特殊容器結(jié)構(gòu)設(shè)計及其基于Ansys的有限元分析

曾凱 傅佩順 李曉明

摘 要：壓力容器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)能帶動產(chǎn)品進(jìn)步，而結(jié)構(gòu)的改進(jìn)需要結(jié)合設(shè)計的優(yōu)化和分析方法的進(jìn)步。采用創(chuàng)新的思路設(shè)計了一種全新的滅菌器主體結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，指出了一種主體結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，結(jié)合Ansys軟件說明了應(yīng)對此類特殊結(jié)構(gòu)容器的分析計算方法，并驗證了其結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：壓力容器;主體結(jié)構(gòu);Ansys軟件;強度

中圖分類號：TH49? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0026-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.008

0??? 引言

制藥工程、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、實驗動物等領(lǐng)域廣泛使用一種通過高溫高壓蒸汽進(jìn)行無菌處理的滅菌器，它是生物安全、感染控制等行業(yè)中實現(xiàn)無菌保障的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備的原理是通過高溫高壓的蒸汽對物料進(jìn)行滅菌，其關(guān)鍵的主體結(jié)構(gòu)是一個壓力容器[1]。為滿足功能要求，該壓力容器需要在殼體外設(shè)計一個承壓的夾套來實現(xiàn)保溫，主要結(jié)構(gòu)包括殼體、夾套殼體和加強筋等。

這種帶夾套的組合容器結(jié)構(gòu)決定了該容器在設(shè)計時需要綜合考量加強筋結(jié)構(gòu)與夾套殼體的關(guān)系。因為夾套本身位于殼體外部，與加強筋的位置一致，通常夾套殼體的組成部分同時也是容器的加強筋結(jié)構(gòu)或者加強筋結(jié)構(gòu)的一部分。為改善設(shè)備的性能，以往需要對設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時，受限于規(guī)則計算的限制，其結(jié)構(gòu)形式只能在標(biāo)準(zhǔn)涉及范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行選擇[2]，可以選擇的結(jié)構(gòu)形式非常有限。而當(dāng)引入分析計算的方法時，則容器結(jié)構(gòu)的計算不再受到既定形式的限制，可以根據(jù)需要設(shè)計更具特色、性能更優(yōu)的容器結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計出更先進(jìn)的滅菌器產(chǎn)品。

1??? 結(jié)構(gòu)說明

目前矩形截面滅菌器常用壓力容器的主體結(jié)構(gòu)為內(nèi)殼—加強筋（外殼）形式，內(nèi)殼外覆加強筋，該加強筋同時作為外殼與內(nèi)殼組成夾套結(jié)構(gòu)。滅菌器常用主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)有的容器雖然結(jié)構(gòu)簡單、使用廣泛，但其存在的一些固有問題一直沒有得到解決：

首先，滅菌器主體結(jié)構(gòu)中，夾套的一個主要作用是為滅菌內(nèi)室提供保溫。其最理想的狀態(tài)是消耗最少的能源的同時覆蓋最全的內(nèi)殼面積。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式下，由于加強筋結(jié)構(gòu)既要考慮強度因素，又要組成夾套結(jié)構(gòu)，所以往往造成夾套對內(nèi)殼的包覆是不連續(xù)的，保溫效果不理想，導(dǎo)致滅菌器性能降低。

其次，作為壓力容器，為滿足強度要求，滅菌器主體加強筋結(jié)構(gòu)要求比較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大，因而占用空間也很大。目前的結(jié)構(gòu)形式是直接由加強筋結(jié)構(gòu)組成夾套，這樣勢必造成夾套容積的放大。在實際滅菌器使用中，夾套只起到輔助作用，其過大的空間無任何實際作用，反而造成極大的能源浪費。同時，由于加強筋內(nèi)部承壓，加強筋結(jié)構(gòu)要額外滿足承壓殼體的要求，因而夾套結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜、加工難度較高，使用中故障風(fēng)險也較高。

