6m灭菌滚筒的强度分析及参数优化
滚筒灭菌机作为一款先进的灭菌设备，在医药行业和食品加工中不可或缺。这种灭菌设备在工作时，会受到热力、重力和接触力等多种载荷的共同作用，且其本身的结构复杂，尺寸大，所以滚筒灭菌机的使用安全性必须得到重视。对滚筒灭菌机进行结构强度分析是有必要和有实际意义的，同时，对其进行参数优化能为滚筒灭菌机的设计和优化提供重要的参考。本文应用了有限元分析软件ANSYS Workbench,首先对现实中滚筒灭菌机的筒体部分进行合理的简化，从而建立了筒体的分析模型。然后根据滚筒灭菌机的实际工作状况，对筒体在四种典型的工况下进行强度分析，得到对应工况下筒体的应力和应变分布状态。从筒体的强度分析结果可知，滚筒灭菌机筒体的结构都满足强度和刚度条件。因为筒体和筒体内的物料的重力全经滚圈作用在托轮上，所以在滚圈和托轮间存在着较大的接触应力。对滚筒和托轮这一接触对进行接触分析，验证了该接触对满足接触强度条件。最后，本文尝试优化单通道回转灭菌机筒体的结构。在满足强度条件的前提下，通过对筒体壁厚尺寸的改进达到减少筒体质量的优化目标。虽最终没有达到优化目的，但从侧面验证了原设计的合理性。关键词：滚筒灭菌菌机；强度分析；参数优化 目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究意义 1
1.2 灭菌技术 1
1.2.1 湿热法 1
1.2.2 干热法 2
1.2.3 过滤法 2
1.2.4 环氧乙烷法 2
1.2.5 辐射法 2
1.3 灭菌设备的研究现状和发展动态 3
1.4 滚筒灭菌机简介及工作原理 3
1.4.1滚筒灭菌机简介 3
1.4.2 滚筒灭菌机工作原理 3
第二章 灭菌滚筒有限元模型的建立 5
2.1 有限元分析软件ANSYS Workbench 5
2.1.1 ANSYS简介 5
2.1.2 ANSYS软件提供的分析类型 6
2.2.3 协同仿真环境ANSYS Workbench 7
2.2 筒体部分的结构及分析条件 8
2.2.1 工艺条件 8
2.2.2 材料参数 8
2.3 模
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2.1 有限元分析软件ANSYS Workbench 5
2.1.1 ANSYS简介 5
2.1.2 ANSYS软件提供的分析类型 6
2.2.3 协同仿真环境ANSYS Workbench 7
2.2 筒体部分的结构及分析条件 8
2.2.1 工艺条件 8
2.2.2 材料参数 8
2.3 模型的建立 9
2.3.1 数学建模 9
2.3.2 筒体模型的建立 9
2.3.3 网格划分 10
图24：筒体整体网格图 11
2.3.4 确定边界条件 11
第三章 滚筒灭菌机筒体强度分析 12
3.1 筒体静止时的强度分析 13
3.2 筒体启动时的强度分析 14
3.3 筒体空转时的强度分析 16
3.4 筒体正常工作状态强度分析 17
3.4.1 传热学理论 17
3.4.2 热—结构耦合计算方法 18
3.4.3 滚筒灭菌机筒体的温度场分析 18
3.4.4 滚筒灭菌机筒体正常工作状态强度分析 20
第四章 滚筒灭菌机滚圈和托轮接触分析 22
4.1 接触问题的解决方法 22
4.2 接触有限元 23
4.3 滚圈和托轮的接触分析 23
4.3.1 模型的建立 23
4.3.2 网格划分 24
4.3.3 定义接触对 24
4.3.4 边界条件的确定 25
4.3.5 载荷的确定 25
4.3.6 计算结果 25
第五章 滚筒灭菌机筒体参数优化 27
5.1 优化设计概述 27
5.2 约束优化方法 27
5.3 ANSYS Workbench结构优化分析 28
5.4 筒体的参数优化 28
5.5 验证优化结果 32
结 语 33
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 课题的研究意义
灭菌是医疗和食品工业不可或缺的加工环节。滚筒灭菌机是一种应用非常广泛的灭菌设备，在医疗和食品行业占据重要地位。滚筒灭菌机与其他灭菌设备相比，具有生产效率高、不间断操作、操作简单、性能稳定等优点。当下，各种新技术的进步不仅给灭菌装置的设计提供新的思路的同时也带来新的问题。
