直壓式超高壓處理設(shè)備承力框架優(yōu)化

呂洪波，謝東偉，賈 鵬

（1.北方工業(yè)大學，北京 100144；2.北京鉑鑫森淼超高壓醫(yī)療設(shè)備有限公司，北京 100176）

0 引言

超高靜水壓用于生物處理的研究方興未艾[1～6]，促進了相應技術(shù)及應用的發(fā)展，對設(shè)備的研制也提出了各種需求。超高壓生物處理設(shè)備的基本原理如圖1所示——將物料置于超高壓容器內(nèi)，并施以100MPa以上的壓力。根據(jù)施加壓力的柱塞是否直接作用于超高壓容器，可把超高壓生物處理設(shè)備分成兩類，一類叫直壓式超高壓生物處理設(shè)備[7]，或者一體化超高壓生物處理設(shè)備[8]（如圖1(b)所示）；另一類為間接加壓式[7]（如圖1(c)所示）。

直壓式超高壓設(shè)備由于增壓器柱塞同時也是超高壓容器的密封堵頭，所以設(shè)備不需要額外的增壓器、超高壓管路、超高壓單向閥和超高壓泄壓閥等，設(shè)備可靠性高，便于維護。并且，直壓式超高壓設(shè)備的密封和加壓過程都由柱塞完成，易于實現(xiàn)自動化。另一方面，考慮到水在超高壓下的壓縮（每100MPa壓縮約3%）以及直壓式設(shè)備只能單行程增壓，一般而言直壓式超高壓處理設(shè)備的有效處理容量不宜超過10升。所以，直壓式結(jié)構(gòu)適用于較小容量的超高壓設(shè)備，特別適用于對可靠性要求高、缺乏維護能力的用戶，比如各種食品、生物或醫(yī)療等實驗室，以及處理物料量不大的場合，比如醫(yī)用或消費類食品滅菌用戶。

圖1 超高壓處理原理及基本結(jié)構(gòu)[7]

但是，直壓式超高壓設(shè)備的加壓柱塞必須在承力框架內(nèi)上下移動來完成密封和加壓過程；同時，考慮到水壓縮量、物料含氣量和操作空間等因素，直壓式設(shè)備的承力框架比間接加壓式的尺寸更大。目前，直壓式設(shè)備的承力框架往往借鑒自工業(yè)用液壓機，而工業(yè)用液壓機對重量和體積通常不敏感。所以，直壓式超高壓處理設(shè)備通常相對笨重、粗大，具有進一步優(yōu)化的空間。而從超高壓生物處理設(shè)備的用戶需求的角度，例如實驗室、醫(yī)用或消費類終端應用，這些用戶一般希望設(shè)備做得輕便、緊湊。而不少用戶的設(shè)備使用場地位于樓上，設(shè)備必須經(jīng)由電梯上樓，這也對設(shè)備重量提出要求?；谶@些需求，本文以某型號超高壓設(shè)備的承力框架為對象，應用有限分析方法，探討直壓式超高壓生物處理設(shè)備的承力框架優(yōu)化的途徑，包括輕量化和體積縮減兩方面。

1 承力框架有限元分析

原有直壓式超高壓設(shè)備的承力框架三維圖如圖2所示，主要包括上橫梁、下橫梁、左側(cè)板和右側(cè)板四部分，由板材焊接而成。該承力框架面向400MPa額定壓力、超高壓容器開口直徑為70mm2的超高壓處理設(shè)備所設(shè)計，其關(guān)鍵參數(shù)參如表1所示。

1.1 承力框架有限元仿真

本文的有限元仿真軟件使用的是ANSYS Workbench?？紤]到超高壓處理的加載過程，使用的工具箱為Transient Structural Toolbox。框架原用材料為Q345，材料性能參數(shù)如表1所示。

1.1.1 邊界條件及載荷

對于直壓式超高壓處理設(shè)備，超高壓容器內(nèi)的液壓力分別通過柱塞和超高壓容器底部作用于上臺面和下臺面，所以該承力框架的主要受力為垂直作用于上下橫梁臺面上的一對力，這兩個力的大小相等、方向相反。進行有限元仿真時，可近似設(shè)為圖3所示的兩個載荷，即同一條直線上方向相反的兩個力，大小約為1.5×106N，并假設(shè)這兩個載荷均勻作用于上下臺面。框架重力約4.1×103N，遠小于承力載荷1.5×106N，在仿真中忽略不計。而內(nèi)部載荷為一對方向相反、大小相等的力，所以邊界條件是否加約束不會影響結(jié)果，本文選擇了不加約束。

設(shè)備低壓液壓動力源為柱塞液壓泵，經(jīng)增壓后，超高壓容器0～400MPa的增壓時間約為15秒，所以可假設(shè)載荷為連續(xù)均勻加載，即框架載荷在0～15s內(nèi)，均勻地從0～1.5×106N變化，載荷的增加函數(shù)為直線。

1.1.2 網(wǎng)格劃分

考慮到承力框架為左右、上下對稱的結(jié)構(gòu)，采取相應的對稱網(wǎng)格劃分方法，最終，網(wǎng)格數(shù)為73177個，共338573個節(jié)點。

圖2 原有承力框架三維模型

圖3 承力框架受力

表1 原有承力框架參數(shù)

