胡晏銘

（云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，云南昆明 650228）

0 引言

作為用于臨床醫(yī)療的載人壓力容器，醫(yī)用氧艙主要通過空氣、氧氣、混合氣體等可呼吸氣體作為壓力介質(zhì)，被廣泛用于缺氧性疾病的臨床治療，目前已經(jīng)成為醫(yī)療領(lǐng)域的重要設(shè)備之一。醫(yī)用氧艙可以進行加壓吸氧治療，且設(shè)備體積較大，對于多人同時治療適用性較高[1]。但是如果設(shè)備在設(shè)計制造方面存在一定缺陷，就極易造成醫(yī)療事故，產(chǎn)生不可避免的人員傷亡。由于醫(yī)用氧艙的設(shè)備安全性日益凸顯，進行氧艙強度指標優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。本文將運用壓力容器分析設(shè)計法[2]，對比分析氧艙艙體優(yōu)化前后的應(yīng)力強度，保證氧艙設(shè)備的運行安全可靠性。

1 醫(yī)用氧艙應(yīng)力強度模擬

1.1 基礎(chǔ)參數(shù)

以某醫(yī)用氧艙為例，設(shè)備材料性能如下：艙體外徑3220 mm、長10 000 mm，封頭所用平板厚30 mm、筒體厚12 mm；筒體與封頭均采用Q345R 材料；設(shè)計壓力為0.3 MPa，溫度為50 ℃，焊接接頭系數(shù)為1.0，空氣作為主要介質(zhì)。

1.2 氧艙建模

由于氧艙的設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，經(jīng)有限元分析能夠獲得整體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，對應(yīng)力極值點定量分析，整個建模與實際相貼合，可以優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)。主要采用Solid186 實體單元劃分網(wǎng)格，該氧艙被3 個平板封頭劃分為過渡艙、治療艙，兩個艙體之間經(jīng)封頭通道門相連，關(guān)閉艙門之后形成兩個獨立存在的封閉空間[3]。氧艙的底部材料主要為支撐筋，平板封頭采用加強筋，均為焊接結(jié)構(gòu)并在完成焊接后100%無損檢測。

1.3 模擬工況

醫(yī)用氧艙正常工作時主要有3 種工況，分別為全艙加壓、過渡艙加壓治療艙不加壓、過渡艙不加壓治療艙加壓，對應(yīng)3 種不同工況下的應(yīng)力分布狀態(tài)。因此，需要分別對不同工況進行單獨的強度分析。

2 模擬結(jié)果

2.1 應(yīng)力強度評定及優(yōu)化

2.1.1 工況1

根據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，工況1 條件下氧艙的應(yīng)力分布情況，全艙加壓條件下均衡分布艙體應(yīng)力強度，在中間封頭區(qū)域因為所受雙側(cè)均衡壓力影響，強度值明顯較小，雙側(cè)封頭及側(cè)門部位的強度值明顯較大，艙體達到最大強度值所在位置處于封頭加強筋板及艙體底板連接部位。為了對醫(yī)用氧艙的不同結(jié)構(gòu)強度進行全面考察，參照相關(guān)標準完成艙體強度線性優(yōu)化路徑及評定結(jié)果，在工況1 的載荷作應(yīng)力條件下，醫(yī)用氧艙的全部考核點均合格。需要重視加強筋板、底板二者之間連接處作應(yīng)力，以及右封頭門框與加強筋版的連接處。因為所用薄平板封頭加強筋結(jié)構(gòu)，艙體的封頭板較薄，導(dǎo)致大開孔艙門的附近結(jié)構(gòu)強度作用力有所欠缺，選擇對艙門框的四角部位假設(shè)筋板。這一優(yōu)化方法因為薄平板封頭的剛度整體不大，那么一旦承受內(nèi)壓就會產(chǎn)生較大變形量，如果過度加強門框作應(yīng)力就會加大門框附近的剛度、增加不必要的約束，門框與加強筋板的連接部位也會集中作應(yīng)力。最終確定門框加強筋板達到500 mm×500 mm，即可滿足門框剛強度技術(shù)要求[4]。

