医用高压氧舱矩形大开孔三维有限元计算和强度评定

　　1　引言

　　医用高压氧舱是用于高压氧治疗的载人压力容器,它是医疗行业中的关键设备之一,广泛应用于临床内科、外科等各科缺血性缺氧性等病症。因其治疗时人员进出的需要,在封头和中间球壁上要开设矩形大开孔,目前国内外对这种开孔结构尚无统一的设计方法。本文采用三维有限元法对该结构进行了强度计算,求得了应力分布图和最大应力部位,为此类结构的安全服役提供了足够的依据。

　　2　有限元模型及计算

　　2·1　高压氧舱的结构及几何尺寸

　　高压氧舱由筒体、封头、矩形门、接管及中间壁等部分组成,其结构及详细的尺寸分别见图1和表1所示。

　　2·2　材料及其特性

　　该结构所用的材料通常有两种16MnR和Q235-A,在设计温度下的性能参数为:E=2·06×105MPa,μ=0·3,许用应力强度分别为170 MPa和113MPa。

　　2·3　有限元分析模型、单元及网格划分

　　本文所用的有限元分析软件ANSYS是压力容器标准化委员会推荐使用的分析设计软件。高压氧舱的结构与载荷具有一个通过其轴线的垂直对称面,另外,这一结构由于自重和支座反力引起的弯曲应力与由于内压而引起的应力相比,可忽略不计,可以近似地认为结构和载荷是对称的,即认为本结构还有一个通过轴线的水平对称面。因此取氧舱的1/4结构进行分析。同时两端封头的应力分布一致,只取一端进行分析。为了减少单元总数,在此基础上又将这1/4结构分成两个有限元模型来分析。采用三维十节点四面体实体单元(SOLID92)进行网格划分。两个模型的网格图分别见图2、3,单元数分别为21167、39863。

　　2·4　载荷及边界条件

　　对于模型1,由于模型的对称性,在对称面上的法向方向上的位移为零,接管上端面为自由端。内表面均布内压0·33 MPa;对于模型2,由于中间球壁受外压时比内压时危险,因此在这里只考虑受外压时的工况(即图1中右舱有内压0·33 MPa,而左舱内为大气压的工况)。同样,由于对称性,在对称面及筒体下端面上的法向方向的位移为零。中间球壁上端的内表面为内压0·33 MPa,筒体上端沿筒体轴向(Y向)的均布应力为18·07 MPa。

　　2·5　计算结果

　　图4和图6分别为模型1和2的应力强度分布图。从图中可以看出,最大应力强度发生在矩形门长边的中心部位,如图5、7所示的A、B处(沿壁厚方向,其中椭圆区域为放大后),该处的应力集中是明显的,因此很有必要对该处的应力分布作进一步的分析研究。图8~9为路径A、B的应力强度分布曲线。表2为按JB4732分析设计标准,采用线法评定[2],用有限元分析法所得的各类应力强度的数值。