于垫片材料橡胶的许用应力5Mpa，垫片中间部分应力较周围大符合设计要求。垫片的位移主要分布在垫片的内侧端口，最大位移为0.2021mm。在设计垫片时，要考虑到，当受到电机160N的力时，垫片能否与芯片形成很好的密封效果，从而保证良好的气密性，确保实验的高效性，从气泵和垫片的位移和等应力分布图来看，气泵的选型和垫片的设计都具有一定的合理性，为今后的研究带来一定的铺垫。

4 参考文献

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作者简介：汪红梅（1994年），女，湖北孝感汉族，硕士，机械工程专业，主要研究方向为机电系统动态设计

联系方式：湖北省武汉市江夏区文化大道菩提苑。430200。

电话：18186640482

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