再次，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，外殼外側(cè)均遠(yuǎn)離內(nèi)殼，在外部包覆保溫層時受空間限制，保溫層厚度往往較薄，保溫效果不佳，造成設(shè)備表面溫度較高，既增加能耗，又降低使用安全性。

常用主體結(jié)構(gòu)的夾套形式如圖2所示，夾套間斷覆蓋在容器殼體外部。

基于以上問題，設(shè)計團(tuán)隊開發(fā)了一套新的主體結(jié)構(gòu)形式：塞焊外殼外加強結(jié)構(gòu)滅菌器主體。該滅菌器加工了特殊結(jié)構(gòu)的外殼，外殼開拉伸孔作為塞焊孔，通過該塞焊孔可以直接將滅菌器內(nèi)殼、外殼固定到一起。因為外殼上的塞焊孔為拉伸孔，成型后內(nèi)殼、外殼之間將形成一個狹小空間，即作為滅菌器的夾套。內(nèi)殼、外殼組合成一個整體，而加強筋結(jié)構(gòu)附加到外殼外部，不再作為承壓的殼體。內(nèi)殼、外殼之間的夾套空間較常用結(jié)構(gòu)減小約80%，結(jié)構(gòu)非常緊湊。新結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)夾套容積小、成型簡單，對內(nèi)殼的包覆和支撐性能好，節(jié)能環(huán)保、安全可靠，保溫性和外加保溫層后實現(xiàn)的隔熱效果優(yōu)異。該主體結(jié)構(gòu)及夾套形式如圖3所示。

2??? 分析依據(jù)

壓力容器規(guī)則設(shè)計的方法為依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器》（GB/T 150—2011），基于第一強度理論進(jìn)行設(shè)計[3]。該設(shè)計方法對于標(biāo)準(zhǔn)中所涵蓋的結(jié)構(gòu)形式的容器比較適合，但上述新結(jié)構(gòu)的容器因為采用了異形結(jié)構(gòu)的夾套設(shè)計，所以規(guī)則設(shè)計的方法難以適用。

對于這種結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、受力情況難以簡單分析的情況，更適合采用分析設(shè)計方法。分析設(shè)計方法建立在數(shù)值分析方法、彈塑性力學(xué)等理論基礎(chǔ)上，采用應(yīng)力分類方法進(jìn)行設(shè)計。下文就將基于Ansys對這種新結(jié)構(gòu)壓力容器進(jìn)行有限元分析計算。

3??? 設(shè)計要素

3.1??? 設(shè)計條件

根據(jù)本容器的工作要求選擇設(shè)計條件，如表1所示。

3.2??? 材料選擇

內(nèi)殼材質(zhì)為S31603，壁厚8 mm;夾套殼體材料為S30408，厚度6 mm;加強環(huán)材料為S30408，厚度8 mm。

計算中涉及的材料性能參數(shù)如表2所示。

3.3??? 設(shè)計參數(shù)

內(nèi)殼基本規(guī)格：矩形結(jié)構(gòu)，截面內(nèi)尺寸660 mm×950 mm（寬×高），長度1 250 mm。四角圓角過渡，圓角半徑50 mm。

夾套殼體規(guī)格：矩形結(jié)構(gòu)，截面內(nèi)尺寸676 mm×966 mm（寬×高），長度991 mm。拉伸孔內(nèi)孔徑120 mm，拉伸深度10 mm。

加強環(huán)規(guī)格：槽鋼形式，截面內(nèi)尺寸100 mm×80 mm（寬×高），數(shù)量為4組，相鄰加強環(huán)間距270 mm。

4??? 結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)力評定

4.1??? 應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—95）的要求，需要將結(jié)構(gòu)危險點按一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部薄膜應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q等不同類的應(yīng)力以及組合的當(dāng)量應(yīng)力進(jìn)行校核[4]，評定標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

4.2??? 建立模型

采用CREO2.0建立主體結(jié)構(gòu)三維模型，因主體結(jié)構(gòu)為對稱形式，則取模型的1/8進(jìn)行分析即可，待分析模型如圖4所示。待分析的結(jié)構(gòu)有三個對稱平面，在其對稱面設(shè)置對稱并施加無摩擦約束，以限制其在對稱方向的位移，其余各部件間采用綁定接觸。

