矩形蒸汽灭菌器强度数值模拟与试验研究

　　所谓灭菌是指将微生物,包括病原微生物、细菌芽胞等全部杀死或清除的过程[1]。目前主要的几种灭菌技术为:压力蒸汽灭菌、干热灭菌、等离子体灭菌、环氧乙烷灭菌和甲醛灭菌等[2]。在上述灭菌技术中,压力蒸汽灭菌具有下列优点[3]:灭菌可靠、效果好、时间短,在133℃时,5 min即可杀灭所有微生物;蒸汽生产成本低,获取方法简单;适应性广泛,一般可用于器械、织物、液体、食品的消毒;无污染,对操作人员和环境没有影响;能量利用率高。

　　以蒸汽为介质的灭菌器在各种灭菌设备中占有主导地位。根据灭菌器内冷空气的排放方式不同,压力蒸汽灭菌器分为下排气式和真空式两种。下排气式灭菌器是利用重力自然置换将冷空气从下排气孔排除,但难以彻底排尽,常存有死腔、死角,妨碍了蒸汽的穿透性,影响灭菌效果。相比,真空式灭菌器则利用负压强行排出冷空气,使蒸汽能迅速穿透物品内部,灭菌彻底,工作效率高,便于自动运行,已逐渐取代下排气式灭菌器,成为主导设备[4]。

　　目前,真空灭菌器主要有圆形和矩形两大类。尽管圆形容器制造简单、用材少、强度高,但矩形容器因内部可利用空间大、占据空间小,在医用压力蒸汽灭菌器中占更大比例。单层矩形蒸汽灭菌器是一种外加强带圆角的矩形截面容器,加强筋设置在容器外表面宽度方向上,且垂直于容器轴线的平面内,同平面的加强筋连成一圈。

　　GB 150—1998中明确规定了几种适用的容器截面形式,但对于加强筋连成一圈的带圆角矩形截面容器的应力计算没有作出规定,同时单层矩形蒸汽灭菌器又尚未建立相关行业标准,因此必须进行受力分析。考虑到采用解析方法进行应力求解比较困难,本文通过数值和试验的方法对这种特殊结构容器进行受力分析,获得内压载荷下容器各部分的应力分布,为指导和规范灭菌器设计制造提供理论参考。

　　1　灭菌器结构和有限元建模

　　1·1　灭菌器结构

　　单层矩形蒸汽灭菌器的结构如图1所示,该结构主要由筒体、门框和大门组成。其中筒体由不锈钢矩形薄板经折弯后焊接而成,折弯处为圆角区,其他部分经焊接组装完成,门框和大门之间通过侧齿接触,采用耐热硅橡胶圈密封。在筒体和大门外表面设置U型加强筋,同时为保证门框和筒体的连接安全,在门框与附近加强筋之间设置多块加强板。

　　灭菌器结构筒体部分长为1500 mm,宽762 mm,高1062 mm,名义壁厚6 mm;门框座高1250 mm,宽980 mm,厚度25 mm,门框两边分布着15个侧齿牙,齿宽33 mm,齿厚18 mm;大门高1118 mm,宽848mm,中间厚度为10 mm,两侧厚度为18 mm,门体侧齿与门框侧齿一致;筒体部分U型加强筋截面长90mm,高40 mm,厚度8 mm,大门部分U型加强筋截面长130 mm,高65 mm,厚度10 mm。设计参数和条件如表1所示。