在进行有限元分析时，各结构件可按焊接成一个整体处理。设计初期采用经验设计和材料力学简化算法相结合的方式，得到设计参数的初始值，然后用Pro/ENGINEER进行辅助实体造型即可得到冷冻干燥箱体模型，整体完成后的分析用三维模型如图1所示。

　　通过仿真分析可以发现设计上的一些不合理地方，如有些部位应力水平颇高。尽管其中有未考虑焊缝而引起的应力集中的因素存在，但即使去除该因素，应力分布的不均性也不可避免地导致各部分疲劳寿命的差异以及材料使用不合理。为此，应考虑调整筋板的布置方式，在应力水平过高处适当增加加强筋板；同时为降低振动频率可调整布局方式。

　　2.3 冷冻干燥箱及搁板CFD分析

　　计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是多种领域的交叉学科，因具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点而在最近20年中得到了飞速发展[9]，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等，而最终体现计算流体水平的是解决实际问题的能力[10]。随着计算流体力学的发展，数值模拟已经成为了流体力学研究的重要手段[11-13]。

　　冷冻干燥机加热系统的关键在于如何节省能源，提高热效率。由于在真空状态下传热主要靠辐射和传导， 传热效率低， 所以近来出现了调压升华法。调节气压有多种方式， 英国爱德华公司采用充入干燥无菌气体的方法， 既提高了冷冻干燥箱的压强， 又不致增加冷凝器负荷， 是一种比较好的方法。

　　借助CFD仿真技术可以预测冷冻干燥箱内不同配气口充入干燥无菌气体气流分布详细情况，从而指导设计工作。首先，构建冻干箱底部进气和侧壁四点均布进气两种气流形式的三维分析模型，建立冷冻干燥箱内部气体流场分布计算模型，具体如图8、9。

　　由于FLUENT软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如：速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流畅的分析中发现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案，只需计算一次就可以判断改进是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器对计算进行设置并进行求解。计算结果如图12、13。图12 底部进气流场云图 图13 侧壁进气流场云图

　　冷冻干燥箱结构合理可确保冻干过程的顺利完成，搁板设计能力的水平将直接决定整机性能，搁板上换热流路布局合理，用材合理，热惯性小，即能大幅度降低控制系统、制冷系统、加热系统等功耗负荷和故障率，又能实现一个最优的冷却速率，获得最高的细胞存活率、最好的产品物理形状和溶解速度。

　　为了使本设计的搁板热均匀性好，热惯性小，在设计中采用CFD技术构建热传导模型，在Pro/ ENGINEER中建立三维模型，建模如图14。构建流路有限元模型，如图15。

　　 3 结论

　　（1） 将CAD、CAE等先进计算机仿真设计手段应用于真空冷冻干燥机研发，可以缩短设计周期、保证设计质量、提高整体设计水平，减少开发成本；

　　（2） CAE技术可以在设计之初发现设计中存在的问题，基于有限元的优化分析能够为设计提供改进的方向。通过数值仿真分析，得到应力应变分布情况，对关键结构尺寸予以调整，减小应力应变，以达到结构优化的目的。

　　（3） 本文研究流场中典型流动的一般原理，基于ANSYS Fluent软件的模拟计算能够较为准确的预测真空冷冻干燥机工作过程中气体在冷冻干燥箱内的流动情况，为设计适宜的进配气结构提供技术参考。

　　（4） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥箱内气流工况进行数值仿真，结果发现侧壁四点均布进气口设计方案有利于冻干箱内注入惰性气体对加热搁板的均匀包覆，实现无氧环境下的压盖封装。其进气方式优于底部单进气口设计方式。所得结论为今后进一步的深入研究真空冷冻干燥技术的机理以及设计新型进配气装置具有重要指导意义。

　　（5） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥机加热搁板温度分布情况进行了数值仿真，为搁板换热流路设计提供了依据，为动力循环系统、制冷系统和控制系统的整体性能设计工作提供参考。

　　（6） CFD技术可以克服传统方法中系统当量模型的简化及模型中原始物理参数无法精确化的问题，并且可以得到较为直观的结果，直接用来指导设计。设计中由单纯经验设计方法转变为理论计算指导和经验相结合的方法。

　　（7）借助于CFD的仿真分析，能够有效地分析流体运动过程中的运动特性和规律。使得设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，将更多的精力放在优化设计及结构设计上。

　　（8） 尽管CFD技术本身还存在着一定的局限性，比如对物理模型、经验技巧有一定的依赖，然而，计算流体动力学（CFD） 是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等具有巨大优势，在众多领域内必然能发挥越来越多的作用。

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