直壓式超高壓處理設備承力框架優化

呂洪波，謝東偉，賈 鵬

（1.北方工業大學，北京 100144；2.北京鉑鑫森淼超高壓醫療設備有限公司，北京 100176）

0 引言

超高靜水壓用于生物處理的研究方興未艾[1～6]，促進了相應技術及應用的發展，對設備的研制也提出了各種需求。超高壓生物處理設備的基本原理如圖1所示——將物料置于超高壓容器內，并施以100MPa以上的壓力。根據施加壓力的柱塞是否直接作用于超高壓容器，可把超高壓生物處理設備分成兩類，一類叫直壓式超高壓生物處理設備[7]，或者一體化超高壓生物處理設備[8]（如圖1(b)所示）；另一類為間接加壓式[7]（如圖1(c)所示）。

直壓式超高壓設備由于增壓器柱塞同時也是超高壓容器的密封堵頭，所以設備不需要額外的增壓器、超高壓管路、超高壓單向閥和超高壓泄壓閥等，設備可靠性高，便于維護。并且，直壓式超高壓設備的密封和加壓過程都由柱塞完成，易于實現自動化。另一方面，考慮到水在超高壓下的壓縮（每100MPa壓縮約3%）以及直壓式設備只能單行程增壓，一般而言直壓式超高壓處理設備的有效處理容量不宜超過10升。所以，直壓式結構適用于較小容量的超高壓設備，特別適用于對可靠性要求高、缺乏維護能力的用戶，比如各種食品、生物或醫療等實驗室，以及處理物料量不大的場合，比如醫用或消費類食品滅菌用戶。

圖1 超高壓處理原理及基本結構[7]

但是，直壓式超高壓設備的加壓柱塞必須在承力框架內上下移動來完成密封和加壓過程；同時，考慮到水壓縮量、物料含氣量和操作空間等因素，直壓式設備的承力框架比間接加壓式的尺寸更大。目前，直壓式設備的承力框架往往借鑒自工業用液壓機，而工業用液壓機對重量和體積通常不敏感。所以，直壓式超高壓處理設備通常相對笨重、粗大，具有進一步優化的空間。而從超高壓生物處理設備的用戶需求的角度，例如實驗室、醫用或消費類終端應用，這些用戶一般希望設備做得輕便、緊湊。而不少用戶的設備使用場地位于樓上，設備必須經由電梯上樓，這也對設備重量提出要求。基于這些需求，本文以某型號超高壓設備的承力框架為對象，應用有限分析方法，探討直壓式超高壓生物處理設備的承力框架優化的途徑，包括輕量化和體積縮減兩方面。

1 承力框架有限元分析

原有直壓式超高壓設備的承力框架三維圖如圖2所示，主要包括上橫梁、下橫梁、左側板和右側板四部分，由板材焊接而成。該承力框架面向400MPa額定壓力、超高壓容器開口直徑為70mm2的超高壓處理設備所設計，其關鍵參數參如表1所示。

1.1 承力框架有限元仿真

本文的有限元仿真軟件使用的是ANSYS Workbench。考慮到超高壓處理的加載過程，使用的工具箱為Transient Structural Toolbox。框架原用材料為Q345，材料性能參數如表1所示。

1.1.1 邊界條件及載荷

對于直壓式超高壓處理設備，超高壓容器內的液壓力分別通過柱塞和超高壓容器底部作用于上臺面和下臺面，所以該承力框架的主要受力為垂直作用于上下橫梁臺面上的一對力，這兩個力的大小相等、方向相反。進行有限元仿真時，可近似設為圖3所示的兩個載荷，即同一條直線上方向相反的兩個力，大小約為1.5×106N，并假設這兩個載荷均勻作用于上下臺面。框架重力約4.1×103N，遠小于承力載荷1.5×106N，在仿真中忽略不計。而內部載荷為一對方向相反、大小相等的力，所以邊界條件是否加約束不會影響結果，本文選擇了不加約束。

設備低壓液壓動力源為柱塞液壓泵，經增壓后，超高壓容器0～400MPa的增壓時間約為15秒，所以可假設載荷為連續均勻加載，即框架載荷在0～15s內，均勻地從0～1.5×106N變化，載荷的增加函數為直線。

