仿真技术在真空冷冻干燥机设计中的应用

人气指数:点发布时间:2014-03-29 16:02 来源：http://www.zgqkk.com 作者：陈玮等

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　　[摘要] 目的：探究仿真技术在真空冷冻干燥机设计过程中的应用。以先进设计方法，支持产品开发和基础试验，充实科学试验和测试手段。方法：针对主要部件冷冻干燥箱和搁板进行CAD建模。借助CAE技术对冷冻干燥箱进行静力学分析，根据变形和应力分布情况，为其形状和尺寸优化目标提供可靠依据。对冷冻干燥箱进行模态分析，得到其固有频率，为有效预估结构的振动特性提供依据。应用FLUENT软件，采用SIMPLE算法和标准κ-ε湍流模型，分析其内部气流流动特性、出口速度分布，为进气口布局提供设计依据。对搁板内温度场进行流-固耦合分析，获得搁板温度场和流场的分布图，为进一步优化搁板结构提供依据。结果：对冷冻干燥箱内气流模型和搁板温度流场模型建立和计算方法进行尝试，获得了流场云图和载荷数据等仿真结果，为其实际工程应用提供参考依据，提升了产品开发效费比。结论：仿真作为一种试验技术，对于设计工作中提升产品性能、提高设计效率起到了积极推动作用。

　　[关键词] CAD/CAE；流-固耦合；静力学分析；模态分析；仿真分析；冻干技术；FLUENT中图分类号：TB79 文献标识码：A 文章编号：2055-5200（2014）01-027-06

　　 1 引言

　　真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的应用。冷冻干燥技术用途广，生产厂家较多，美国、英国、日本、德国等国的冻干机已经形成标准化、系列化的产品，其搁板面积从不到一平方米直至大到几十平方米，形成十几种规格。

　　我国冷冻干燥机结构设计多采用材料力学简化计算与经验设计相结合的方法。这种设计方法具有一定可靠性，但存在诸多弊端：首先，采用这种方法设计周期长，进行计算后，再根据计算结果人工布置筋板结构，会耗费大量时间，设计准确性不易保证；其次，结构组件冗余，用材质量大，传统设计在材料使用上偏于保守，比国外同种规格产品重量大，致使成本高、效益低，削弱了产品的竞争力。

　　国内外文献中，对如何将现代仿真技术应用到真空冷冻干燥机设计中的文章不多见。本文探讨仿真技术在真空冷冻干燥机主要组成部分设计中的运用。设计产品零件几何形状复杂，设计计算难度大，设计计算过程复杂，产品性能要求高时，需要经验丰富的高水平技术人员结合产品仿真分析才能完成[1]。

　　 2 冷冻干燥机设计与分析的关键

　　目前制备型真空冷冻干燥机主要由冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统几大部分组成[2-3]。这几大部分的搭配、取舍可构成不同的设计方案。

　　冷冻干燥箱是一个能够制冷到-50℃左右，能够加热到+70℃左右的高低温箱体，也是一个能够抽成真空的密闭容器，它是冻干机的主要组成部件，其中的搁板是核心部件，它负责对制品的预冷、升温、干燥。制品的品质在很大程度与搁板的制冷温度、加热温度、干燥时的真空度三个主要参数紧密相关[4]。以上三个参数中，后两个参数比较容易控制，原因是搁板加热温度一般由电加热装置提供热量，硅油作为传热介质，电加热装置功率稳定可控，所以容易实现热量大小的改变，干燥时真空度的控制虽然较为复杂，但还是能做到较精确控制。比较难于理想控制的是第一个参数：制冷温度，这一参数主要通过搁板最低温度、搁板降温速率、搁板控温精度来综合评价。

　　基于以上原因，尝试对冷冻干燥箱和搁板设计。首先，在具体结构上借助三维CAD技术，完成三维造型、虚拟组装、工程图生成等工作；其次，借助CAE技术对冷冻干燥箱进行静强度及模态分析计算，通过FLUENT分析显示冷冻干燥箱气体流场轨迹和搁板内温度场变化，发现存在问题，为设计提供参考，缩短研发周期，提高经济效益[5]。

　　2.1 冷冻干燥箱静力学分析

　　首先用Pro/ENGINEER做造型设计，然后利用其提供的数据接口把模型传递到ANSYS环境进行有限元计算，从而得到冷冻干燥箱的机械性能。

　　[C]—阻尼矩阵；

　　[K]—刚度系数矩阵；

　　{x}—位移矢量；

　　{F}—力矢量。

　　线性结构静力分析中，所有与时间相关的量都被忽略。于是，从（2-1）式中得到以下方程式：

　　[K]{x}={F} （2-2）

　　根据设计要求，对冷冻干燥箱结构采取从局部到整体的造型方法建模，冷冻干燥箱是由若干零部件焊接装配起来，用CAD软件造型，可以从标准结构件开始将相关结构体拼合即可得到整体结构模型。

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