中国报告大厅网讯，当前，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多个领域应用愈发广泛。随着行业发展，冷冻干燥机市场需求不断提升，美国、英国、日本、德国等国家的冻干机已形成标准化、系列化产品，搁板面积从不到一平方米覆盖至几十平方米，拥有十几种规格。而我国此前在冷冻干燥机结构设计上，多采用材料力学简化计算与经验设计相结合的方式，这种方式虽有一定可靠性，但存在设计周期长、结构组件冗余、用材质量大、成本高且效益低等问题，削弱了产品竞争力。在此背景下，将现代仿真技术引入真空冷冻干燥机设计，成为提升我国冷冻干燥机设计水平、增强产品竞争力的关键方向。以下是2025年冷冻干燥机行业技术分析。

  一、冷冻干燥机设计与分析的核心方向及关键部件聚焦

  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构成，这些部分的搭配与取舍可形成不同设计方案。其中，冷冻干燥箱是能制冷至 - 50℃左右、加热到 + 70℃左右的高低温密闭真空箱体，是冷冻干燥机的主要组成部件;搁板作为冷冻干燥箱内的核心部件，负责对制品进行预冷、升温与干燥。制品品质与搁板的制冷温度、加热温度、干燥时的真空度三个主要参数密切相关。在这三个参数中，加热温度因电加热装置功率稳定可控、硅油作为传热介质易实现热量调节，真空度虽控制复杂但可精确控制，而制冷温度较难理想控制，需通过搁板最低温度、搁板降温速率、搁板控温精度综合评价。基于此，在冷冻干燥机设计中，需重点围绕冷冻干燥箱和搁板展开，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，同时利用 CAE 技术对冷冻干燥箱进行静强度及模态分析，通过 FLUENT 软件分析冷冻干燥箱气体流场轨迹和搁板内温度场变化，以此发现设计问题、缩短研发周期、提高经济效益。

  二、冷冻干燥箱静力学分析：有限元模型构建与力学性能数据解析

  在冷冻干燥箱设计中，首先使用 Pro/ENGINEER 进行造型设计，再通过其数据接口将模型传递至 ANSYS 环境开展有限元计算，以获取冷冻干燥箱的机械性能。静力学分析主要用于研究结构在给定静力载荷条件下的响应，涉及结构的位移、约束反力、应力及应变等参数。

  按照设计要求，冷冻干燥机的冷冻干燥箱结构采用从局部到整体的造型方法建模，该箱体由若干零部件焊接装配而成，利用 CAD 软件造型时，从标准结构件开始拼合相关结构体即可得到整体结构模型。进行有限元分析时，各结构件按焊接成一个整体处理。设计初期结合经验设计与材料力学简化算法确定设计参数初始值，再通过 Pro/ENGINEER 完成辅助实体造型，得到冷冻干燥箱体模型。

  构建的有限元模型中，有限元网格单元数为 155181，节点数为 56519。网格划分完成后，根据冷冻干燥箱实际工作状态添加载荷与边界条件，例如对箱体上表面和侧面施加大气压力，对底面附加搁板等内部零部件重力，以此验证冷冻干燥箱体强度的可靠性，并通过分析得到应力分析云图与位移分析云图。

  三、冷冻干燥箱模态分析：振动特性研究与固有频率数据获取

  模态分析是了解结构振动特性的重要手段，已广泛应用于结构动力特性修改、优化设计、故障诊断、状态检测等领域，能将机械结构设计从经验、类比和静态设计方法转变为动态、优化设计方法，且与计算机辅助设计(CAD)结合后，可为产品改进提供可靠理论依据。

  真空冷冻干燥机在使用过程中动力学特征明显，设计时需充分考虑振动和噪音问题，避免实际工况中因振动引发共振或疲劳，破坏结构气密性。由于冷冻干燥箱刚性较差，易在压缩机及循环泵运行时产生共振，因此将其作为分析对象。在分析过程中，先定义分析类型和分析选项，再进行固有频率的有限元计算，分析所用材料参数为弹性模量 210GPa，泊松比 0.3，密度7800 kg/m3。经计算，得到冷冻干燥箱 1、2、3 阶振动频率分别为 114.55Hz、228.62Hz、318.41Hz，并获取了对应的 1 阶、2 阶、3 阶振动云图。通过仿真分析可发现设计中的不合理之处，如部分部位应力水平较高，即便排除未考虑焊缝引发的应力集中因素，应力分布不均仍会导致各部分疲劳寿命差异及材料使用不合理，因此需调整筋板布置方式，在应力过高处适当增加加强筋板，同时调整布局以降低振动频率。

