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一种基于超声行波驱动的小型蠕动泵研究

作　者: 张丹丹
导　师: 刘忠国；魏守水
学　校: 山东大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 超声行波蠕动泵模态分析声固耦合流固耦合
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 73次
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内容摘要

随着MEMS技术在生物医学工程领域的广泛应用,微泵技术的研究已逐渐成为MEMS研究的一个热点。基于超声行波驱动的小型蠕动泵在原理上不同于当前的各种微泵技术,它是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动在输送管道壁上激起行波,该行波使输送管道壁质点产生与管道壁垂直的椭圆运动。同步驱动两个压电振子,利用产生的上下两列相位相反的行波在两弹性体间形成一系列的腔,腔的体积随行波变化而变化,从而驱动流体在波的传播方向上流动。基于超声行波驱动的小型蠕动泵无需阀,没有可动部件,所需驱动电压低,可在微流体散热、生化分析和药物释放等领域得到广泛应用。首先概述了微机电系统(MEMS)和微流体系统的发展现状,并对目前微泵的种类和原理作了介绍。介绍了压电陶瓷的逆压电效应及其材料特性和频率特性,简述了行波的合成,通过对声辐射压力及声流产生机理的研究,得出超声行波驱动机理与模型参数的关系。在前述理论基础的前提下,进一步阐述了基于超声行波驱动的小型蠕动泵的工作原理。其次介绍了有限元的基本思想和ANSYS的分析流程。介绍了ANSYS动力有限元理论和声场耦合分析理论。主要包括结构的模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和声场中的流体-结构耦合分析。然后建立了基于超声行波驱动的小型蠕动泵的有限元模型,对该模型进行模态分析获得模型的固有频率和振型；然后选取模态B(0,5)对其进行谐响应分析得到模型的振幅随频率的变化规律；对模型进行了瞬态动力学分析验证蠕动泵驱动流体的可行性。对模型进行声场中的流体-结构分析得到流体与结构耦合后的振动模态和响应的固有频率,为进一步的流固耦合分析提供了条件。最后进行了基于超声行波驱动的小型蠕动泵的流固耦合分析,得到泵内流体的流场分布。阐述了流固耦合模型的有限元分析理论和MFX多场求解器的求解原理和求解方法。然后分别在ANSYS和CFX中建立超声蠕动泵的结构和流体模型,使用MFX多场求解器进行求解,得到了基于超声行波驱动的小型蠕动泵对流体的泵送效果。

全文目录

目录  4-7
CONTENTS  7-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-20
  1.1 课题研究背景  13
  1.2 微泵的研究现状  13-18
  1.3 课题的研究目的和意义  18
  1.4 课题来源  18
  1.5 本文的主要工作  18-20
第二章超声行波驱动小型蠕动泵的原理研究  20-30
  2.1 引言  20
  2.2 压电振子  20-22
    2.2.1 压电陶瓷的特性参数  20-21
    2.2.2 压电陶瓷的振动模态  21-22
  2.3 行波的合成  22-25
  2.4 超声行波驱动原理  25-28
    2.4.1 微流体的流动特点  25-26
    2.4.2 超声行波驱动原理  26-28
  2.5 基于超声行波的蠕动泵的驱动原理  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章小型蠕动泵的有限元分析理论  30-40
  3.1 引言  30
  3.2 ANSYS有限元分析概述  30-33
    3.2.1 有限元分析的基本思想  30-32
    3.2.2 ANSYS有限元分析基本流程  32-33
  3.3 ANSYS耦合场分析理论  33-34
  3.4 ANSYS动力有限元分析理论  34-36
    3.4.1 结构振动模态分析  34-35
    3.4.2 谐响应分析  35-36
    3.4.3 瞬态动力学分析  36
  3.5 声场耦合分析  36-39
    3.5.1 声场流体的基本理论  36-38
    3.5.2 声场中的流体-结构耦合  38-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章超声行波蠕动泵模型的有限元分析  40-51
  4.1 引言  40
  4.2 基于超声驱动的蠕动泵模型  40-43
    4.2.1 压电振子的有限元模型  40-42
    4.2.2 蠕动泵的有限元模型  42-43
  4.3 超声蠕动泵的动力学分析  43-50
    4.3.1 超声蠕动泵的模态分析  43-45
    4.3.2 超声蠕动泵的谐响应分析  45-46
    4.3.3 超声蠕动泵的瞬态分析  46-47
    4.3.4 超声蠕动泵的声场耦合分析  47-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章超声行波蠕动泵的流固耦合分析  51-61
  5.1 引言  51
  5.2 流固耦合的理论分析  51-52
  5.3 流固耦合模型的瞬态动力学分析  52-60
    5.3.1 MFX的求解原理和过程  52-53
    5.3.2 蠕动泵耦合模型的瞬态动力学分析  53-55
    5.3.3 蠕动泵的流固耦合结果分析  55-60
  5.4 本章小结  60-61
第六章总结与展望  61-63
  6.1 总结  61-62
  6.2 展望  62-63
附录  63-69
参考文献  69-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间发表的论文  75-76
学位论文评阅及答辩情况表  76

一种基于超声行波驱动的小型蠕动泵研究

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