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微泵液压等效模型和考虑薄膜刚度的特性分析 蒋丹，李松晶，包钢 (哈尔滨工业大学流体控制及自动化系 哈尔滨 150001) 摘 要：为了研究压电无阀微泵的动态特性，将其等效为包含液压元件的液压系统。采用有限元分析(FEA)方法，计算了 薄膜的静态特性和自然频率。同时给出了液压等效系统的数学模型，并采用AMESim软件对系统进行仿真研究，分析了在考虑 薄膜刚度情况下微泵的压力和输出流量动态特性。通过仿真结果比较可以看出，有限元分析与液压等效系统的结合提供了一 个简单、有效地研究压电无阀微泵动态特性的方法。 关键词：无阀微泵；液压等效模型；薄膜刚度；扩张管 在微流控系统中，压电无阀微泵作为关键动力 通过出口进入的流量；在泵出过程中，通过出口流 元件，可以提供可控、连续、微量流体输运。由于 出泵腔的流量大于通过入口流出的流量，从而实现 具有体积小、结构简单、低能耗和快速响应等特点， 了定向差量流动。 压电无阀微泵主要应用于生化工程、医疗器件和工 业设备中，可以准确地泵送各种类型的流体[1,2] 。 振动薄膜 Zengerle[3]提出了气动驱动和静电驱动有阀微 p i n U p o u t 泵的数学模型，并采用PUSI软件进行仿真。Olsson[4] q 1 q 2 提出了集中参数模型计算无阀微泵动态特性的方 入口 泵腔 p 出口 法。Bourouina[5]基于基尔霍夫定律，采用SPICE软 件分析了在考虑振动薄膜刚度情况下有阀微泵的 图1 压电无阀微泵结构图 动态特性。然而在微泵动态特性分析中忽略了薄膜 Fig. 1. Schematic of the piezoelectric valve-less diffuser 刚度对微泵压力和输出流量特性的影响。 micropump 本文采用有限元软件ANSYS对振动薄膜进行 静态分析，并计算了薄膜刚度和自然频率。根据微 为了研究微泵的动态特性，将压电无阀微泵等 泵各组成部分和液压元件的等效原理，将压电无阀 效为液压系统。液压系统可以通过AMESim ，EASY5 微泵等效为液压系统，同时采用AMESim软件计算 和Flowmaster 等液压仿真软件进行仿真。由于 考虑薄膜刚度的压电无阀微泵压力-流量动态特性。 AMESim软件自带的液压模型库，包含大量的液压 元件，可用于液压系统的建模、仿真和动态性能分 1 工作原理及液压等效模型 析。因此这里采用AMESim建立的无阀微泵液压等 效模型，如图2所示。 压电无阀微泵的结构示意图如图1所示。无阀 微泵由泵腔、扩张管\收缩管、压电振动薄膜、入口 4 和出口等部分组成。无阀微泵采用扩张管\收缩管作 6 7 为控制流动方向的元件。横截面面积在流体流动方 2 3 5