特殊容器结构设计及其基于Ansys的有限元分析

引言

制药工程、生物工程、医疗卫生、实验动物等领域广泛使用一种通过高温高压蒸汽进行无菌处理的灭菌器,它是生物安全、感染控制等行业中实现无菌保障的关键设备。该设备的原理是通过高温高压的蒸汽对物料进行灭菌,其关键的主体结构是一个压力容器。为满足功能要求,该压力容器需要在壳体外设计一个承压的夹套来实现保温,主要结构包括壳体、夹套壳体和加强筋等。

这种带夹套的组合容器结构决定了该容器在设计时需要综合考量加强筋结构与夹套壳体的关系。因为夹套本身位于壳体外部,与加强筋的位置一致,通常夹套壳体的组成部分同时也是容器的加强筋结构或者加强筋结构的一部分。为改善设备的性能,以往需要对设备的主体结构进行改进时,受限于规则计算的限制,其结构形式只能在标准涉及范围内的结构中进行选择,可以选择的结构形式非常有限。而当引入分析计算的方法时,则容器结构的计算不再受到既定形式的限制,可以根据需要设计更具特色、性能更优的容器结构,从而设计出更先进的灭菌器产品。

1结构说明

目前矩形截面灭菌器常用压力容器的主体结构为内壳一加强筋(外壳)形式,内壳外覆加强筋,该加强筋同时作为外壳与内壳组成夹套结构。灭菌器常用主体结构如图1所示。

现有的容器虽然结构简单、使用广泛,但其存在的一些固有问题一直没有得到解决:

首先,灭菌器主体结构中,夹套的一个主要作用是为灭菌内室提供保温。其最理想的状态是消耗最少的能源的同时覆盖最全的内壳面积。现有的结构形式下,由于加强筋结构既要考虑强度因素,又要组成夹套结构,所以往往造成夹套对内壳的包覆是不连续的,保温效果不理想,导致灭菌器性能降低。

其次,作为压力容器,为满足强度要求,灭菌器主体加强筋结构要求比较高、结构尺寸较大,因而占用空间也很大。目前的结构形式是直接由加强筋结构组成夹套,这样势必造成夹套容积的放大。在实际灭菌器使用中,夹套只起到辅助作用,其过大的空间无任何实际作用,反而造成极大的能源浪费。同时,由于加强筋内部承压,加强筋结构要额外满足承压壳体的要求,因而夹套结构也相对复杂、加工难度较高,使用中故障风险也较高。

再次,现有结构中,外壳外侧均远离内壳,在外部包覆保温层时受空间限制,保温层厚度往往较薄,保温效果不佳,造成设备表面温度较高,既增加能耗,又降低使用安全性。

常用主体结构的夹套形式如图2所示,夹套间断覆盖在容器壳体外部。

基于以上问题,设计团队开发了一套新的主体结构形式:塞焊外壳外加强结构灭菌器主体。该灭菌器加工了特殊结构的外壳,外壳开拉伸孔作为塞焊孔,通过该塞焊孔可以直接将灭菌器内壳、外壳固定到一起。因为外壳上的塞焊孔为拉伸孔,成型后内壳、外壳之间将形成一个狭小空间,即作为灭菌器的夹套。内壳、外壳组合成一个整体,而加强筋结构附加到外壳外部,不再作为承压的壳体。内壳、外壳之间的夹套空间较常用结构减小约80%,结构非常紧凑。新结构的主体结构夹套容积小、成型简单,对内壳的包覆和支撑性能好,节能环保、安全可靠,保温性和外加保温层后实现的隔热效果优异。该主体结构及夹套形式如图3所示。

2分析依据

压力容器规则设计的方法为依据标准《压力容器》(GB/T150一2011),基于第一强度理论进行设计。该设计方法对于标准中所涵盖的结构形式的容器比较适合,但上述新结构的容器因为采用了异形结构的夹套设计,所以规则设计的方法难以适用。对于这种结构形式复杂、受力情况难以简单分析的情况,更适合采用分析设计方法。分析设计方法建立在数值分析方法、弹塑性力学等理论基础上,采用应力分类方法进行设计。下文就将基于Ansys对这种新结构压力容器进行有限元分析计算。

