有限元分析方法在制藥機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李洪文

摘 要：本文首先對(duì)有限元分析方式進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)闡述了其應(yīng)用原理和應(yīng)用方式。隨后在濕法混合制粒機(jī)中將設(shè)計(jì)理念加以融合，有其是在攪拌槳和攪拌桶上的應(yīng)用情況進(jìn)行了說(shuō)明，以求了解有限元分析結(jié)果和近似值之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：有限元；制藥機(jī)械；結(jié)構(gòu)；變形

在進(jìn)入新時(shí)代以來(lái)，人們對(duì)于產(chǎn)品的要求正在不斷提高，這種要求不僅局限在使用層面，其對(duì)于設(shè)計(jì)方面的要求也提高了。在這種情況下，舊有的理論已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的設(shè)計(jì)工作。在這種情況下，有限元分析就給設(shè)計(jì)工作提供了一些新的思路，希望可以給設(shè)計(jì)者帶來(lái)一些設(shè)計(jì)靈感。

1 有限元方法基本原理概說(shuō)

將一個(gè)整體的系統(tǒng)進(jìn)行分割，分割成若干個(gè)單元，之后對(duì)每個(gè)單元都提出一個(gè)近似的解，之后 將所有單元的解進(jìn)行組合，最終形成一個(gè)近似的數(shù)值，構(gòu)成一個(gè)模型，這就是有限元數(shù)學(xué)模型。正常來(lái)說(shuō)，這種計(jì)算方式有3個(gè)過(guò)程。

1.1 劃分網(wǎng)格

有限元的本質(zhì)就是將若干個(gè)個(gè)體來(lái)替代原來(lái)的整體，所以我們第一個(gè)步驟就是簡(jiǎn)化其中的彈性體，然后再將彈性體進(jìn)行劃分，變成若干個(gè)單元。每個(gè)單元之間可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行連接，這種由子單元和節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的整體就可以成為網(wǎng)格了。

1.2 分析單元

我們首先可以將單元節(jié)點(diǎn)位移，并且將其作為一個(gè)基本的變量。然后確定一個(gè)近似的表達(dá)式才能進(jìn)行單元分析。之后對(duì)單元的具體應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算，再建立起一個(gè)有效的單元中節(jié)點(diǎn)位移方面的關(guān)系。

1.3 分析整體

在進(jìn)行每個(gè)單元的分析之后，就可以對(duì)整體進(jìn)行分析了。建立起節(jié)點(diǎn)外載荷和其位移之間的關(guān)系，這就是整體分析環(huán)節(jié)，在整體分析結(jié)束之后就完成了有限元分析過(guò)程。

2 運(yùn)用有限元分析思路來(lái)改良濕法混合制粒機(jī)

2.1 優(yōu)化攪拌槳

在混合制粒機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)中，攪拌槳是其中非常重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)。這直接決定了攪拌槳本身運(yùn)作原理非常復(fù)雜。就組成部分來(lái)說(shuō)，攪拌槳有多個(gè)面，厚度也隨著距離變化而有所區(qū)別。為了保證攪拌槳能夠正常運(yùn)作，往往需要保證攪拌槳的邊緣和機(jī)器的側(cè)壁和底部留有一定的距離，所以攪拌槳的剛度也就成為了一項(xiàng)非常重要的參數(shù)。

僅僅應(yīng)用材料力學(xué)等學(xué)科的知識(shí)難以解決上述存在的問(wèn)題，我們可以應(yīng)用有限元的方式來(lái)分析攪拌槳。可以進(jìn)行三維建模并且劃分網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行計(jì)算。正常狀態(tài)下，攪拌槳最大變形往往會(huì)出現(xiàn)在整個(gè)攪拌槳的頂部，其形變幅度最大已經(jīng)達(dá)到0.8mm以上，和設(shè)計(jì)要求相比仍然有一定的區(qū)別。隨后我們就對(duì)攪拌槳進(jìn)行了加固，以使其滿足要求。

