凹坑缺陷醫用氧氣瓶應力分布特性研究

譚 凱，胡革春，李昌勝，徐 義 ，楊 拓，何夢瑩,2

(1.湖北特種設備檢驗檢測研究院， 湖北 武漢 430077；2.國家工業數字成像無損檢測設備質量監督檢驗中心， 湖北 武漢 430077)

在新冠疫情全球橫行的今天，氧氣作為呼吸機、ECOMO等醫療設備的主要氣源，其日常用量急劇增加。氧氣瓶的安全穩定供應對儀器正常運行、病人救治質量具有至關重要的作用[1]。醫用氧氣瓶、氧艙等壓力容器的安全穩定運行是氧氣正常供應的關鍵環節[2-3]，在疫情爆發時期，有效地監測氧氣瓶的安全狀況、保障氧氣安全供應[4]，對于有效救治新冠肺炎病人具有重要意義。

氣瓶在制造和使用過程中，由于制造工藝、工況的變化以及外部因素的作用使材料的力學性能退化，出現泄露、腐蝕減薄、局部幾何變形、瓶體裂紋等不同形式的缺陷。氧氣瓶的主要的失效形式包括：泄露、腐蝕減薄、局部幾何變形及瓶體裂紋。不同失效形式使氧氣瓶的壓力、溫度及應力應變物理參數不同。同時，不同缺陷的產生形式和缺陷產生的變化規律的差異。瓶體表面裂紋是氣瓶最常見的缺陷之一，一般對此缺陷采用打磨成一定弧度的凹坑缺陷來評定。本文對一定尺寸的凹坑缺陷和正常氣瓶的應力分布進行數值模擬，得到了應力集中區域和具體值，對氣瓶的安全使用提供了一定的理論指導。

1 物理模型

建立如圖1所示的物理模型，氣瓶材料為37Mn，氣瓶的公稱容積為10 L，外徑152 mm，高度850 mm，額定壓力15 MPa，瓶體設計厚度為4 mm。氣瓶為凹形底，在原有正常氧氣瓶幾何模型的瓶身處通過旋轉切除，得到一個長軸40 mm、短軸20 mm、深2 mm的橢球面凹坑缺陷，將此簡化模型作為有凹坑缺陷的氧氣瓶的仿真計算模型，如圖1所示。

圖1 氧氣瓶仿真計算模型

氣瓶的材料特性見表1。為提高計算機的運算效率，減少該模型的單元數和節點數，需要對幾何模型進行有效的網格劃分。對于完整氣瓶本研究采用四面體網格劃分方法，網格大小為50 mm，共3 054個單元數和6 125個節點數。對于凹坑缺陷氣瓶，由于凹坑缺陷氣瓶在凹坑處存在狹小的幾何單元，因此，在凹坑處需要細分網格。模型整體選用50 mm大小的四面體網格，而在瓶身與凹坑的過渡位置選擇0.5 mm大小的四面體網格。氣瓶網格如圖2所示。

表1 材料特性參數

圖2 氣瓶網格

2 模擬結果分析

圖3為正常狀態下氧氣瓶工作的仿真結果。圖3(a)、圖3(b)分別顯示了在15 MPa的工作應力作用下氧氣瓶的應力云圖和應變云圖。

圖3 正常狀態下氧氣瓶工作仿真結果

從結果可以看出，在額定壓力下最大應力約287 MPa，出現在氧氣瓶瓶身處，最小應力約8.5 MPa，出現在瓶口與瓶底處。氧氣瓶瓶身的應變分布均勻，最大應變在瓶身底部約0.016，最小應變約0.001 8，出現在瓶底。此結果是正常氧氣瓶在15 MPa工作壓力下的常規應力應變分布。通過設置不同壓力載荷數值，進行不同壓力下氧氣瓶應力應變數值模擬。設置初始步長為15，最小步長為10，最大步長為15，將15 MPa的恒定壓力設置為1～15 MPa，遞進壓力間隔1 MPa，共計15個壓力的模擬仿真情況。使用Matlab軟件分析處理仿真數據結果，擬合數據得到不同壓力下正常氧氣瓶的應力/應變場數值曲線如圖4所示。

圖4 最大應力處應力與應變隨著氣瓶充裝壓力的變化關系

缺陷對于氣瓶的應力分布影響很大，不同缺陷類型會表現出不同的應力分布特性。對凹坑缺陷氣瓶進行應力分布模擬結果如圖5所示與正常工作的氧氣瓶類似，有凹坑的氧氣瓶為整體封閉結構，瓶內氧氣不存在流入流出等流體問題，整個研究對象仍使用靜力學模塊來計算。

圖5 凹坑缺陷氣瓶模擬結果

與理論分析一致，最大應力處出現在缺陷附近，主要是由于缺陷附近容易導致應力集中。模擬結果顯示有凹坑的氧氣瓶的最大應力約935.25 MPa、最大應變0.045，遠遠超過了氣瓶的許用應力。均出現在凹坑變形處。和正常氧氣瓶仿真結果相比，此時氧氣瓶的最大應力和最大應變位置均發生改變，結果數值增加。不同壓力下凹坑缺陷處應力/應變場數值模擬曲線如圖6所示。

圖6 最大應力處應力與應變隨著氣瓶充裝壓力的變化關系

3 結 論

本文對完整氣瓶和凹坑缺陷氣瓶的應力分布進行了數值模擬，氣瓶凹坑缺陷對氣瓶額定載荷下的應力分布及應力強度具有重要影響。在計算的凹坑尺寸情況下，最大應力顯著增大遠遠超過了37Mn的材料許用應力。