4.3??? 載荷設(shè)置

根據(jù)組合體內(nèi)室和夾套各自的承壓情況進(jìn)行分析，其存在三種載荷情況，分別如下：

載荷方式1：內(nèi)殼正壓;

載荷方式2：內(nèi)殼正壓+夾套正壓;

載荷方式3：內(nèi)殼負(fù)壓+夾套正壓。

4.4??? 網(wǎng)格劃分

整個設(shè)備主要為薄壁結(jié)構(gòu)，薄壁位置劃分為標(biāo)準(zhǔn)六面體結(jié)構(gòu)單元，其余部位采用自適應(yīng)結(jié)構(gòu)單元，組合體網(wǎng)格模型如圖5所示。

4.5??? 分析結(jié)果

根據(jù)前文所述三種載荷方式分別進(jìn)行分析，得到應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。由應(yīng)力云圖可見，本主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大點分布在外殼與內(nèi)殼對接處、外殼與加強筋對接處及加強筋的圓角處。分析原因為各個受力件受力后，在結(jié)構(gòu)對接處存在各個結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，從而容易形成應(yīng)力疊加的情況。

4.6??? 應(yīng)力評定

為評定主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況，將主體結(jié)構(gòu)各危險點處的應(yīng)力進(jìn)行線性化處理，在選擇應(yīng)力線性化路徑時，須經(jīng)過評定區(qū)域應(yīng)力強度值最大的位置和各個典型結(jié)構(gòu)位置。最短應(yīng)力線性化路徑，可作為應(yīng)力線性化路徑的最佳選擇，該路徑可以理解為裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致破壞的最危險路徑[5]。

通過應(yīng)力云圖可知，載荷方式1內(nèi)殼正壓時，主體結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力峰值最大，下文將以載荷方式1的應(yīng)力分布為例進(jìn)行線性化處理。如圖7所示（圖中所標(biāo)數(shù)字為線性化路徑編號），在載荷方式1的容器結(jié)構(gòu)上，共選取了36條線性化評定路徑，其包括對稱平面處、內(nèi)殼折彎處、內(nèi)外殼對接處、外殼拉伸處、外殼與加強筋對接處、接口焊接處等應(yīng)力較大或典型位置。將應(yīng)力評定的結(jié)果匯總到表4中。

經(jīng)過以上應(yīng)力分析和評定可知，在載荷方式1時，本特殊結(jié)構(gòu)的容器滿足強度要求。同樣地，根據(jù)以上方法，可以分別對載荷方式2和載荷方式3的應(yīng)力進(jìn)行評定，最終結(jié)論也是合格的，這里不再贅述。

5??? 結(jié)語

作為實現(xiàn)高溫高壓滅菌功能的容器，滅菌器主體結(jié)構(gòu)可以有很多的創(chuàng)新設(shè)計。以往受制于規(guī)則計算方法的限制，并沒有得到最好的解決方案。而采用文中分析計算方法，可對特殊滅菌器主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的分析和校核，確定了其滿足各種工況下的強度要求，可以指導(dǎo)相應(yīng)的產(chǎn)品順利投入使用，更好地推進(jìn)產(chǎn)品的進(jìn)步和升級。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 韓建康，夏萌.基于Ansys的脈動真空滅菌器異形封頭強度分析[J].中國醫(yī)療器械信息，2020，26（19）：28-29.

[2] 壓力容器：GB/T 150—2011[S].

[3] 韓敏.利用ANSYS軟件對壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析[J].煤礦機械，2008（1）：73-74.

[4] 鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：JB 4732—95[S].

[5] 欒春遠(yuǎn).壓力容器全模型ANSYS分析與強度計算新規(guī)范[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

收稿日期：2022-03-28

作者簡介：曾凱（1983—），男，山東淄博人，工程師，研究方向：壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計。