李秦川 王杰 方夏

摘要：正壓富氧艙是一款面向長(zhǎng)期工作在高原地區(qū)的高原病患者的醫(yī)療保健艙，通過提高艙內(nèi)壓強(qiáng)和氧氣濃度的方式，創(chuàng)造正壓富氧環(huán)境來緩解和治療高原病。但是由于其本身質(zhì)量較大，運(yùn)輸極其不便，高原地區(qū)的施工人員在出現(xiàn)高原病癥之后因?yàn)槿鄙僬龎焊谎跖摱荒芗皶r(shí)緩解癥狀，對(duì)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(yīng)的三維模型，通過ANSYS Workbench軟件運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化法，對(duì)正壓富氧艙的艙體內(nèi)殼、艙體外殼和夾層加強(qiáng)筋三個(gè)主要部分進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最終在最大變形，最大應(yīng)力量允許的變化范圍內(nèi)，保證了其強(qiáng)度、剛度和安全性的同時(shí)，對(duì)正壓富氧艙整體減重了24%，達(dá)到了輕量化的目標(biāo)，為后續(xù)更深入的研究提供了一些理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：正壓富氧艙；拓?fù)鋬?yōu)化；多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化；輕量化

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

Research on Lightweight Design of Hyperbaric Oxygen Enrichment Cabin

LI Qinchuan，WANG Jie，F(xiàn)ANG 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(qū)的自然資源相當(dāng)豐富，清潔能源發(fā)展?jié)摿薮?，有助于推?dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型平穩(wěn)過渡，保障國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了滿足資源開采和發(fā)展需求，許多高海拔變電站和輸送電站正在陸陸續(xù)續(xù)建立起來。但是高海拔地區(qū)具有低壓、低氧、寒冷的氣候特點(diǎn)，輸變電工程的施工及運(yùn)維檢修人員長(zhǎng)期暴露在高原環(huán)境下，常出現(xiàn)如頭痛、呼吸困難、精神不振、睡眠質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響施工、運(yùn)檢人員的生命健康安全[1-2]。醫(yī)學(xué)上發(fā)現(xiàn)，通過高壓氧療法可以有效的治療高原病甚至預(yù)防高原病的發(fā)生[3-4]。高壓氧療法是一種通過讓患者處在高于一個(gè)大氣壓環(huán)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(chuàng)造艙內(nèi)外氣壓差最高不超過0.05 MPa并提供富氧環(huán)境的養(yǎng)生保健艙，在高原病的治療和護(hù)理中起到關(guān)鍵作用，十分適用于長(zhǎng)期處于高海拔地區(qū)工作的輸變電站施工和運(yùn)檢人員?？墒牵捎谡龎焊谎跖撆搩?nèi)氣壓會(huì)高于艙外，艙體需要用抗壓較好的材料建設(shè)，導(dǎo)致整個(gè)艙體的重量較大，并不方便運(yùn)輸。

近些年來不少學(xué)者對(duì)正壓富氧艙的艙內(nèi)系統(tǒng)做了不少研究，張敦曉等[7]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于PID復(fù)合算法的自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高艙內(nèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通用性；王丹娜等[8]設(shè)計(jì)基于ZigBee的艙內(nèi)氧氣濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氧氣濃度自動(dòng)控制，有效精確的控制氧氣濃度值穩(wěn)定的在設(shè)定范圍內(nèi)；劉柱等[9]在正壓富氧艙的控制系統(tǒng)里加入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)WINCC與Matlab數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 氧濃度控制，能準(zhǔn)確控制壓力升降，維持艙內(nèi)目標(biāo)氧氣濃度。但是針對(duì)正壓富氧艙結(jié)構(gòu)上的輕量化設(shè)計(jì)方面，十分少見公開的研究報(bào)道，因此本文針對(duì)正壓富氧艙的整體結(jié)構(gòu)做輕量化設(shè)計(jì)，通過減輕正壓富氧艙的總體質(zhì)量，提高其運(yùn)輸效率，間接的保障高原地區(qū)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用SolidWorks建立其三維模型，在滿足正壓富氧艙所需剛度和強(qiáng)度的前提下，采取拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)參數(shù)法，針對(duì)正壓富氧艙各個(gè)部分進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為該產(chǎn)品的創(chuàng)新迭代提供一些理論依據(jù)。

