微噴射三維調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)【三維調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】,三維調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),微噴射三維調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)【三維調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】,噴射,三維,調(diào)節(jié),調(diào)理,裝置,設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 微噴射三維調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: （副教授） 2010 年 03 月19 日  開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報(bào)告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 一、引言 微流體系統(tǒng)是微系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。由于它具有尺寸小、無效體積小、功耗低、控制精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此有著廣闊的應(yīng)用前景，可用于化學(xué)分析、生物和化學(xué)檢測、藥物輸送、分子生物學(xué)、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測等。微流體的輸運(yùn)、控制和混合逐漸成為研究熱點(diǎn)。微噴射是微流體控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，現(xiàn)有微噴射技術(shù)大都基于噴墨打印機(jī)的原理，它利用外力迫使液體以液滴的形式從小孔中射出，目前噴射的實(shí)現(xiàn)可以有多種方式，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，微噴主要分為壓電式、電阻電熱式(氣 泡式)、靜電式、超聲式和電磁閥式等。微噴射技術(shù)最成功的應(yīng)用是噴墨打印機(jī)的商品化，它要求溶液具有很好的微粒分散性以防止噴頭堵塞，和較低的粘度而易于噴射，但是對所噴溶液近乎苛刻的要求限制了其在打印之外的其它應(yīng)用；近年來隨著相關(guān)納米分散技術(shù)和溶膠一凝膠技術(shù)的發(fā)展，微噴射技術(shù)在微機(jī)械和微器件制造、生物芯片、材料合成、藥物霧化、芯片冷卻和微推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域也獲得了發(fā)展和初步應(yīng)用[1]。 微噴射是由于金屬表面的微物質(zhì)在慣性力的作用下形成的微量流體的噴射。微噴射技術(shù)廣泛應(yīng)用在噴墨打印、生物芯片制作、單分散微粒制備、激光光能量吸收、液體霧化等領(lǐng)域。微噴射過程的正常實(shí)現(xiàn)一般需要兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)支撐：微噴射流體的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和與驅(qū)動(dòng)技術(shù)相應(yīng)的微噴嘴制造技術(shù)。 本課題所涉及的某試驗(yàn)裝置，其真空室與微噴射裝置之間采用焊結(jié)的連接方式。真空室與微噴射裝置之間可能因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形、真空室熱膨脹和三維調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)支架形，而產(chǎn)生附加應(yīng)力和應(yīng)變，這將影響實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常工作甚至產(chǎn)生破壞作用。針對三維隨動(dòng)調(diào)節(jié)支架設(shè)計(jì)要求，我們采片了三維隨動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)解決微噴射裝置的自由度；此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于支撐和調(diào)節(jié)試驗(yàn)用真空系統(tǒng)中微噴射裝置的三維調(diào)節(jié)支架，為了減小真空室與微噴射裝置焊縫焊接應(yīng)力的影響，要求微噴射裝置支架設(shè)計(jì)成三維調(diào)節(jié)型，以便真空室熱膨脹時(shí)由微噴射三維調(diào)節(jié)支架支撐微噴射裝置自動(dòng)空間調(diào)節(jié)位置，減小真空室與微噴射裝置之間的相互作用；然后通過ANSYS對三維隨動(dòng)調(diào)節(jié)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，本課題的主要任務(wù)就是要得到三維調(diào)節(jié)支架的應(yīng)力場和位移場，校核支架的強(qiáng)度和剛度。并據(jù)此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。 三維調(diào)節(jié)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足系統(tǒng)多方面要求，主要實(shí)現(xiàn)功能：① 安裝前x、Y向可調(diào)節(jié)要求，噴嘴角度可調(diào)節(jié)；②安裝后X、Y 向自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求；③可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和外觀造型等方面的要求。 有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法[2][3]。將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，稱為單元剖分。離散后單元與單元之問利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連結(jié)起來，單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定三維隨動(dòng)調(diào)節(jié)支架的ANSYS有限元分析對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分必要的一項(xiàng)綜合性工作。利用有限元法的原理進(jìn)行分析計(jì)算，使其滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能。 因此，三維隨動(dòng)可調(diào)節(jié)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤或不合理，可能造成不應(yīng)有的失效，使其無法滿足預(yù)期的要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能， 同時(shí)可能給整個(gè)工程系統(tǒng)造成很大的影響，甚至無法工作。 