3设计要素

3.1设计条件

根据本容器的工作要求选择设计条件,如表1所示。

3.2材料选择

内壳材质为s31603,壁厚8mm:夹套壳体材料为s30408,厚度6mm:加强环材料为s30408,厚度8mm。计算中涉及的材料性能参数如表2所示。

3.3设计参数

内壳基本规格:矩形结构,截面内尺寸660mm×950mm(宽×高),长度1250mm。四角圆角过渡,圆角半径50mm。

夹套壳体规格:矩形结构,截面内尺寸676mm×966mm(宽×高),长度991mm。拉伸孔内孔径120mm,拉伸深度10mm。

加强环规格:槽钢形式,截面内尺寸100mm×80mm(宽×高),数量为4组,相邻加强环间距270mm。

4结构分析及应力评定

4.1应力评定标准

根据《钢制压力容器一分析设计标准》(JB4732一95)的要求,需要将结构危险点按一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb、二次应力Q等不同类的应力以及组合的当量应力进行校核,评定标准如表3所示。

4.2建立模型

采用CRE02.0建立主体结构三维模型,因主体结构为对称形式,则取模型的1/8进行分析即可,待分析模型如图4所示。待分析的结构有三个对称平面,在其对称面设置对称并施加无摩擦约束,以限制其在对称方向的位移,其余各部件间采用绑定接触。

图4待分析结构模型

4.3载荷设置

根据组合体内室和夹套各自的承压情况进行分析,其存在三种载荷情况,分别如下:

载荷方式1:内壳正压:

载荷方式2:内壳正压+夹套正压:

载荷方式3:内壳负压+夹套正压。

4.4网格划分

整个设备主要为薄壁结构,薄壁位置划分为标准六面体结构单元,其余部位采用自适应结构单元,组合体网格模型如图5所示。

图5网格划分示意图

4.5分析结果

根据前文所述三种载荷方式分别进行分析,得到应力分布云图,如图6所示。由应力云图可见,本主体结构的应力较大点分布在外壳与内壳对接处、外壳与加强筋对接处及加强筋的圆角处。分析原因为各个受力件受力后,在结构对接处存在各个结构的变形协调,从而容易形成应力叠加的情况。

4.6应力评定

为评定主体结构应力状况,将主体结构各危险点处的应力进行线性化处理,在选择应力线性化路径时,须经过评定区域应力强度值最大的位置和各个典型结构位置。最短应力线性化路径,可作为应力线性化路径的最佳选择,该路径可以理解为裂纹扩展导致破坏的最危险路径。

通过应力云图可知,载荷方式1内壳正压时,主体结构承受的应力峰值最大,下文将以载荷方式1的应力分布为例进行线性化处理。如图7所示(图中所标数字为线性化路径编号),在载荷方式1的容器结构上,共选取了36条线性化评定路径,其包括对称平面处、内壳折弯处、内外壳对接处、外壳拉伸处、外壳与加强筋对接处、接口焊接处等应力较大或典型位置。将应力评定的结果汇总到表4中。

经过以上应力分析和评定可知,在载荷方式1时,本特殊结构的容器满足强度要求。同样地,根据以上方法,可以分别对载荷方式2和载荷方式3的应力进行评定,最终结论也是合格的,这里不再赘述。

5结语

作为实现高温高压灭菌功能的容器,灭菌器主体结构可以有很多的创新设计。以往受制于规则计算方法的限制,并没有得到最好的解决方案。而采用文中分析计算方法,可对特殊灭菌器主体结构进行有效的分析和校核,确定了其满足各种工况下的强度要求,可以指导相应的产品顺利投入使用,更好地推进产品的进步和升级。