1 壓富氧艙艙體結(jié)構(gòu)

本文主要針對(duì)某型號(hào)的多人正壓富氧艙進(jìn)行研究，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

產(chǎn)品示意圖如圖1所示，三維簡(jiǎn)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(nèi)殼及夾層中間的加強(qiáng)筋部分。具體三維簡(jiǎn)易圖如圖3所示。

正壓富氧艙在工作時(shí)，艙內(nèi)保持溫度不變的狀態(tài)，且艙內(nèi)會(huì)采用一層保溫材料，盡可能減少艙壁與外界環(huán)境的熱交換作用，因此不考慮鋼板受溫差變化所所產(chǎn)生的熱力學(xué)工況。正壓富氧艙主要工作是提供艙內(nèi)的高壓富氧環(huán)境，達(dá)到治療高原病甚至預(yù)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(qiáng)度，艙體外殼采用的是10 mm厚的鋼板，艙體正常工作時(shí)，艙體主要受到內(nèi)外壓力差的均布載荷，需要鋼板材料具有良好的力學(xué)性質(zhì)，綜合材料力學(xué)性能，最終艙體外殼材料選用Q345，此時(shí)艙體外殼的總質(zhì)量為3.725 t；為保證艙體外殼的結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性，在艙體外殼的內(nèi)壁上焊接T型加強(qiáng)筋，提高艙體的抗變形能力，如圖3所示，沿艙體長(zhǎng)度方向，上下面共設(shè)置了16排加強(qiáng)筋，左右兩面共設(shè)置了14排加強(qiáng)筋，所有的加強(qiáng)筋都焊接起來，形成一個(gè)整體，所有加強(qiáng)筋的材料為Q345，最終艙壁加強(qiáng)筋部分的總質(zhì)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(shí)創(chuàng)造的高壓環(huán)境略顯單薄，為了保障正壓富氧艙的安全性和整體強(qiáng)度，需加裝加強(qiáng)筋鞏固艙體結(jié)構(gòu)，兩部分的加強(qiáng)筋與艙壁加強(qiáng)筋的材料選型相同，為Q345，最終這兩部分加強(qiáng)筋的總質(zhì)量為0.444 t；經(jīng)過了加強(qiáng)筋的加固后，艙體內(nèi)殼的艙體厚度并不需要過厚，本款正壓富氧艙艙體內(nèi)殼采用的是5 mm厚的鋼板，艙體內(nèi)殼的尺寸為2340 mm ?×2180 mm×3840 mm，材料選取Q345，此時(shí)艙體內(nèi)殼的質(zhì)量為1.629 t；除了這三個(gè)主要部分之外，還有艙內(nèi)所有設(shè)備及在滿載情況下4名使用者的總質(zhì)量為0.8 t。正壓富氧艙質(zhì)量及占比如表2所示。

從表2可知，艙體外殼的質(zhì)量占比最大，其次是加強(qiáng)筋，艙體內(nèi)殼的質(zhì)量占比最小，在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先會(huì)著重考慮對(duì)艙體外殼和加強(qiáng)筋部分的優(yōu)化。

2 輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)正壓富氧艙整艙進(jìn)行ANSYS Workbench的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)仿真，材料按上文所述導(dǎo)入，并設(shè)定其中所受的約束有，正壓富氧艙工作時(shí)艙外底面的固定約束、艙內(nèi)底面承載滿載工況時(shí)的4名使用者和設(shè)備的重力7840 N、艙內(nèi)表面受工作時(shí)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(yīng)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(yīng)力為98.791 MPa，滿足材料本身在工程的許用應(yīng)力173.5 MPa，接下來就可以分別對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 艙體內(nèi)殼輕量化分析