1.1.2 網格劃分

考慮到承力框架為左右、上下對稱的結構，采取相應的對稱網格劃分方法，最終，網格數為73177個，共338573個節點。

圖2 原有承力框架三維模型

圖3 承力框架受力

表1 原有承力框架參數

1.1.3 應力、變形仿真

有限元仿真的應力和變形結果如圖4所示，圖4的左圖為等效應力結果，右圖為應變結果。

圖4 有限元仿真的應力和應變結果

從應力結果可以看出，最大的應力出現在上下橫梁與左右側板的內部連接處，應力值約為221.45MPa。在仿真模型中此處為不帶過渡的“尖直角”，所以該應力值為尖角形成的應力集中。在實際生產中，該處連接為焊接，為避免應力集中造成從焊接處斷裂，可采取以下措施：1）開坡口和堆焊相結合，焊縫打磨形成一定過渡角；2）提高焊縫韌性[9,10]；3）承力框架焊接完后，整體回火消除焊接應力。上下橫梁除了該連接區域外，其他區域的應力值都比較小。最小的應力出現在上橫梁頂部中間和下橫梁底部中間部位。而另一個應力較大的區域為左右側板中間部分，應力約為110MPa。不考慮前述尖角形成的最大應力，以側板應力值來估計，當Q345的屈服強度取值335MPa時（如表1所示），框架的安全系數約為3。

對于變形，變形量最大的區域出現在上下橫梁的中軸平面附近，變形量約為0.36mm。而變形量最小的區域為左右側板中間部分。

所以，承力框架的重量、體積優化要解決的主要矛盾有兩個，一是優化與側板強度間的矛盾，二是優化與橫梁剛度間的矛盾。

1.2 重量減輕途徑和仿真結果

根據應力、變形仿真結果分析得到的兩個主要矛盾，輕量化可從側板強度和橫梁剛度兩個角度來考慮。

首先，對于承力框架側板輕量化，可使用強度更高的板材、減小板厚。比如采用Q460代替Q345，在保持安全系數不變的情況，重量可減輕20%以上。

對于上下橫梁，強度不是主要矛盾，關鍵是變形引起的破壞。考慮到承力框架橫梁的內部結構原來為一橫兩縱（圖5的左圖），為增加橫梁剛度、減少橫梁的變形量，可以修改為兩橫一縱（圖5的右圖），修改后的仿真結果參如圖6所示，最大變形量減少約8%。由于橫梁的強度足夠，而Q345的韌性較好（夏比V型口沖擊功大于34J，斷面收縮率大于20%，屈強比小于0.73），可考慮把橫梁板厚縮小20%左右。

圖5 橫梁的水平截面圖（左：修改前；右：修改后）

圖6 橫梁內部結構修改后的仿真結果

綜合考慮側板和橫梁的重量減小結果，整個承力框架重量可減少20%左右。

1.3 體積縮減途徑與仿真結果

直壓式超高壓處理設備承力框架內部空間的大小，一般與超高壓容器、超高壓堵頭、加壓柱塞、低壓缸和操作空間大小等相關，這些與設備額定工作壓力和有效容積等用戶需求相關，所以本文討論的承力框架的體積縮減以框架內部空間大小一定為前提。基于該前提，承力框架體積縮減只能從左右側板厚度和上下橫梁高度這兩個方向考慮。

側板厚度的減小與上一小節重量減小相對應。而對于上下橫梁的高度，根據應力、應變的分析結果，上下橫梁中部為最大變形量區域，保證剛度是橫梁需要首先考慮的問題，而降低上下橫梁的高度會減少橫梁剛度，所以通過這個途徑減小體積的裕量較小。

本文認為較好的方法是減小側板筋板的寬度（參見圖5左圖）。對側板筋寬取不同的縮減量，進行有限元仿真，得到的仿真結果參如表2所示，單邊縮減量為50mm時的有限元仿真結果如圖7所示。從表2可以看出，側板筋寬的縮小會增大變形量，但變形量增加不大，在可以接受的范圍內。隨著側板筋寬的縮小，最大應力增加較快，但是，與前面分析相同，該最大應力均出現在側板與橫梁焊接處，可通過1.1.3小節所討論的方法進行處理。

綜上所述，縮減筋板寬度是縮減受力框架體積的有效途徑。

表2 框架優化仿真結果對比

圖7 體積縮減后的仿真結果

2 結論

直壓式超高壓處理設備主框架的有限元仿真結果表明，在優化設計中，主框架左右側板需要著重考慮強度問題，而對于上下橫梁，剛度則是主要矛盾。所以，在主框架重量減小和體積縮減中，都需要從這兩個主要矛盾著手。

對于承力框架的輕量化，有兩個可行途徑，一是用更高強度的低合金結構鋼（比如Q460）代替原主框架側板材料Q345；另一途徑，對于上下橫梁，可考慮內部結構的改進，提高剛度，同時縮減橫梁板厚。通過這兩個途徑，本文所優化的承力框架可有效減輕重量20%左右。

對于體積縮減，減少側板的筋板寬度是可行方案。對于本文中的具體例子，當側板筋寬單邊減少50mm時，設備的主框架體積可減少約18.7%。

無論是輕量化或體積縮減，都需要充分考慮如果避免側板與橫梁間焊接處的破壞，避免措施包括：1）開坡口焊和堆焊相結合，焊縫打磨形成一定過渡角；2）提高焊縫韌性；3）承力框架焊接完后，整體回火消除焊接應力。