  四、冷冻干燥箱及搁板 CFD 分析：气流与温度场模拟及优化方向

  计算流体力学(CFD)是多学科交叉领域，具有成本低、能模拟复杂或理想过程等优势，近 20 年发展迅速，涉及流体力学、偏微分方程数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等学科，其水平最终体现在解决实际问题的能力上，如今已成为流体力学研究的重要手段。

  在冷冻干燥机设计中，加热系统的关键在于节省能源、提高热效率。由于真空状态下传热主要依靠辐射和传导，传热效率低，近来出现调压升华法，其中充入干燥无菌气体的方式既能提高冷冻干燥箱压强，又不会增加冷凝器负荷，是较为理想的调压方式。借助 CFD 仿真技术，可预测冷冻干燥箱内不同配气口充入干燥无菌气体的气流分布情况，为设计提供指导。具体而言，构建了冷冻干燥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，建立内部气体流场分布计算模型，随后进行网格划分与边界条件确定，得到底部进气分析有限元模型和侧壁进气分析有限元模型。

  FLUENT 软件能较准确地呈现流体流动细节，如速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，不仅可预测流体产品整体性能，还能从对流畅分析中发现设计问题，基于此提出的改进方案只需计算一次即可判断效果，因此利用 FLUENT 求解器进行设置与求解，得到底部进气流场云图和侧壁进气流场云图。

  搁板设计水平直接决定冷冻干燥机整机性能，合理的搁板换热流路布局、用材及较小的热惯性，可大幅降低控制系统、制冷系统、加热系统等的功耗负荷和故障率，实现最优冷却速率，提升细胞存活率、产品物理形状及溶解速度。为保证搁板热均匀性好、热惯性小，在设计中采用 CFD 技术构建热传导模型，在 Pro/ENGINEER 中建立均布内流路搁板三维模型，进而构建流路有限元模型。

  使用 FLUENT 对温度流场进行数值模拟时，需设置流体性质，如温度、密度、传热系数等，分析选用 k-Epsilon 流体方程模型，工作环境为室温条件，给定的流场边界条件为入口速度 0.5m/s、温度 323K，出口压强设为相对大气压强，其他为固定无滑移壁面(wall)，导流系数为13.9w/m2⋅∘C。通过 FLUENT 生成速度场和温度场图形并分析，得到流路温度场分布云图。

  搁板分析中，流路温度变化对搁板热均布的影响涉及两种以上物理场的交叉作用与相互影响，属于流 - 固耦合分析问题。流路温度场分布通过 FLUENT 计算得出，但 FLUENT 无法实现搁板温度分析，需将 FLUENT 计算结果作为载荷加载到 ANSYS 的固体有限元模型中，实现流 - 固耦合分析。构建搁板有限元模型并导入分析流路，计算后得到均布内流路搁板温度分布云图。借助 CFD 方法模拟冷冻干燥箱和搁板内流体流动、传热等现象，可提升冷冻干燥机概念设计、详细设计和改进设计的效能，在工程应用中，通过 CFD 分析能明确问题产生机理，指导设计工作，节省人力、物力和时间，助力总结规律。

  五、冷冻干燥机设计中仿真技术应用的总结与行业价值

  《2025-2030年全球及中国冷冻干燥机行业市场现状调研及发展前景分析报告》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，能够有效缩短设计周期、保证设计质量、提高整体设计水平，减少开发成本。CAE 技术可在设计初期发现问题，基于有限元的优化分析能为设计提供改进方向，通过数值仿真分析获取应力应变分布情况，调整关键结构尺寸，减小应力应变，实现结构优化。

  基于 ANSYS Fluent 软件的模拟计算，能够较为准确地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。通过该软件对真空冷冻干燥箱内气流工况进行数值仿真发现，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，这一结论对深入研究真空冷冻干燥技术机理及设计新型进配气装置具有重要指导意义。同时，利用 ANSYS Fluent 软件对真空冷冻干燥机加热搁板温度分布情况进行数值仿真，为搁板换热流路设计提供依据，也为动力循环系统、制冷系统和控制系统的整体性能设计工作提供参考。

  CFD 技术能够克服传统方法中系统当量模型简化及原始物理参数无法精确化的问题，且能得到直观结果，直接指导设计，推动冷冻干燥机设计从单纯经验设计方法转变为理论计算指导与经验相结合的方法。借助 CFD 的仿真分析，可有效分析流体运动过程中的运动特性和规律，将设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，使其能将更多精力投入到优化设计及结构设计上。

  尽管CFD技术本身存在一定局限性，如对物理模型、经验技巧有一定依赖，但作为以流体为研究对象的数值模拟技术，相较于实验流体动力学，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显著优势，在冷冻干燥机行业设计及众多领域中，必将发挥越来越重要的作用，持续推动冷冻干燥机行业技术不断进步。