2.1.2 工況2

從工況2 條件下的氧艙應(yīng)力強度具體分布情況發(fā)現(xiàn)，加壓部位在過渡艙情況時主要的應(yīng)力強度分布區(qū)域集中在過渡艙，治療艙區(qū)域所受應(yīng)力水平整體不高（圖1）。艙體的最大應(yīng)力強度達到的最高峰值所處部位，集中在艙體中間封頭的加強筋版連接艙體的底板。最終確定，氧艙的中間封頭門框和加強筋板連接部位以及連接殼體部位、還有連接底板部位進行線性優(yōu)化[5]。參照相關(guān)標準完成艙體強度線性優(yōu)化路徑及評定結(jié)果，在工況2 的載荷作應(yīng)力條件下，醫(yī)用氧艙的全部考核點均合格。

圖1 工況2 過渡艙加壓強度分布情況

2.1.3 工況3

根據(jù)工況3 條件下的氧艙應(yīng)力強度具體分布情況，對治療艙施加應(yīng)力載荷時，治療艙作為主要應(yīng)力分布區(qū)域，過渡艙在這種工況下的應(yīng)力強度分布水平較低。艙體的最大應(yīng)力載荷出現(xiàn)的最高峰值，主要集中在右封頭加強筋板連接艙體底板兩個部位。考慮到極值集中位置一致于所處工況1 條件下的最大極值，再加上小于工況1 時的強度極值，反映出在工況3 條件下中間封頭作為本次強度優(yōu)化的重點[6]。作為本次線性優(yōu)化部位，集中在加強筋版連接封頭部位、氧艙中間封頭門框連接加強筋板以及連接殼體與封頭。

根據(jù)上述氧艙應(yīng)力強度優(yōu)化評定結(jié)果，經(jīng)線性優(yōu)化評定應(yīng)力強度結(jié)果均符合規(guī)定，滿足JB 4732—2005《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》相關(guān)應(yīng)力載荷要求[7]。證明此氧艙結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本上符合強度驗證，可以良好運行。

2.2 優(yōu)化對比厚平板封頭氧艙

厚平板封頭氧艙結(jié)構(gòu)同樣由3 個平板封頭劃分為兩部分，分別為過渡艙、治療艙，但是本次優(yōu)化設(shè)計氧艙結(jié)構(gòu)與其的區(qū)別關(guān)鍵是，薄板封頭艙體由一整塊120 mm 厚鋼板所制、整體剛度較好。圖2為本次優(yōu)化的厚平板封頭氧艙在工況1 的應(yīng)力分布圖，根據(jù)圖示以右封頭連接艙體底板部位，作為應(yīng)力強度的峰值部位，在最嚴苛的工況1 條件下對比兩個氧艙不同結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力強度（表1）。

表1 在工況1 條件下兩種氧艙的強度優(yōu)化對比

圖2 工況1 的厚平板封頭氧艙應(yīng)力分布

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，更厚的封頭板使封頭一次總體薄膜應(yīng)力明顯下降，而殼體、底板兩部位的應(yīng)力水平相差不大，基本上達到一致的應(yīng)力強度分布，但厚平板封頭氧艙的應(yīng)力強度極值明顯大于薄平板。針對這一情況，認為可能是封頭板的厚度增加造成局部區(qū)域剛度明顯增加，導(dǎo)致底板連接封頭區(qū)域約束力較強，不連續(xù)處出現(xiàn)更大應(yīng)力值。同時，因為產(chǎn)生較大的局部剛度，無法獲取理想的應(yīng)力分布效果，這十分不利于降低氧艙的應(yīng)力強度峰值。另外，厚平板氧艙的重量較薄平板高出5 t 左右，但兩者的總強度值基本相近，因此本次優(yōu)化薄平板封頭氧艙的經(jīng)濟適用性較好。

3 結(jié)論

通過本次對醫(yī)用空氣加壓氧艙進行線性優(yōu)化設(shè)計，薄平板封頭的氧艙應(yīng)力強度極值集中在封頭加強筋連接底板部位，封頭門框、加強筋板連接兩個部位應(yīng)力極值同樣較大，因此應(yīng)當重視上述部位的優(yōu)化設(shè)計。將本次設(shè)計薄平板與厚平板進行對比，線性結(jié)果基本上在技術(shù)許可范圍內(nèi)，經(jīng)實際驗證氧艙運行程度良好，這也證實了本次氧艙優(yōu)化設(shè)計的可行性。