醫用空氣加壓氧艙強度分析和優化設計

胡晏銘

（云南省特種設備安全檢測研究院，云南昆明 650228）

0 引言

作為用于臨床醫療的載人壓力容器，醫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，被廣泛用于缺氧性疾病的臨床治療，目前已經成為醫療領域的重要設備之一。醫用氧艙可以進行加壓吸氧治療，且設備體積較大，對于多人同時治療適用性較高[1]。但是如果設備在設計制造方面存在一定缺陷，就極易造成醫療事故，產生不可避免的人員傷亡。由于醫用氧艙的設備安全性日益凸顯，進行氧艙強度指標優化設計至關重要。本文將運用壓力容器分析設計法[2]，對比分析氧艙艙體優化前后的應力強度，保證氧艙設備的運行安全可靠性。

1 醫用氧艙應力強度模擬

1.1 基礎參數

以某醫用氧艙為例，設備材料性能如下：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；設計壓力為0.3 MPa，溫度為50 ℃，焊接接頭系數為1.0，空氣作為主要介質。

1.2 氧艙建模

由于氧艙的設備結構比較復雜，經有限元分析能夠獲得整體的結構應力分布，對應力極值點定量分析，整個建模與實際相貼合，可以優化整體結構。主要采用Solid186 實體單元劃分網格，該氧艙被3 個平板封頭劃分為過渡艙、治療艙，兩個艙體之間經封頭通道門相連，關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，均為焊接結構并在完成焊接后100%無損檢測。

1.3 模擬工況

醫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3 種不同工況下的應力分布狀態。因此，需要分別對不同工況進行單獨的強度分析。

2 模擬結果

2.1 應力強度評定及優化

2.1.1 工況1

根據計算發現，工況1 條件下氧艙的應力分布情況，全艙加壓條件下均衡分布艙體應力強度，在中間封頭區域因為所受雙側均衡壓力影響，強度值明顯較小，雙側封頭及側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。為了對醫用氧艙的不同結構強度進行全面考察，參照相關標準完成艙體強度線性優化路徑及評定結果，在工況1 的載荷作應力條件下，醫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構，艙體的封頭板較薄，導致大開孔艙門的附近結構強度作用力有所欠缺，選擇對艙門框的四角部位假設筋板。這一優化方法因為薄平板封頭的剛度整體不大，那么一旦承受內壓就會產生較大變形量，如果過度加強門框作應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要求[4]。

2.1.2 工況2

從工況2 條件下的氧艙應力強度具體分布情況發現，加壓部位在過渡艙情況時主要的應力強度分布區域集中在過渡艙，治療艙區域所受應力水平整體不高（圖1）。艙體的最大應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化[5]。參照相關標準完成艙體強度線性優化路徑及評定結果，在工況2 的載荷作應力條件下，醫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

根據工況3 條件下的氧艙應力強度具體分布情況，對治療艙施加應力載荷時，治療艙作為主要應力分布區域，過渡艙在這種工況下的應力強度分布水平較低。艙體的最大應力載荷出現的最高峰值，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化的重點[6]。作為本次線性優化部位，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。

根據上述氧艙應力強度優化評定結果，經線性優化評定應力強度結果均符合規定，滿足JB 4732—2005《鋼制壓力容器分析設計標準》相關應力載荷要求[7]。證明此氧艙結構已經基本上符合強度驗證，可以良好運行。

2.2 優化對比厚平板封頭氧艙

厚平板封頭氧艙結構同樣由3 個平板封頭劃分為兩部分，分別為過渡艙、治療艙，但是本次優化設計氧艙結構與其的區別關鍵是，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為本次優化的厚平板封頭氧艙在工況1 的應力分布圖，根據圖示以右封頭連接艙體底板部位，作為應力強度的峰值部位，在最嚴苛的工況1 條件下對比兩個氧艙不同結構部位的應力強度（表1）。

表1 在工況1 條件下兩種氧艙的強度優化對比

圖2 工況1 的厚平板封頭氧艙應力分布

經過對比發現，更厚的封頭板使封頭一次總體薄膜應力明顯下降，而殼體、底板兩部位的應力水平相差不大，基本上達到一致的應力強度分布，但厚平板封頭氧艙的應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域剛度明顯增加，導致底板連接封頭區域約束力較強，不連續處出現更大應力值。同時，因為產生較大的局部剛度，無法獲取理想的應力分布效果，這十分不利于降低氧艙的應力強度峰值。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，因此本次優化薄平板封頭氧艙的經濟適用性較好。

3 結論

通過本次對醫用空氣加壓氧艙進行線性優化設計，薄平板封頭的氧艙應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力極值同樣較大，因此應當重視上述部位的優化設計。將本次設計薄平板與厚平板進行對比，線性結果基本上在技術許可范圍內，經實際驗證氧艙運行程度良好，這也證實了本次氧艙優化設計的可行性。