特殊容器結構設計及其基于Ansys的有限元分析

曾凱 傅佩順 李曉明

摘 要：壓力容器結構的改進能帶動產品進步，而結構的改進需要結合設計的優化和分析方法的進步。采用創新的思路設計了一種全新的滅菌器主體結構，并對其進行了結構分析，指出了一種主體結構的發展方向，結合Ansys軟件說明了應對此類特殊結構容器的分析計算方法，并驗證了其結構強度滿足設計要求。

關鍵詞：壓力容器;主體結構;Ansys軟件;強度

中圖分類號：TH49? 文獻標志碼：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、醫療衛生、實驗動物等領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、感染控制等行業中實現無菌保障的關鍵設備。該設備的原理是通過高溫高壓的蒸汽對物料進行滅菌，其關鍵的主體結構是一個壓力容器[1]。為滿足功能要求，該壓力容器需要在殼體外設計一個承壓的夾套來實現保溫，主要結構包括殼體、夾套殼體和加強筋等。

這種帶夾套的組合容器結構決定了該容器在設計時需要綜合考量加強筋結構與夾套殼體的關系。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構或者加強筋結構的一部分。為改善設備的性能，以往需要對設備的主體結構進行改進時，受限于規則計算的限制，其結構形式只能在標準涉及范圍內的結構中進行選擇[2]，可以選擇的結構形式非常有限。而當引入分析計算的方法時，則容器結構的計算不再受到既定形式的限制，可以根據需要設計更具特色、性能更優的容器結構，從而設計出更先進的滅菌器產品。

1??? 結構說明

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

現有的容器雖然結構簡單、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，滅菌器主體結構中，夾套的一個主要作用是為滅菌內室提供保溫。其最理想的狀態是消耗最少的能源的同時覆蓋最全的內殼面積。現有的結構形式下，由于加強筋結構既要考慮強度因素，又要組成夾套結構，所以往往造成夾套對內殼的包覆是不連續的，保溫效果不理想，導致滅菌器性能降低。

其次，作為壓力容器，為滿足強度要求，滅菌器主體加強筋結構要求比較高、結構尺寸較大，因而占用空間也很大。目前的結構形式是直接由加強筋結構組成夾套，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，由于加強筋內部承壓，加強筋結構要額外滿足承壓殼體的要求，因而夾套結構也相對復雜、加工難度較高，使用中故障風險也較高。

再次，現有結構中，外殼外側均遠離內殼，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。

常用主體結構的夾套形式如圖2所示，夾套間斷覆蓋在容器殼體外部。

基于以上問題，設計團隊開發了一套新的主體結構形式：塞焊外殼外加強結構滅菌器主體。該滅菌器加工了特殊結構的外殼，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，成型后內殼、外殼之間將形成一個狹小空間，即作為滅菌器的夾套。內殼、外殼組合成一個整體，而加強筋結構附加到外殼外部，不再作為承壓的殼體。內殼、外殼之間的夾套空間較常用結構減小約80%，結構非常緊湊。新結構的主體結構夾套容積小、成型簡單，對內殼的包覆和支撐性能好，節能環保、安全可靠，保溫性和外加保溫層后實現的隔熱效果優異。該主體結構及夾套形式如圖3所示。

2??? 分析依據

壓力容器規則設計的方法為依據標準《壓力容器》（GB/T 150—2011），基于第一強度理論進行設計[3]。該設計方法對于標準中所涵蓋的結構形式的容器比較適合，但上述新結構的容器因為采用了異形結構的夾套設計，所以規則設計的方法難以適用。

對于這種結構形式復雜、受力情況難以簡單分析的情況，更適合采用分析設計方法。分析設計方法建立在數值分析方法、彈塑性力學等理論基礎上，采用應力分類方法進行設計。下文就將基于Ansys對這種新結構壓力容器進行有限元分析計算。

3??? 設計要素

3.1??? 設計條件

根據本容器的工作要求選擇設計條件，如表1所示。

3.2??? 材料選擇

內殼材質為S31603，壁厚8 mm;夾套殼體材料為S30408，厚度6 mm;加強環材料為S30408，厚度8 mm。

計算中涉及的材料性能參數如表2所示。

3.3??? 設計參數

內殼基本規格：矩形結構，截面內尺寸660 mm×950 mm（寬×高），長度1 250 mm。四角圓角過渡，圓角半徑50 mm。

夾套殼體規格：矩形結構，截面內尺寸676 mm×966 mm（寬×高），長度991 mm。拉伸孔內孔徑120 mm，拉伸深度10 mm。

加強環規格：槽鋼形式，截面內尺寸100 mm×80 mm（寬×高），數量為4組，相鄰加強環間距270 mm。

4??? 結構分析及應力評定

4.1??? 應力評定標準

根據《鋼制壓力容器——分析設計標準》（JB 4732—95）的要求，需要將結構危險點按一次總體薄膜應力Pm、一次局部薄膜應力PL、一次彎曲應力Pb、二次應力Q等不同類的應力以及組合的當量應力進行校核[4]，評定標準如表3所示。

4.2??? 建立模型

采用CREO2.0建立主體結構三維模型，因主體結構為對稱形式，則取模型的1/8進行分析即可，待分析模型如圖4所示。待分析的結構有三個對稱平面，在其對稱面設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??? 載荷設置

根據組合體內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：內殼正壓;

載荷方式2：內殼正壓+夾套正壓;

載荷方式3：內殼負壓+夾套正壓。

4.4??? 網格劃分

整個設備主要為薄壁結構，薄壁位置劃分為標準六面體結構單元，其余部位采用自適應結構單元，組合體網格模型如圖5所示。

4.5??? 分析結果

根據前文所述三種載荷方式分別進行分析，得到應力分布云圖，如圖6所示。由應力云圖可見，本主體結構的應力較大點分布在外殼與內殼對接處、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，在結構對接處存在各個結構的變形協調，從而容易形成應力疊加的情況。

4.6??? 應力評定

為評定主體結構應力狀況，將主體結構各危險點處的應力進行線性化處理，在選擇應力線性化路徑時，須經過評定區域應力強度值最大的位置和各個典型結構位置。最短應力線性化路徑，可作為應力線性化路徑的最佳選擇，該路徑可以理解為裂紋擴展導致破壞的最危險路徑[5]。

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

經過以上應力分析和評定可知，在載荷方式1時，本特殊結構的容器滿足強度要求。同樣地，根據以上方法，可以分別對載荷方式2和載荷方式3的應力進行評定，最終結論也是合格的，這里不再贅述。

5??? 結語

作為實現高溫高壓滅菌功能的容器，滅菌器主體結構可以有很多的創新設計。以往受制于規則計算方法的限制，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構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，可以指導相應的產品順利投入使用，更好地推進產品的進步和升級。

[參考文獻]

[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軟件對壓力容器進行應力分析[J].煤礦機械，2008（1）：73-74.

[4] 鋼制壓力容器——分析設計標準：JB 4732—95[S].

[5] 欒春遠.壓力容器全模型ANSYS分析與強度計算新規范[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：壓力容器結構設計。