正壓富氧艙輕量化設計研究

李秦川 王杰 方夏

摘要：正壓富氧艙是一款面向長期工作在高原地區的高原病患者的醫療保健艙，通過提高艙內壓強和氧氣濃度的方式，創造正壓富氧環境來緩解和治療高原病。但是由于其本身質量較大，運輸極其不便，高原地區的施工人員在出現高原病癥之后因為缺少正壓富氧艙而不能及時緩解癥狀，對他們的人身健康造成影響。本文以多人正壓富氧艙為研究主體，在SolidWorks軟件中建立相應的三維模型，通過ANSYS Workbench軟件運用拓撲優化和多目標參數優化法，對正壓富氧艙的艙體內殼、艙體外殼和夾層加強筋三個主要部分進行輕量化設計，最終在最大變形，最大應力量允許的變化范圍內，保證了其強度、剛度和安全性的同時，對正壓富氧艙整體減重了24%，達到了輕量化的目標，為后續更深入的研究提供了一些理論依據。

關鍵詞：正壓富氧艙；拓撲優化；多目標參數優化；輕量化

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.06.004文章編號：1006-0316 （2023） 06-0023-08

Research on Lightweight Design of Hyperbaric Oxygen Enrichment Cabin

LI Qinchuan，WANG Jie，FANG Xia

（ School of Mechanical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China ）

Abstract：Hyperbaric oxygen enrichment cabin is a medical care cabin for the patients with ?altitude sickness who works in the plateau areas for a long time. By increasing the pressure and oxygen concentration in the cabin， a hyperbaric oxygen enriched environment is created to alleviate and treat the altitude sickness. However， due to the large mass of the cabin and the inconvenience in transportation， the symptoms of the workers in the plateau areas cannot be relieved in time due to the lack of the hyperbaric oxygen enrichment cabin， which would further do harm to their health. In this article， the multi-person hyperbaric oxygen enrichment ?cabin is taken as the research subject， and the corresponding three-dimensional model is established through the SolidWorks software. And through the ANSYS Workbench software， the topology optimization method and parameter optimization method are adopted to reduce the weight of the inner and outer shell and the sandwich reinforcement of the cabin that serves as the main parts within the scope of the maximum resilience and the allowable stress while ensuring its strength， stiffness and safety， and the weight of the entire cabin is reduced by 24%， which achieves the goal of lightweight and provides some theoretical basis for subsequent in-depth research.

Key words：hyperbaric oxygen enrichment cabin；topology optimization；multi-objective parameter optimization；lightweight

高原地區的自然資源相當豐富，清潔能源發展潛力巨大，有助于推動能源低碳轉型平穩過渡，保障國家能源安全和經濟發展。為了滿足資源開采和發展需求，許多高海拔變電站和輸送電站正在陸陸續續建立起來。但是高海拔地區具有低壓、低氧、寒冷的氣候特點，輸變電工程的施工及運維檢修人員長期暴露在高原環境下，常出現如頭痛、呼吸困難、精神不振、睡眠質量不高、記憶力減退等一系列外在不適癥狀，且面臨急、慢性高原病以及心腦血管事件增加的風險，嚴重影響施工、運檢人員的生命健康安全[1-2]。醫學上發現，通過高壓氧療法可以有效的治療高原病甚至預防高原病的發生[3-4]。高壓氧療法是一種通過讓患者處在高于一個大氣壓環境下吸入高濃度氧氣的治療方法[5-6]。正壓富氧艙是一種通過三通閥創造艙內外氣壓差最高不超過0.05 MPa并提供富氧環境的養生保健艙，在高原病的治療和護理中起到關鍵作用，十分適用于長期處于高海拔地區工作的輸變電站施工和運檢人員。可是，由于正壓富氧艙艙內氣壓會高于艙外，艙體需要用抗壓較好的材料建設，導致整個艙體的重量較大，并不方便運輸。

近些年來不少學者對正壓富氧艙的艙內系統做了不少研究，張敦曉等[7]設計并實現一套基于PID復合算法的自動控制系統，提高艙內自動控制系統的穩定性和通用性；王丹娜等[8]設計基于ZigBee的艙內氧氣濃度自動控制系統，實現了氧氣濃度自動控制，有效精確的控制氧氣濃度值穩定的在設定范圍內；劉柱等[9]在正壓富氧艙的控制系統里加入BP神經網絡，通過OPC技術實現WINCC與Matlab數據交換，實現BP神經網絡 PID 氧濃度控制，能準確控制壓力升降，維持艙內目標氧氣濃度。但是針對正壓富氧艙結構上的輕量化設計方面，十分少見公開的研究報道，因此本文針對正壓富氧艙的整體結構做輕量化設計，通過減輕正壓富氧艙的總體質量，提高其運輸效率，間接的保障高原地區長期工作的輸變電站人員的健康安全。

本研究涉及某款多人正壓富氧艙的一種輕量化結構設計，利用SolidWorks建立其三維模型，在滿足正壓富氧艙所需剛度和強度的前提下，采取拓撲優化和多目標參數法，針對正壓富氧艙各個部分進行輕量化結構設計，為該產品的創新迭代提供一些理論依據。