二、機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理 試驗(yàn)用真空系統(tǒng)是由許多單元組成，每個(gè)單元是由大支架、二極磁鐵(B鐵)、四極磁鐵(Q鐵)、六級(jí)磁鐵(S鐵)、校正磁鐵(BV鐵)、真空室、束流位置探頭(BPM)、光子吸收器、微噴射裝置等設(shè)備組裝而成 [10]，如圖1所示 Q鐵 S鐵 BV鐵 B鐵 真空室 微噴射裝置 大支架 圖1 試驗(yàn)用真空系統(tǒng)組成模型示意圖 真空室是整個(gè)真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，微噴射裝置與真空室焊接在一起，系統(tǒng)要求微噴射裝置與真空室之間不因相互作用力而產(chǎn)生附加應(yīng)力，真空系統(tǒng)工作時(shí)，真空室要在平面內(nèi)伸縮，為使真空室與微噴射裝置不產(chǎn)生應(yīng)力而破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，要求微噴射裝置支架能在平面內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)[4][10]。根據(jù)真空系統(tǒng)的工作要求，微噴射三維調(diào)節(jié)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。 圖2 微噴射三維隨動(dòng)調(diào)節(jié)支架簡化模型示意圖 該支架主要由兩個(gè)調(diào)節(jié)層組成，分別為上下調(diào)節(jié)層(即角度調(diào)節(jié))、平面調(diào)節(jié)層(即x向 Y向)，可以實(shí)現(xiàn)三維空間的任意調(diào)節(jié)。其動(dòng)作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是 [10]： (1)調(diào)節(jié)底版。調(diào)節(jié)底板是微噴射三維調(diào)節(jié)支架的基礎(chǔ)，與大支架連接，調(diào)節(jié)支撐桿與調(diào) 彈簧都是基于調(diào)節(jié)底板進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。 (2)調(diào)節(jié)支撐桿。當(dāng)螺母1與2固定，調(diào)節(jié)螺母3，可使調(diào)節(jié)支撐桿在調(diào)節(jié)底板與調(diào)節(jié)頂板間的長度變化，支架角度調(diào)節(jié)。 (3)調(diào)節(jié)彈簧。調(diào)節(jié)彈簧的伸縮自動(dòng)調(diào)節(jié)支架角度。 (4)調(diào)節(jié)頂板。調(diào)節(jié)頂板支撐平面調(diào)節(jié)層。 (5)平面調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。平面調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的核心零件是滾珠，所以可以進(jìn)行X向，Y向調(diào)節(jié)。 (6)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐板。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐板直接支撐微噴射裝置。 利用有限元軟件對微噴射三維調(diào)節(jié)支架結(jié)構(gòu)在這種狀態(tài)下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行考查 計(jì)算出微噴射三維調(diào)節(jié)支架在這種狀態(tài)下的變形和應(yīng)力情況。 三、有限單元法靜力分析 [11][12] 在有限元法中，根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目 位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃嚕@是有限元法的基本步驟之～ 再用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元上的力。利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)接起來，形成整體的有限元方程，即 Kq=f k是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f是載荷列陣。 現(xiàn)以有限元方法研究微噴射三維隨動(dòng)調(diào)節(jié)支架，對其用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)算。靜力分析的求解步驟通常有以FYL步： (1)前處理：建模。首先用戶應(yīng)該指定工作口錄、文件名和分析標(biāo)題，然后通過PREI~ 前處理器來定義模型幾何元素、單元類型、實(shí)常數(shù)、材料參數(shù)。這些步驟與大多數(shù)ANSYS分析類型是一致的。 (2)設(shè)置求解控制：設(shè)置求解控制包括定義分析類型、設(shè)置一般分析選項(xiàng)、指定載荷步選項(xiàng)等。用戶可以通過Solution Controls對話框來設(shè)置求解控制選項(xiàng)，其菜單路徑為Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Option (3)施加載荷。 (4)求解。 (5)查看分析結(jié)果 2．1建立分析模型 將已經(jīng)建立的Pro／E模型存成sat文件直接導(dǎo)人ANSYS軟件中，完成分析模型的建立。 2．2載荷與邊界約束 離子泵放在二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐板七，按分布載荷。支架與地面接觸面施加固定約束。 四、結(jié)論 本文完成了微噴射三維隨動(dòng)調(diào)節(jié)支架的有限元靜力分析。分析時(shí)先通過有關(guān)建模，做出初步結(jié)構(gòu)，再通過有限元分析軟件的強(qiáng)大功能，可以在方案設(shè)汁階段得到結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果，得到了詳細(xì)的應(yīng)力及應(yīng)力集中和最大變形的位置。并確定最終的結(jié)構(gòu)。達(dá)到了預(yù)定的要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。既可以節(jié)省做試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁M(fèi)用，又可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期。得出了對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)有指導(dǎo)意義的結(jié)論。 參考文獻(xiàn) [1] 王國強(qiáng)．實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)搜其在ANSYS上的實(shí)踐[M]．西安：西北丁業(yè)大學(xué)出版社，1999．8. 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