2.2 攪拌桶分析

在制粒機(jī)中，攪拌桶也是一個(gè)具有較高精度要求的部件。如果所使用的加工工藝比較特殊，則會(huì)大大提高加工成本。對(duì)于攪拌桶來(lái)說(shuō)，其剛度和形變是成反比的，其筒壁的厚度又和剛度成正比，但這樣一來(lái)，又會(huì)造成材料的浪費(fèi)和成本的增加。所以我們需要達(dá)到一個(gè)成本和要求之間的平衡點(diǎn)。

其具體方式就是首先對(duì)筒壁厚度進(jìn)行分析，如果其依然低于設(shè)計(jì)要求，就增加筒壁的厚度，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

首先將安裝塊的位置固定起來(lái)，之后在表面進(jìn)行均勻施壓。隨后將其表面的法蘭切碎，來(lái)提高彎矩。再講法蘭表面施加平均應(yīng)力，最后在家哦半桶底部施加應(yīng)力。最終確定，原有的攪拌桶設(shè)計(jì)方案可以符合使用要求。

3 使用逼近比較法求解有限元分析結(jié)果的近似真實(shí)值

有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來(lái)求解線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對(duì)象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。但由于越是細(xì)密的網(wǎng)格需要的計(jì)算成本就越高，所以所選單元大小是求解精度和計(jì)算成本相平衡的結(jié)果。在實(shí)際的有限元分析中，由于不可能使用無(wú)窮小的單元去劃分模型，只能通過(guò)逼近比較法驗(yàn)證分析結(jié)果的精度。

下面用一個(gè)運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的實(shí)例說(shuō)明逼近比較法的使用。所分析結(jié)構(gòu)最大尺寸為8m，求解在負(fù)載下的變形情況，運(yùn)用四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用相同的加載方式，單元大小分別為60mm、50mm和40mm的求解結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

由求解結(jié)果可知：當(dāng)單元大小為60mm時(shí)，最大變形為1.107mm；當(dāng)單元大小為50mm時(shí)，最大變形為1.161mm；當(dāng)單元大小為40mm時(shí)，最大變形為1.184mm。隨著單元尺寸不斷減小，變形結(jié)果不斷增大，同時(shí)計(jì)算結(jié)果也不斷逼近真實(shí)值。單元大小為60mm與單元大小50mm的計(jì)算結(jié)果的差為0.054mm，是單元大小為50mm時(shí)計(jì)算結(jié)果的4.65%；單元大小為50mm與單元大小40mm的計(jì)算結(jié)果的差為0.023mm，是單元大小為40mm時(shí)計(jì)算結(jié)果的1.94%。由上面的分析和有限元方法理論可知，當(dāng)單元大小再減少10mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果的變化將<2%，單元大小的變化帶給分析結(jié)果的變化越來(lái)越小。那么，1.184×1.02×1.02×1.02×1.02=1.282（mm）將接近結(jié)構(gòu)變形的真實(shí)值。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)前文總結(jié)，我們已經(jīng)知道，當(dāng)前有限元分析方式正在不斷走向成熟，隨著其發(fā)展完善，將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域都得到有效利用。當(dāng)前隨著人們生活水平的提高，對(duì)于藥品的要求也越來(lái)越高，這就需要我們重視制藥機(jī)械的設(shè)計(jì)工作，可以說(shuō)，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，制藥機(jī)械的設(shè)計(jì)改良工作中，有限元分析方法將會(huì)發(fā)揮出很大的作用。例如我們可以針對(duì)振動(dòng)噪音進(jìn)行分析，或者精確設(shè)計(jì)攪拌槳和攪拌桶等等，這些都有助于改善先前存在的一系列問(wèn)題，讓我國(guó)制藥機(jī)械質(zhì)量大大提高，達(dá)到高效、高穩(wěn)定性的目的。

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