1 壓富氧艙艙體結構

本文主要針對某型號的多人正壓富氧艙進行研究，主要技術參數如表1所示。

產品示意圖如圖1所示，三維簡易模型如圖2所示。

正壓富氧艙體最主要由三部分組成：艙體外殼、艙體內殼及夾層中間的加強筋部分。具體三維簡易圖如圖3所示。

正壓富氧艙在工作時，艙內保持溫度不變的狀態，且艙內會采用一層保溫材料，盡可能減少艙壁與外界環境的熱交換作用，因此不考慮鋼板受溫差變化所所產生的熱力學工況。正壓富氧艙主要工作是提供艙內的高壓富氧環境，達到治療高原病甚至預防高原病的效果。

正壓富氧艙艙體外殼的尺寸為2500 mm×2340 mm×4000 mm，為保證艙體的整體強度，艙體外殼采用的是10 mm厚的鋼板，艙體正常工作時，艙體主要受到內外壓力差的均布載荷，需要鋼板材料具有良好的力學性質，綜合材料力學性能，最終艙體外殼材料選用Q345，此時艙體外殼的總質量為3.725 t；為保證艙體外殼的結構可靠性和穩定性，在艙體外殼的內壁上焊接T型加強筋，提高艙體的抗變形能力，如圖3所示，沿艙體長度方向，上下面共設置了16排加強筋，左右兩面共設置了14排加強筋，所有的加強筋都焊接起來，形成一個整體，所有加強筋的材料為Q345，最終艙壁加強筋部分的總質量為2.061 t；艙門部分和艙背部分只靠艙體外殼抵抗正壓富氧艙工作時創造的高壓環境略顯單薄，為了保障正壓富氧艙的安全性和整體強度，需加裝加強筋鞏固艙體結構，兩部分的加強筋與艙壁加強筋的材料選型相同，為Q345，最終這兩部分加強筋的總質量為0.444 t；經過了加強筋的加固后，艙體內殼的艙體厚度并不需要過厚，本款正壓富氧艙艙體內殼采用的是5 mm厚的鋼板，艙體內殼的尺寸為2340 mm ?×2180 mm×3840 mm，材料選取Q345，此時艙體內殼的質量為1.629 t；除了這三個主要部分之外，還有艙內所有設備及在滿載情況下4名使用者的總質量為0.8 t。正壓富氧艙質量及占比如表2所示。

從表2可知，艙體外殼的質量占比最大，其次是加強筋，艙體內殼的質量占比最小，在進行輕量化設計時，優先會著重考慮對艙體外殼和加強筋部分的優化。

2 輕量化設計

對正壓富氧艙整艙進行ANSYS Workbench的靜力學結構仿真，材料按上文所述導入，并設定其中所受的約束有，正壓富氧艙工作時艙外底面的固定約束、艙內底面承載滿載工況時的4名使用者和設備的重力7840 N、艙內表面受工作時和艙形成的最大氣壓差0.05 MPa。可以得到正壓富氧艙整體的變形云圖和等效應力云圖如圖4、圖5所示。

從圖4和圖5可知，正壓富氧艙受到的最大變形為1.0728 mm，從艙壁中心逐漸朝四周遞減；受到的最大等效應力為98.791 MPa，滿足材料本身在工程的許用應力173.5 MPa，接下來就可以分別對各個部分進行輕量化設計。

2.1 艙體內殼輕量化分析

由前文可知，當前艙體內殼采用的是5 mm厚的鋼板，由于艙體內殼在整個正壓富氧艙的最內部，當艙內工作時，艙體內殼的內表面會受到0.05 MPa的壓強差，但是艙體內殼的外表面存在加強筋部分的支撐，并不用擔心內殼會產生較大的變形，所以艙體內殼的鋼板厚度成了決定艙體內殼所承受變形和等效應力的唯一因素，也決定了其最終質量的大小。可以通過減小艙體內殼的鋼板厚度，對比查看其變形和應力云圖結構，判斷減小艙體內殼鋼板厚度的可行性。將艙體內殼的三維模型導入ANSYS Workbench里進行多目標參數優化，P1為空白參數，設定輸出參數為最大變形（P2）、最大等效應力（P3）、艙體內殼質量（P4）；輸入參數為艙體內殼的厚度（P5）。輸出最大－最小參數圖如圖6所示。

從圖6可知，在艙體內殼厚度取2 mm時不僅質量達到最小，艙體內殼所受的最大變形和最大等效應力也是最小。當建立艙體內殼厚度為2 mm的三維模型再帶入整個正壓富氧艙整體一起分析時，等效應力和變形云圖如圖7、圖8所示。

發現雖然正壓富氧艙所受整體的變形變化不大，但是在艙體內殼的背面部分變形幅度很大，而且正壓富氧艙整體所受的變形漲幅過大。經過分析，出現這個現象的原因在于，對艙體內殼單獨分析時，艙體內殼的外壁整個表面采用的固定約束，如圖9所示。可實際情況為只有外壁與加強筋接觸部分才是固定約束；當導入整體模型進入分析時，ANSYS軟件的“connections”模塊會幫助定義艙體內殼只有和加強筋的接觸面積為固定約束，如圖10所示，計算結果也會更加準確。

