特殊容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物等領(lǐng)域廣泛使用一種通過(guò)高溫高壓蒸汽進(jìn)行無(wú)菌處理的滅菌器,它是生物安全、感染控制等行業(yè)中實(shí)現(xiàn)無(wú)菌保障的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備的原理是通過(guò)高溫高壓的蒸汽對(duì)物料進(jìn)行滅菌,其關(guān)鍵的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(jì)一個(gè)承壓的夾套來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫,主要結(jié)構(gòu)包括殼體、夾套殼體和加強(qiáng)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(jì)時(shí)需要綜合考量加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)與夾套殼體的關(guān)系。因?yàn)閵A套本身位于殼體外部,與加強(qiáng)筋的位置一致,通常夾套殼體的組成部分同時(shí)也是容器的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)或者加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的一部分。為改善設(shè)備的性能,以往需要對(duì)設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí),受限于規(guī)則計(jì)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,可以選擇的結(jié)構(gòu)形式非常有限。而當(dāng)引入分析計(jì)算的方法時(shí),則容器結(jié)構(gòu)的計(jì)算不再受到既定形式的限制,可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)更具特色、性能更優(yōu)的容器結(jié)構(gòu),從而設(shè)計(jì)出更先進(jìn)的滅菌器產(chǎn)品。

1結(jié)構(gòu)說(shuō)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(qiáng)筋(外殼)形式,內(nèi)殼外覆加強(qiáng)筋,該加強(qiáng)筋同時(shí)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(jiǎn)單、使用廣泛,但其存在的一些固有問(wèn)題一直沒(méi)有得到解決:

首先,滅菌器主體結(jié)構(gòu)中,夾套的一個(gè)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(shí)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(qiáng)筋結(jié)構(gòu)既要考慮強(qiáng)度因素,又要組成夾套結(jié)構(gòu),所以往往造成夾套對(duì)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(qiáng)度要求,滅菌器主體加強(qiáng)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(qiáng)筋結(jié)構(gòu)組成夾套,這樣勢(shì)必造成夾套容積的放大。在實(shí)際滅菌器使用中,夾套只起到輔助作用,其過(guò)大的空間無(wú)任何實(shí)際作用,反而造成極大的能源浪費(fèi)。同時(shí),由于加強(qiáng)筋內(nèi)部承壓,加強(qiáng)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(duì)復(fù)雜、加工難度較高,使用中故障風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(wèn)題,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套新的主體結(jié)構(gòu)形式:塞焊外殼外加強(qiáng)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(kāi)拉伸孔作為塞焊孔,通過(guò)該塞焊孔可以直接將滅菌器內(nèi)殼、外殼固定到一起。因?yàn)橥鈿ど系娜缚诪槔炜?成型后內(nèi)殼、外殼之間將形成一個(gè)狹小空間,即作為滅菌器的夾套。內(nèi)殼、外殼組合成一個(gè)整體,而加強(qiáng)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(jiǎn)單,對(duì)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(shí)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(jì)的方法為依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器》(GB/T150一2011),基于第一強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法對(duì)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?yàn)椴捎昧水愋谓Y(jié)構(gòu)的夾套設(shè)計(jì),所以規(guī)則設(shè)計(jì)的方法難以適用。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、受力情況難以簡(jiǎn)單分析的情況,更適合采用分析設(shè)計(jì)方法。分析設(shè)計(jì)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(jì)。下文就將基于Ansys對(duì)這種新結(jié)構(gòu)壓力容器進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

3設(shè)計(jì)要素

3.1設(shè)計(jì)條件

根據(jù)本容器的工作要求選擇設(shè)計(jì)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(qiáng)環(huán)材料為s30408,厚度8mm。計(jì)算中涉及的材料性能參數(shù)如表2所示。

3.3設(shè)計(jì)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(zhǎng)度1250mm。四角圓角過(guò)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(zhǎng)度991mm。拉伸孔內(nèi)孔徑120mm,拉伸深度10mm。

加強(qiáng)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(qiáng)環(huán)間距270mm。

4結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)力評(píng)定

4.1應(yīng)力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JB4732一95)的要求,需要將結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)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,評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(gè)對(duì)稱平面,在其對(duì)稱面設(shè)置對(duì)稱并施加無(wú)摩擦約束,以限制其在對(duì)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(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(gè)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。

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(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(jiàn),本主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大點(diǎn)分布在外殼與內(nèi)殼對(duì)接處、外殼與加強(qiáng)筋對(duì)接處及加強(qiáng)筋的圓角處。分析原因?yàn)楦鱾€(gè)受力件受力后,在結(jié)構(gòu)對(duì)接處存在各個(gè)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(píng)定

為評(píng)定主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況,將主體結(jié)構(gòu)各危險(xiǎn)點(diǎn)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(shí),須經(jīng)過(guò)評(píng)定區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度值最大的位置和各個(gè)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(xiǎn)路徑。

通過(guò)應(yīng)力云圖可知,載荷方式1內(nèi)殼正壓時(shí),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(hào)),在載荷方式1的容器結(jié)構(gòu)上,共選取了36條線性化評(píng)定路徑,其包括對(duì)稱平面處、內(nèi)殼折彎處、內(nèi)外殼對(duì)接處、外殼拉伸處、外殼與加強(qiáng)筋對(duì)接處、接口焊接處等應(yīng)力較大或典型位置。將應(yīng)力評(píng)定的結(jié)果匯總到表4中。

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

5結(jié)語(yǔ)

作為實(shí)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(jì)。以往受制于規(guī)則計(jì)算方法的限制,并沒(méi)有得到最好的解決方案。而采用文中分析計(jì)算方法,可對(duì)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(qiáng)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(jí)。