[发明专利]用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法

权利要求书

1.一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ν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

pmax=max1≤e≤n1,1≤j≤n2pej]]>

（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：

findl2,w2,h2,Vp,tsMinpmax=max1≤e≤n1,1≤j≤n2pejs.t.l2‾≤l2≤l2‾,w2‾≤w2≤w2‾,h2‾≤h2≤h2‾,Vp‾≤Vp≤Vp‾,ts‾≤ts≤ts‾,vd‾≤vd≤vd‾,I=1,]]>

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；

l₂，w₂，h₂，V_p和t_s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；

v_d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。

2.根据权利要求1所述的用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，其中步骤（1）所述的压电式喷头的结构，主要是由压电致动器、蓄墨池、喷墨通道及喷嘴组成，其中喷墨通道又分为压力管道和连接管道，且喷墨通道的一端与蓄墨池相连，另一端与喷嘴相连；压力管道一侧分布有等长的压电致动器。