既然單獨對艙體內殼的分析不夠準確，就將艙體內殼的厚度分別為4 mm、3 mm、2 mm建模，再帶入整體正壓富氧艙一起分析，如表3所示。

通過以上分析，可以直接排除厚度2 mm的方案，但是在3 mm和4 mm的抉擇中，為了保證實際的強度，選擇4 mm厚的艙體內殼。原因為雖然3 mm厚的艙體外殼在整體分析時整體變形的表現上只有0.22 mm左右的增大，但是在等效應力方面的增加達到32 MPa左右；而4 mm厚的艙體內殼，在變形的表現上為0.1 mm的增大，等效應力方面的增加為4 MPa左右，兩個關鍵參數的變化都相對穩定，兩者相比之下4 mm厚的整體表現優于3 mm厚的整體表現，最終選擇艙體內殼的鋼板厚度為4 mm，質量下降0.325 t。

2.2 加強筋部分輕量化分析

加強筋共分為艙壁加強筋、艙門加強筋和艙背加強筋三個部分，其中艙壁加強筋的質量占比是三者中最大的，以艙壁加強筋為例，將模型導入ANSYS Workbench中，設定艙壁加強筋的表面為固定約束，艙壁加強筋的內表面會受到0.05 MPa的壓強差，且內表面的底面會受到

艙體內殼、設備和滿載人數的總重力23 804 N。艙壁加強筋的變形和等效應力云圖如圖11、圖12所示。

從圖11、圖12可以分析出，由于加強筋處于艙體內殼和艙體外殼的夾層之中，所以加強筋在受力時的最大變形和最大等效應力都較小，不僅很好的連接兩層艙殼，也很好的支撐兩層艙殼，保證了正壓富氧艙整體的強度和抗變形能力。

以質量為拓撲優化的目標，對艙壁加強筋進行拓撲優化分析，得出拓撲優化后的拓撲密度圖像如圖13、圖14所示。

經過拓撲優化分析后，艙壁加強筋的一些部分由于在正壓富氧艙工作時受到影響很小，所以拓撲優化通過“掏”的辦法把總質量從2.061 t減小至1.667 t，減重0.394 t，減重占比19.08%。可以得到拓撲優化后艙壁加強筋的變形和等效應力云圖如圖15、圖16所示。

拓撲優化后的變形最大值為0.036131 mm，最大等效應力為26.779 MPa，遠遠小于材料的工程許用應力172.5 MPa，是滿足要求的。

對艙門和艙背部的加強筋采用相同的方法進行拓撲優化分析得到結果如表4所示。從表4可知，在加強筋部分總減重為0.48 t。

2.3 艙體外殼輕量化分析

艙體外殼質量占整個正壓富氧艙質量的比重最大，由于整個艙體外殼的尺寸已經固定，殼體厚度就成了決定其整體強度的決定因素，當然也決定了其整體質量，目前選用的殼體厚度為10 mm。在分析正壓富氧艙艙體內殼時，發現單獨分析夾層式的某一層殼體時，由于夾層加強筋的存在，會導致分析的結果并不準確，所以采用分析艙體內殼時的設置目標參數法，將艙體外殼的厚度分別設定為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm，并帶入優化后的艙體內殼和拓樸優化處理的加強筋層芯，將整體模型帶入ANSYS Workbench中進行仿真運算如表5所示。

從表5可知，在最初艙體外殼厚度降低時，整體受到的最大變形和最大等效應力會有一個明顯得增加，但是當降低到一定程度后，最大變形得變化減小，最大等效應力反倒是降低的，楊坤等[10]的研究指出，隨著表層剛度的降低，加筋芯層提供的剛度會成倍增加，也就意味著當艙體外殼的厚度減小時，加強筋的作用會明顯的提升，并幫助艙體外殼維持原來的剛度，但是并沒有辦法完全保持不變。最終發現7 mm厚的艙體外殼厚度表現最優，此時整體正壓富氧艙的最大變形為1.371 mm，受到的最大等效應力為114.6 MPa，艙體外殼的質量為2.631 t，減重1.094 t。

2.4 輕量化前后對比

對此正壓富氧艙輕量化前，其總重為7.859 t，整體受到得最大變形為1.0728 mm，受到的最大等效應力為98.791 MPa。在輕量化后，其總重為5.96 t，減重占比為24.25%，整體受到的最大變形為1.317 mm，受到的最大等效應力為 ?114.6 MPa，均在允許的變化范圍之內，如表6所示。

輕量化前后變形云圖和等效應力云圖對比如圖17、圖18所示。

3 結論

采取拓撲優化和多目標參數優化的方法，對某款正壓富氧艙進行輕量化設計，在保證了其整個艙體最大變形和最大等效應力變化幅度在允許范圍的前提下，使得優化后的質量相比之前減小了24%，通過仿真分析，驗證了多目標參數優化和拓撲優化在正壓富氧艙系列艙體輕量化設計的可能性，為后續的研究提供理論基礎。

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