一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法，通过常用有限元软件COMSOL Multiphysics及其with MATLAB接口，构建数值仿真方法，用瞬态分析的方法给出了PCR基座有限元模型实际温度控制过程，并以此结果进行制造参数优化设计，以保证PCR基座在实际热循环过程中能够取得最优的动态和静态性能。发明专利技术能够在满足PCR基座温度性能指标下，获得的优化制造参数，如保温材料最优尺寸等可用于指导实际基座加工，保证其在热循环过程中保持快速温度响应前提下具有良好的热均匀性。本发明专利技术能够为新型PCR基座的研发大幅节约了时间和物质上的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法
本专利技术涉及PCR基座温度性能优化设计
，特别是一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法。
技术介绍
传热性能是PCR基座设计关注的核心。目前，在PCR基座制造中，如何优化PCR基座参数是设计中的难点。通过实际加工和真实传热实验的方法存在周期长，大量浪费人力物力的缺点。已有的仿真优化设计方法，大部分针对PCR基座有限元模型温度均匀性的仿真。多数只关注了求解基座的稳态温度性能。同时这些模型和方法只是简单的实现了给定温度作为热源间的传热仿真，没有考虑系统传感滞后和控制环节对温度性能的影响。这些具有局限的模型和方法对对象的动态响应描述进度较差，不能精确的求解出基座的热场分布和反映94℃-55℃-72℃三温区循环中动态温度的变化情况。现有的提高PCR基座设计有以下几种方案：(1)直接使用基座裸露进行反应(2)在PCR基座侧壁四周包覆30mm聚乙烯泡棉以消去侧壁对流换热提高温度均匀性，在96孔PCR基座中在给定温度为94℃时基座最高温与最低温温差可以由1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤S1：进行基座3D模型设计：根据实际设计所需要孔数，大小进行PCR基座的3D模型绘制；/n步骤S2：初始化仿真条件；/n步骤S3：进行有限元模型初始化条件设置及仿真；/n步骤S4：进行优化方法设置，并判断是否符合约束条件，若符合则继续执行步骤S5，否则更新变量并返回步骤S3；/n步骤S5：保存结果O

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：进行基座3D模型设计：根据实际设计所需要孔数，大小进行PCR基座的3D模型绘制；
步骤S2：初始化仿真条件；
步骤S3：进行有限元模型初始化条件设置及仿真；
步骤S4：进行优化方法设置，并判断是否符合约束条件，若符合则继续执行步骤S5，否则更新变量并返回步骤S3；
步骤S5：保存结果O1k{0<k≤n2︱k∈Z}至优化集O；
步骤S6：判断是否符合停止条件式(1)、式(2)，若符合则输出优化集O,并进行优化结果处理，完成PCR基座制造参数优化，否则更新变量并返回步骤S3。


2.根据权利要求1所述的一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：初始化PCR基座静态和动态指标作为约束条件，稳态误差为ess，超调量为σ，升温速率为vup,降温速率为vdown，温度均匀性系数为ξ；
稳态误差ess＝a，超调量σ＝b，升温速率vup＝c,降温速率vdown＝d，温度均匀性系数ξ＝f；而在有限元仿真中其约束条件如式(1)：
ess≤a、σ≤b、vup≥c、vdown≥d、ζ≤f(1)
其中a、b、c、d、f均表示设计指标系数；根据现有PCR基座性能完成对指标系数的制定：0≤a≤0.5，0≤b≤10％，2℃/s≤vup≤4℃/s,1.5℃/s≤vdownn≤3℃/s，0.4≤ξ≤1；
步骤S22：初始化待优化制造参数为变量V1、V2、V3…Vn，其中，V1代指基座制造材料类型、V2代指保温材料类型、V3代指保温材料厚度，V4、…、Vn代指包括基座尺寸，试管孔大小，表面是否开凿梅花孔对PCR基座可能有影响的参数；根据实际材料类型的选择来设定变量对应的步长；
步骤S23：进行传感的实现及控制方法的选择，通过在PCR基座侧壁添加域点探针ppb1测量实时温度传感作为所采用控制算法的输入，控制方法则能够采用包括PID控制、模糊控制、内模控制或Smith预估控制智能控制算法作为系统控制方案；
步骤S24：根据实际制造成本制定优化性价比系数θ，初始化优化性价比系数θ，其表达式如式(2)根据制造成本定义变量V1、V2、V3、…、Vn的权重系数P1、P2、P3、…、Pn；
θ＝P1×V1+P2×V2+P3×V3+…+Pn×Vn(2)
步骤S25：初始化停止条件及仿真搜索次数；设定停止条件如下：
运行迭代次数达到最大迭代次数：n1＞n2
目标函数F下降梯度收敛：即Fk-Fk-1＜T
其中，n1为此时制造参数优化数据寻优迭代次数、n2为根据实际优化过程中计算资源所制定的最大数据寻优迭代次数，取500～10000；Fk表示k次迭代计算得到的目标值，T是设定的阈值常量，设为10-6。


3.根据权利要求2所述的一种基于有限元模型数值仿真的PCR基座制造参数优化方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：
步骤S31：进行3D模型的设置：
将所绘制的裸基座模型导入COMSOLMultiphysics其为C4，于COMSOLMultiphysics中绘制三个长方体C1、C2、C3；其中C1、C2、C3与从外部导入的裸基座C4的长宽高分别为(a1，b1，c1)、(a2，b2，c2)、(a3，b3，c3)、(a4，b4，c4)；令C1、C2的中心点座标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)与C4中心点座标(x4，y4，z4)一致，而C3中心点座标为(x4,，y4，z4+0.5c3+0.5c4)，而其关系式如式(3)所示：
a1≥a2＝a4，b1≥b2＝b4，c1＝c2＝c4，(a1-a2)＝(b1-b2)(3)
其中(a3，b3，c3)根据选用热源尺寸进行设置，故2*(a1-a2)为保温材料的厚度；令C1和C2形成差集C5即为在基座四周包覆的保温材料并对C3、C4、C5构建联合体则形成一个裸基座四周包覆保温材料底部放置热源的PCR基座有限元几何模型；其中，所述C3表示热源，C4表示裸基座，C5表示保温材料；
步骤S32：对PCR基座传热模型进行分析，在COMSOLMultiphysics传热模块中选用能够实现PCR基座温度场特性的物理场进行有限元数值仿真：
由于PCR基座形状复杂且无内热源，故其导热问题用在笛卡尔坐标系中稳态、无内热源条件下导热微分方程进行描述，如式(4)所示：



基座稳态热分析边界条件包括：基座底面的第一类边界条件、基座侧壁的对流换热第三类边界条件；由于基座底面与热源进行接触，故当温度升/降到恒定值时，基座底面与热源的接触面保持恒定温度，基座侧壁与空气存在自然对流换热，其边界条件如式(5)所示：



其中，tw为基座温度，tf为周围空气温度，h为对流换热系数，λ0为热传导系数，n为基座侧壁法向方向；对于PCR基座温度控制是通过对其底部设置的热源发热量P以基座侧壁测点ppb...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建兴，杨睿宁，罗堪，马莹，陈炜，黄靖，沈亮，蔡聪，赖智晨，刘肖，黄炳法，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建;35