1.1.3 應力、變形仿真

有限元仿真的應力和變形結(jié)果如圖4所示，圖4的左圖為等效應力結(jié)果，右圖為應變結(jié)果。

圖4 有限元仿真的應力和應變結(jié)果

從應力結(jié)果可以看出，最大的應力出現(xiàn)在上下橫梁與左右側(cè)板的內(nèi)部連接處，應力值約為221.45MPa。在仿真模型中此處為不帶過渡的“尖直角”，所以該應力值為尖角形成的應力集中。在實際生產(chǎn)中，該處連接為焊接，為避免應力集中造成從焊接處斷裂，可采取以下措施：1）開坡口和堆焊相結(jié)合，焊縫打磨形成一定過渡角；2）提高焊縫韌性[9,10]；3）承力框架焊接完后，整體回火消除焊接應力。上下橫梁除了該連接區(qū)域外，其他區(qū)域的應力值都比較小。最小的應力出現(xiàn)在上橫梁頂部中間和下橫梁底部中間部位。而另一個應力較大的區(qū)域為左右側(cè)板中間部分，應力約為110MPa。不考慮前述尖角形成的最大應力，以側(cè)板應力值來估計，當Q345的屈服強度取值335MPa時（如表1所示），框架的安全系數(shù)約為3。

對于變形，變形量最大的區(qū)域出現(xiàn)在上下橫梁的中軸平面附近，變形量約為0.36mm。而變形量最小的區(qū)域為左右側(cè)板中間部分。

所以，承力框架的重量、體積優(yōu)化要解決的主要矛盾有兩個，一是優(yōu)化與側(cè)板強度間的矛盾，二是優(yōu)化與橫梁剛度間的矛盾。

1.2 重量減輕途徑和仿真結(jié)果

根據(jù)應力、變形仿真結(jié)果分析得到的兩個主要矛盾，輕量化可從側(cè)板強度和橫梁剛度兩個角度來考慮。

首先，對于承力框架側(cè)板輕量化，可使用強度更高的板材、減小板厚。比如采用Q460代替Q345，在保持安全系數(shù)不變的情況，重量可減輕20%以上。

對于上下橫梁，強度不是主要矛盾，關(guān)鍵是變形引起的破壞?？紤]到承力框架橫梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原來為一橫兩縱（圖5的左圖），為增加橫梁剛度、減少橫梁的變形量，可以修改為兩橫一縱（圖5的右圖），修改后的仿真結(jié)果參如圖6所示，最大變形量減少約8%。由于橫梁的強度足夠，而Q345的韌性較好（夏比V型口沖擊功大于34J，斷面收縮率大于20%，屈強比小于0.73），可考慮把橫梁板厚縮小20%左右。

圖5 橫梁的水平截面圖（左：修改前；右：修改后）

圖6 橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)修改后的仿真結(jié)果

綜合考慮側(cè)板和橫梁的重量減小結(jié)果，整個承力框架重量可減少20%左右。

1.3 體積縮減途徑與仿真結(jié)果

直壓式超高壓處理設(shè)備承力框架內(nèi)部空間的大小，一般與超高壓容器、超高壓堵頭、加壓柱塞、低壓缸和操作空間大小等相關(guān)，這些與設(shè)備額定工作壓力和有效容積等用戶需求相關(guān)，所以本文討論的承力框架的體積縮減以框架內(nèi)部空間大小一定為前提?；谠撉疤?，承力框架體積縮減只能從左右側(cè)板厚度和上下橫梁高度這兩個方向考慮。

側(cè)板厚度的減小與上一小節(jié)重量減小相對應。而對于上下橫梁的高度，根據(jù)應力、應變的分析結(jié)果，上下橫梁中部為最大變形量區(qū)域，保證剛度是橫梁需要首先考慮的問題，而降低上下橫梁的高度會減少橫梁剛度，所以通過這個途徑減小體積的裕量較小。

本文認為較好的方法是減小側(cè)板筋板的寬度（參見圖5左圖）。對側(cè)板筋寬取不同的縮減量，進行有限元仿真，得到的仿真結(jié)果參如表2所示，單邊縮減量為50mm時的有限元仿真結(jié)果如圖7所示。從表2可以看出，側(cè)板筋寬的縮小會增大變形量，但變形量增加不大，在可以接受的范圍內(nèi)。隨著側(cè)板筋寬的縮小，最大應力增加較快，但是，與前面分析相同，該最大應力均出現(xiàn)在側(cè)板與橫梁焊接處，可通過1.1.3小節(jié)所討論的方法進行處理。

綜上所述，縮減筋板寬度是縮減受力框架體積的有效途徑。

表2 框架優(yōu)化仿真結(jié)果對比

圖7 體積縮減后的仿真結(jié)果

2 結(jié)論

直壓式超高壓處理設(shè)備主框架的有限元仿真結(jié)果表明，在優(yōu)化設(shè)計中，主框架左右側(cè)板需要著重考慮強度問題，而對于上下橫梁，剛度則是主要矛盾。所以，在主框架重量減小和體積縮減中，都需要從這兩個主要矛盾著手。

對于承力框架的輕量化，有兩個可行途徑，一是用更高強度的低合金結(jié)構(gòu)鋼（比如Q460）代替原主框架側(cè)板材料Q345；另一途徑，對于上下橫梁，可考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進，提高剛度，同時縮減橫梁板厚。通過這兩個途徑，本文所優(yōu)化的承力框架可有效減輕重量20%左右。

對于體積縮減，減少側(cè)板的筋板寬度是可行方案。對于本文中的具體例子，當側(cè)板筋寬單邊減少50mm時，設(shè)備的主框架體積可減少約18.7%。

無論是輕量化或體積縮減，都需要充分考慮如果避免側(cè)板與橫梁間焊接處的破壞，避免措施包括：1）開坡口焊和堆焊相結(jié)合，焊縫打磨形成一定過渡角；2）提高焊縫韌性；3）承力框架焊接完后，整體回火消除焊接應力。