由前文可知，當(dāng)前艙體內(nèi)殼采用的是5 mm厚的鋼板，由于艙體內(nèi)殼在整個(gè)正壓富氧艙的最內(nèi)部，當(dāng)艙內(nèi)工作時(shí)，艙體內(nèi)殼的內(nèi)表面會(huì)受到0.05 MPa的壓強(qiáng)差，但是艙體內(nèi)殼的外表面存在加強(qiáng)筋部分的支撐，并不用擔(dān)心內(nèi)殼會(huì)產(chǎn)生較大的變形，所以艙體內(nèi)殼的鋼板厚度成了決定艙體內(nèi)殼所承受變形和等效應(yīng)力的唯一因素，也決定了其最終質(zhì)量的大小?？梢酝ㄟ^減小艙體內(nèi)殼的鋼板厚度，對(duì)比查看其變形和應(yīng)力云圖結(jié)構(gòu)，判斷減小艙體內(nèi)殼鋼板厚度的可行性。將艙體內(nèi)殼的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench里進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，P1為空白參數(shù)，設(shè)定輸出參數(shù)為最大變形（P2）、最大等效應(yīng)力（P3）、艙體內(nèi)殼質(zhì)量（P4）；輸入?yún)?shù)為艙體內(nèi)殼的厚度（P5）。輸出最大－最小參數(shù)圖如圖6所示。

從圖6可知，在艙體內(nèi)殼厚度取2 mm時(shí)不僅質(zhì)量達(dá)到最小，艙體內(nèi)殼所受的最大變形和最大等效應(yīng)力也是最小。當(dāng)建立艙體內(nèi)殼厚度為2 mm的三維模型再帶入整個(gè)正壓富氧艙整體一起分析時(shí)，等效應(yīng)力和變形云圖如圖7、圖8所示。

發(fā)現(xiàn)雖然正壓富氧艙所受整體的變形變化不大，但是在艙體內(nèi)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(jīng)過分析，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因在于，對(duì)艙體內(nèi)殼單獨(dú)分析時(shí)，艙體內(nèi)殼的外壁整個(gè)表面采用的固定約束，如圖9所示?？蓪?shí)際情況為只有外壁與加強(qiáng)筋接觸部分才是固定約束；當(dāng)導(dǎo)入整體模型進(jìn)入分析時(shí)，ANSYS軟件的“connections”模塊會(huì)幫助定義艙體內(nèi)殼只有和加強(qiáng)筋的接觸面積為固定約束，如圖10所示，計(jì)算結(jié)果也會(huì)更加準(zhǔn)確。

既然單獨(dú)對(duì)艙體內(nèi)殼的分析不夠準(zhǔn)確，就將艙體內(nèi)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(shí)際的強(qiáng)度，選擇4 mm厚的艙體內(nèi)殼。原因?yàn)殡m然3 mm厚的艙體外殼在整體分析時(shí)整體變形的表現(xiàn)上只有0.22 mm左右的增大，但是在等效應(yīng)力方面的增加達(dá)到32 MPa左右；而4 mm厚的艙體內(nèi)殼，在變形的表現(xiàn)上為0.1 mm的增大，等效應(yīng)力方面的增加為4 MPa左右，兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化都相對(duì)穩(wěn)定，兩者相比之下4 mm厚的整體表現(xiàn)優(yōu)于3 mm厚的整體表現(xiàn)，最終選擇艙體內(nèi)殼的鋼板厚度為4 mm，質(zhì)量下降0.325 t。

2.2 加強(qiáng)筋部分輕量化分析

加強(qiáng)筋共分為艙壁加強(qiáng)筋、艙門加強(qiáng)筋和艙背加強(qiáng)筋三個(gè)部分，其中艙壁加強(qiáng)筋的質(zhì)量占比是三者中最大的，以艙壁加強(qiáng)筋為例，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，設(shè)定艙壁加強(qiáng)筋的表面為固定約束，艙壁加強(qiáng)筋的內(nèi)表面會(huì)受到0.05 MPa的壓強(qiáng)差，且內(nèi)表面的底面會(huì)受到

