用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法

摘要

本发明公开了一种用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，主要解决现有压电式喷头在细胞打印时喷孔易堵塞和细胞成活率低的问题，其实现步骤是：以压电致动器的结构有限元模型为基础，求解指定节点的速度；根据初始参数和所得的速度建立喷头的计算流体动力学模型并求解，得到液滴形成的情况和喷头内各处压力；根据所得压力求出压力波周期并相应调整电压脉宽，重新求解相应结果；针对用户对液滴形成的要求，建立优化数学模型并利用数值优化算法求解，得到满足用户要求且通道最大压力最小的设计参数设计压电式喷头。本发明解决了压电式喷头打印高粘度细胞溶液时堵孔及细胞存活率低的问题，实现了喷头的机电综合设计。

主权项

一种用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，包括如下步骤：(1)针对一个预先设定其结构形状的压电式喷头，设置喷头的初始结构参数d，以及喷头的初始控制参数p和所喷射的液体的特性；所述喷头的初始结构参数d，包括压电致动器的长度l₁、宽度w₁、高度h₁，压力管道的长度l₂、宽度w₂、高度h₂，连接管道的长度l₃、宽度w₃、高度h₃，喷嘴长度l_n，喷嘴入口端直径d₁和喷嘴出口端直径d₂；所述喷头的初始控制参数p，包括驱动电压的幅值V_p、脉宽w_p和上升沿时间t_s；所述液体的特性，包括液体的密度ρ、黏度μ、表面张力v和液体中声速c；(2)根据喷头的控制参数p和压电致动器的结构参数l₁、w₁和h₁，利用ANSYS软件建立压电致动器在给定驱动电压下对应的结构有限元模型，并对其进行求解，得到有限元模型中指定单元对应的节点速度v_e；(3)根据喷头的结构参数d及液体的特性和步骤(2)得到的速度v_e，利用FLOW‑3D软件建立压电式喷头在给定的速度激励下的计算流体动力学模型，并对其进行求解，得到流体动力学分析结果，即液滴的个数I，液滴的速度v_d和第e个单元在第j个时刻的液体压力p_ej，e＝1，…，n₁，j＝1，…，n₂，n₁为流体动力学模型的单元总数，n₂为流体动力学模型求解的时间点总数；(4)根据步骤(3)中得到的各单元的压力p_ej，得出喷墨通道中点处的压力p_mj，其中单元编号m等于(1+n₁)/2向下圆整后的数值；(5)根据步骤(4)中得到的喷墨通道中点处的压力p_mj，取其第一个波谷和第一个波峰之间的时间差值t_d；(6)比较驱动电压脉宽w_p和时间差值t_d的大小，如果两者相等，则执行步骤(7)；如果不相等则令w_p等于t_d，返回步骤(2)；(7)选取结构参数和控制参数为优化设计变量，根据步骤(3)中得到的流体动力学分析结果液滴个数I，液滴速度v_d和液体压力p_ej，建立优化数学模型：(7a)选取结构参数l₂、w₂、h₂和控制参数V_p、t_s为优化设计变量，根据用户对结构参数的限定条件确定优化变量的取值范围；(7b)选取喷射过程中液滴的个数I和液滴的速度v_d为工作状态约束条件，根据用户对液滴速度的要求确定v_d的取值；根据压电式喷头的应用要求，确定液滴个数约束：I＝1；(7c)定义p_max为喷射过程中喷墨通道的最大压力值，表示为$p_{\max }=\underset{1\le e\le n_1,1\le j\le n_2}{\max }{p}_{\mathrm{ej}}$(7d)选取所述p_max为目标函数，根据步骤(3)中得到的液滴个数I，液滴速度v_d和液体压力p_ej，建立优化数学模型：$\begin{array}{cc}\mathrm{find}& l_2,w_2,h_2,V_p,t_s\\ \mathrm{Min}& p_{\max }=\underset{1\le e\le n_1,1\le j\le n_2}{\max }{p}_{\mathrm{ej}}\\ s.t.& \underset{‾}{l_2}\le l_2\le \overline{l_2},\underset{‾}{w_2}\le w_2\le \overline{w_2},\underset{‾}{h_2}\le h_2\le \overline{h_2}\\ & \underset{‾}{V_p}\le V_p\le \overline{V_p},\underset{‾}{t_s}\le t_s\le \overline{t_s},\\ & \underset{‾}{v_d}\le v_d\le \overline{v_d},I=1,\end{array},$式中，find表示求出优化变量的值；Min表示目标函数的最小值；s.t.表示受约束于；和为优化设计变量l₂，w₂，h₂，V_p，t_s的下限；和为优化设计变量l₂，w₂，h₂，V_p，t_s的上限；和分别为形成液滴的速度v_d的上、下限；(8)利用数值优化算法求解步骤(7)的优化数学模型，如果满足该算法中的终止条件，则输出当前最优的结构参数d′和控制参数p′，如果不满足则按优化算法对当前的优化设计变量进行修改，返回步骤(2)，直至满足终止条件结束；(9)利用步骤(8)中所得的最优的结构参数d′和控制参数p′，设计满足应用要求的压电式喷头。