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

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行滅菌,其關(guān)鍵的主體結(jié)構(gòu)是一個壓力容器。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)進行改進時,受限于規(guī)則計算的限制,其結(jié)構(gòu)形式只能在標準涉及范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)中進行選擇,可以選擇的結(jié)構(gòu)形式非常有限。而當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)殼一加強筋(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?，F(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,使用中故障風險也較高。

再次,現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中,外殼外側(cè)均遠離內(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)標準《壓力容器》(GB/T150一2011),基于第一強度理論進行設(shè)計。該設(shè)計方法對于標準中所涵蓋的結(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)力分類方法進行設(shè)計。下文就將基于Ansys對這種新結(jié)構(gòu)壓力容器進行有限元分析計算。

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8mm:夾套殼體材料為s30408,厚度6mm:加強環(huán)材料為s30408,厚度8mm。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660mm×950mm(寬×高),長度1250mm。四角圓角過渡,圓角半徑50mm。

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

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

4結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)力評定

4.1應(yīng)力評定標準

根據(jù)《鋼制壓力容器一分析設(shè)計標準》(JB4732一95)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)力以及組合的當量應(yīng)力進行校核,評定標準如表3所示。

4.2建立模型

采用CRE02.0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。

圖4待分析結(jié)構(gòu)模型

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),薄壁位置劃分為標準六面體結(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。

圖5網(wǎng)格劃分示意圖

4.5分析結(jié)果

根據(jù)前文所述三種載荷方式分別進行分析,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展導(dǎo)致破壞的最危險路徑。

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)力分布為例進行線性化處理。如圖7所示(圖中所標數(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,更好地推進產(chǎn)品的進步和升級。