艙體內(nèi)殼、設(shè)備和滿載人數(shù)的總重力23 804 N。艙壁加強(qiáng)筋的變形和等效應(yīng)力云圖如圖11、圖12所示。

從圖11、圖12可以分析出，由于加強(qiáng)筋處于艙體內(nèi)殼和艙體外殼的夾層之中，所以加強(qiáng)筋在受力時(shí)的最大變形和最大等效應(yīng)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(qiáng)度和抗變形能力。

以質(zhì)量為拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)，對(duì)艙壁加強(qiáng)筋進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，得出拓?fù)鋬?yōu)化后的拓?fù)涿芏葓D像如圖13、圖14所示。

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化分析后，艙壁加強(qiáng)筋的一些部分由于在正壓富氧艙工作時(shí)受到影響很小，所以拓?fù)鋬?yōu)化通過“掏”的辦法把總質(zhì)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?fù)鋬?yōu)化后艙壁加強(qiáng)筋的變形和等效應(yīng)力云圖如圖15、圖16所示。

拓?fù)鋬?yōu)化后的變形最大值為0.036131 mm，最大等效應(yīng)力為26.779 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的工程許用應(yīng)力172.5 MPa，是滿足要求的。

對(duì)艙門和艙背部的加強(qiáng)筋采用相同的方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析得到結(jié)果如表4所示。從表4可知，在加強(qiáng)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(zhì)量占整個(gè)正壓富氧艙質(zhì)量的比重最大，由于整個(gè)艙體外殼的尺寸已經(jīng)固定，殼體厚度就成了決定其整體強(qiáng)度的決定因素，當(dāng)然也決定了其整體質(zhì)量，目前選用的殼體厚度為10 mm。在分析正壓富氧艙艙體內(nèi)殼時(shí)，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)分析夾層式的某一層殼體時(shí)，由于夾層加強(qiáng)筋的存在，會(huì)導(dǎo)致分析的結(jié)果并不準(zhǔn)確，所以采用分析艙體內(nèi)殼時(shí)的設(shè)置目標(biāo)參數(shù)法，將艙體外殼的厚度分別設(shè)定為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm，并帶入優(yōu)化后的艙體內(nèi)殼和拓樸優(yōu)化處理的加強(qiáng)筋層芯，將整體模型帶入ANSYS Workbench中進(jìn)行仿真運(yùn)算如表5所示。

從表5可知，在最初艙體外殼厚度降低時(shí)，整體受到的最大變形和最大等效應(yīng)力會(huì)有一個(gè)明顯得增加，但是當(dāng)降低到一定程度后，最大變形得變化減小，最大等效應(yīng)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(huì)成倍增加，也就意味著當(dāng)艙體外殼的厚度減小時(shí)，加強(qiáng)筋的作用會(huì)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(fā)現(xiàn)7 mm厚的艙體外殼厚度表現(xiàn)最優(yōu)，此時(shí)整體正壓富氧艙的最大變形為1.371 mm，受到的最大等效應(yīng)力為114.6 MPa，艙體外殼的質(zhì)量為2.631 t，減重1.094 t。

2.4 輕量化前后對(duì)比

對(duì)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(yīng)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(yīng)力為 ?114.6 MPa，均在允許的變化范圍之內(nèi)，如表6所示。

輕量化前后變形云圖和等效應(yīng)力云圖對(duì)比如圖17、圖18所示。

3 結(jié)論

采取拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的方法，對(duì)某款正壓富氧艙進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證了其整個(gè)艙體最大變形和最大等效應(yīng)力變化幅度在允許范圍的前提下，使得優(yōu)化后的質(zhì)量相比之前減小了24%，通過仿真分析，驗(yàn)證了多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化在正壓富氧艙系列艙體輕量化設(shè)計(jì)的可能性，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)。

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