有限元分析方法在制药机械设计中的应用

李洪文

摘 要：本文首先对有限元分析方式进行了简要介绍，重点阐述了其应用原理和应用方式。随后在湿法混合制粒机中将设计理念加以融合，有其是在搅拌桨和搅拌桶上的应用情况进行了说明，以求了解有限元分析结果和近似值之间的关系。

关键词：有限元；制药机械；结构；变形

在进入新时代以来，人们对于产品的要求正在不断提高，这种要求不仅局限在使用层面，其对于设计方面的要求也提高了。在这种情况下，旧有的理论已经无法适应当前的设计工作。在这种情况下，有限元分析就给设计工作提供了一些新的思路，希望可以给设计者带来一些设计灵感。

1 有限元方法基本原理概说

将一个整体的系统进行分割，分割成若干个单元，之后对每个单元都提出一个近似的解，之后 将所有单元的解进行组合，最终形成一个近似的数值，构成一个模型，这就是有限元数学模型。正常来说，这种计算方式有3个过程。

1.1 划分网格

有限元的本质就是将若干个个体来替代原来的整体，所以我们第一个步骤就是简化其中的弹性体，然后再将弹性体进行划分，变成若干个单元。每个单元之间可以通过节点来进行连接，这种由子单元和节点所构成的整体就可以成为网格了。

1.2 分析单元

我们首先可以将单元节点位移，并且将其作为一个基本的变量。然后确定一个近似的表达式才能进行单元分析。之后对单元的具体应力情况进行计算，再建立起一个有效的单元中节点位移方面的关系。

1.3 分析整体

在进行每个单元的分析之后，就可以对整体进行分析了。建立起节点外载荷和其位移之间的关系，这就是整体分析环节，在整体分析结束之后就完成了有限元分析过程。

2 运用有限元分析思路来改良湿法混合制粒机

2.1 优化搅拌桨

在混合制粒机的机体结构中，搅拌桨是其中非常重要的一个结构。这直接决定了搅拌桨本身运作原理非常复杂。就组成部分来说，搅拌桨有多个面，厚度也隨着距离变化而有所区别。为了保证搅拌桨能够正常运作，往往需要保证搅拌桨的边缘和机器的侧壁和底部留有一定的距离，所以搅拌桨的刚度也就成为了一项非常重要的参数。

仅仅应用材料力学等学科的知识难以解决上述存在的问题，我们可以应用有限元的方式来分析搅拌桨。可以进行三维建模并且划分网格来进行计算。正常状态下，搅拌桨最大变形往往会出现在整个搅拌桨的顶部，其形变幅度最大已经达到0.8mm以上，和设计要求相比仍然有一定的区别。随后我们就对搅拌桨进行了加固，以使其满足要求。

2.2 搅拌桶分析

在制粒机中，搅拌桶也是一个具有较高精度要求的部件。如果所使用的加工工艺比较特殊，则会大大提高加工成本。对于搅拌桶来说，其刚度和形变是成反比的，其筒壁的厚度又和刚度成正比，但这样一来，又会造成材料的浪费和成本的增加。所以我们需要达到一个成本和要求之间的平衡点。

其具体方式就是首先对筒壁厚度进行分析，如果其依然低于设计要求，就增加筒壁的厚度，最终达到设计的要求。

首先将安装块的位置固定起来，之后在表面进行均匀施压。随后将其表面的法兰切碎，来提高弯矩。再讲法兰表面施加平均应力，最后在家哦半桶底部施加应力。最终确定，原有的搅拌桶设计方案可以符合使用要求。

3 使用逼近比较法求解有限元分析结果的近似真实值

有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。但由于越是细密的网格需要的计算成本就越高，所以所选单元大小是求解精度和计算成本相平衡的结果。在实际的有限元分析中，由于不可能使用无穷小的单元去划分模型，只能通过逼近比较法验证分析结果的精度。

下面用一个运用有限元分析方法进行结构分析的实例说明逼近比较法的使用。所分析结构最大尺寸为8m，求解在负载下的变形情况，运用四面体单元对模型进行网格划分。采用相同的加载方式，单元大小分别为60mm、50mm和40mm的求解结果如图1、图2、图3所示。

由求解结果可知：当单元大小为60mm时，最大变形为1.107mm；当单元大小为50mm时，最大变形为1.161mm；当单元大小为40mm时，最大变形为1.184mm。随着单元尺寸不断减小，变形结果不断增大，同时计算结果也不断逼近真实值。单元大小为60mm与单元大小50mm的计算结果的差为0.054mm，是单元大小为50mm时计算结果的4.65%；单元大小为50mm与单元大小40mm的计算结果的差为0.023mm，是单元大小为40mm时计算结果的1.94%。由上面的分析和有限元方法理论可知，当单元大小再减少10mm时，计算结果的变化将<2%，单元大小的变化带给分析结果的变化越来越小。那么，1.184×1.02×1.02×1.02×1.02=1.282（mm）将接近结构变形的真实值。

结束语

经过前文总结，我们已经知道，当前有限元分析方式正在不断走向成熟，随着其发展完善，将会在各个领域都得到有效利用。当前随着人们生活水平的提高，对于药品的要求也越来越高，这就需要我们重视制药机械的设计工作，可以说，在未来一段时间内，制药机械的设计改良工作中，有限元分析方法将会发挥出很大的作用。例如我们可以针对振动噪音进行分析，或者精确设计搅拌桨和搅拌桶等等，这些都有助于改善先前存在的一系列问题，让我国制药机械质量大大提高，达到高效、高稳定性的目的。

参考文献

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