在过去几十年，特别是生物技术和物理技术的大力推动下，灭菌技术取得长足的发展。试验手段在灭菌设备的制造中是占据重要的地位。但现实中，厂商对试验过程的重要性缺乏认识、前期投资大和试验人才的短缺等原因造成了试验手段单薄。不少企业甚至仅靠机械加工工人的经验制造昂贵的设备，完全没有试验技术来支持生产。
灭菌设备的设计一直没有设计标准和行业指标，几乎全凭经验。国内制造厂主要是通过结构上的创新来调整物料的流动状态和增强灭菌效果。但这种单纯的结构创新已跟不上社会的发展脚步，不能达到当今灭菌工业所需的质量和安全要求。因此，需要引进新的设计手段使灭菌设备的设计更具针对性和可靠性。
本课题运用了有限元分析软件ANSYS，结合灭菌设备的生产特点，尽可能模拟出灭菌设备工作的情景，利用分析软件强大的计算分析能力得出灭菌设备的应力和形变。这不仅为产品设计人员提供宝贵的原始资料，还提高了设计的效率，缩短了产品的开发周期，增强了设备制造的灵活性，可以创造更大的经济效益。
现阶段，灭菌设备的需求不断增加，但国内很少滚筒灭菌机的强度分析的研究资料很少。滚筒灭菌机以其生产效率高、性能稳定和应用领域广等优点在国内的灭菌产业中占据重要的地位。因此，对滚筒灭菌机进行强度分析颇具意义。
1.2 灭菌技术
1.2.1 湿热法
在湿热的环境下可以达到灭菌的目的的原因是微生物一些重要的蛋白在湿热的环境中会发生凝固和变性而死。其灭菌操作是维持十几分钟，温度为一百二十一摄氏度，维持一百一十五摄氏度四十五分钟也可以达到相同的灭菌效果。一般来说，湿热灭菌方法可用于耐高温和密封性良好的药物制剂。
1.2.2 干热法
干热法是在通过气体或电加热来控制设备内温度这麽一特定设计的设备中灭菌的方法。干热灭菌的灭菌原理是热干微生物致死。由于灭菌效果较差，故使用干热灭菌时则需更高温以及更耗时。干热灭菌所需的温度和时间会按照具体的产品和容器特性而定。通常被灭菌物质尽可能小以及设备内热空气可以随意流动。一般来说，干热灭菌维持一百六十到一百七十摄氏度下大于两个小时。如果要缩短时间则需更高的温度，相反，较低的温度就更耗时。干热灭菌对医疗器械也可有效灭菌。
1.2.3 过滤法
与杀死微生物不同，过滤法主要在需灭菌的物料中分离出微生物，从而达到灭菌的目的。通常适用于热敏性溶液。但过滤法所用的制剂则需要严格执行无菌标准，原因是被滤溶液中微生物的多少将决定制剂所对应的过滤灭菌工作的效果。因此，滤膜的选择主要看需滤溶液中微生物的具体特征，从而得出合适的滤膜孔径。
1.2.4 环氧乙烷法
环氧乙烷可以用于灭菌的原因是其很够与微生物细胞中的大分子
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究意义 1
1.2 灭菌技术 1
1.2.1 湿热法 1
1.2.2 干热法 2
1.2.3 过滤法 2
1.2.4 环氧乙烷法 2
1.2.5 辐射法 2
1.3 灭菌设备的研究现状和发展动态 3
1.4 滚筒灭菌机简介及工作原理 3
1.4.1滚筒灭菌机简介 3
1.4.2 滚筒灭菌机工作原理 3
第二章 灭菌滚筒有限元模型的建立 5
2.1 有限元分析软件ANSYS Workbench 5
2.1.1 ANSYS简介 5
2.1.2 ANSYS软件提供的分析类型 6
2.2.3 协同仿真环境ANSYS Workbench 7
2.2 筒体部分的结构及分析条件 8
2.2.1 工艺条件 8
2.2.2 材料参数 8
2.3 模
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2.1 有限元分析软件ANSYS Workbench 5
2.1.1 ANSYS简介 5
2.1.2 ANSYS软件提供的分析类型 6
2.2.3 协同仿真环境ANSYS Workbench 7
2.2 筒体部分的结构及分析条件 8
2.2.1 工艺条件 8
2.2.2 材料参数 8
2.3 模型的建立 9
2.3.1 数学建模 9
2.3.2 筒体模型的建立 9
2.3.3 网格划分 10
图24：筒体整体网格图 11
2.3.4 确定边界条件 11
第三章 滚筒灭菌机筒体强度分析 12
3.1 筒体静止时的强度分析 13
3.2 筒体启动时的强度分析 14
3.3 筒体空转时的强度分析 16
3.4 筒体正常工作状态强度分析 17
3.4.1 传热学理论 17
3.4.2 热—结构耦合计算方法 18
3.4.3 滚筒灭菌机筒体的温度场分析 18
3.4.4 滚筒灭菌机筒体正常工作状态强度分析 20
第四章 滚筒灭菌机滚圈和托轮接触分析 22
4.1 接触问题的解决方法 22
4.2 接触有限元 23
4.3 滚圈和托轮的接触分析 23
4.3.1 模型的建立 23
4.3.2 网格划分 24
4.3.3 定义接触对 24
4.3.4 边界条件的确定 25
4.3.5 载荷的确定 25
4.3.6 计算结果 25
第五章 滚筒灭菌机筒体参数优化 27
5.1 优化设计概述 27
5.2 约束优化方法 27
5.3 ANSYS Workbench结构优化分析 28
5.4 筒体的参数优化 28
5.5 验证优化结果 32
结 语 33
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 课题的研究意义
灭菌是医疗和食品工业不可或缺的加工环节。滚筒灭菌机是一种应用非常广泛的灭菌设备，在医疗和食品行业占据重要地位。滚筒灭菌机与其他灭菌设备相比，具有生产效率高、不间断操作、操作简单、性能稳定等优点。当下，各种新技术的进步不仅给灭菌装置的设计提供新的思路的同时也带来新的问题。
在过去几十年，特别是生物技术和物理技术的大力推动下，灭菌技术取得长足的发展。试验手段在灭菌设备的制造中是占据重要的地位。但现实中，厂商对试验过程的重要性缺乏认识、前期投资大和试验人才的短缺等原因造成了试验手段单薄。不少企业甚至仅靠机械加工工人的经验制造昂贵的设备，完全没有试验技术来支持生产。
灭菌设备的设计一直没有设计标准和行业指标，几乎全凭经验。国内制造厂主要是通过结构上的创新来调整物料的流动状态和增强灭菌效果。但这种单纯的结构创新已跟不上社会的发展脚步，不能达到当今灭菌工业所需的质量和安全要求。因此，需要引进新的设计手段使灭菌设备的设计更具针对性和可靠性。
本课题运用了有限元分析软件ANSYS，结合灭菌设备的生产特点，尽可能模拟出灭菌设备工作的情景，利用分析软件强大的计算分析能力得出灭菌设备的应力和形变。这不仅为产品设计人员提供宝贵的原始资料，还提高了设计的效率，缩短了产品的开发周期，增强了设备制造的灵活性，可以创造更大的经济效益。
现阶段，灭菌设备的需求不断增加，但国内很少滚筒灭菌机的强度分析的研究资料很少。滚筒灭菌机以其生产效率高、性能稳定和应用领域广等优点在国内的灭菌产业中占据重要的地位。因此，对滚筒灭菌机进行强度分析颇具意义。
1.2 灭菌技术
1.2.1 湿热法
在湿热的环境下可以达到灭菌的目的的原因是微生物一些重要的蛋白在湿热的环境中会发生凝固和变性而死。其灭菌操作是维持十几分钟，温度为一百二十一摄氏度，维持一百一十五摄氏度四十五分钟也可以达到相同的灭菌效果。一般来说，湿热灭菌方法可用于耐高温和密封性良好的药物制剂。
1.2.2 干热法
干热法是在通过气体或电加热来控制设备内温度这麽一特定设计的设备中灭菌的方法。干热灭菌的灭菌原理是热干微生物致死。由于灭菌效果较差，故使用干热灭菌时则需更高温以及更耗时。干热灭菌所需的温度和时间会按照具体的产品和容器特性而定。通常被灭菌物质尽可能小以及设备内热空气可以随意流动。一般来说，干热灭菌维持一百六十到一百七十摄氏度下大于两个小时。如果要缩短时间则需更高的温度，相反，较低的温度就更耗时。干热灭菌对医疗器械也可有效灭菌。
1.2.3 过滤法
与杀死微生物不同，过滤法主要在需灭菌的物料中分离出微生物，从而达到灭菌的目的。通常适用于热敏性溶液。但过滤法所用的制剂则需要严格执行无菌标准，原因是被滤溶液中微生物的多少将决定制剂所对应的过滤灭菌工作的效果。因此，滤膜的选择主要看需滤溶液中微生物的具体特征，从而得出合适的滤膜孔径。
1.2.4 环氧乙烷法
环氧乙烷可以用于灭菌的原因是其很够与微生物细胞中的大分子
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