医用空气加压氧舱强度分析和优化设计

胡晏铭

（云南省特种设备安全检测研究院，云南昆明 650228）

0 引言

作为用于临床医疗的载人压力容器，医用氧舱主要通过空气、氧气、混合气体等可呼吸气体作为压力介质，被广泛用于缺氧性疾病的临床治疗，目前已经成为医疗领域的重要设备之一。医用氧舱可以进行加压吸氧治疗，且设备体积较大，对于多人同时治疗适用性较高[1]。但是如果设备在设计制造方面存在一定缺陷，就极易造成医疗事故，产生不可避免的人员伤亡。由于医用氧舱的设备安全性日益凸显，进行氧舱强度指标优化设计至关重要。本文将运用压力容器分析设计法[2]，对比分析氧舱舱体优化前后的应力强度，保证氧舱设备的运行安全可靠性。

1 医用氧舱应力强度模拟

1.1 基础参数

以某医用氧舱为例，设备材料性能如下：舱体外径3220 mm、长10 000 mm，封头所用平板厚30 mm、筒体厚12 mm；筒体与封头均采用Q345R 材料；设计压力为0.3 MPa，温度为50 ℃，焊接接头系数为1.0，空气作为主要介质。

1.2 氧舱建模

由于氧舱的设备结构比较复杂，经有限元分析能够获得整体的结构应力分布，对应力极值点定量分析，整个建模与实际相贴合，可以优化整体结构。主要采用Solid186 实体单元划分网格，该氧舱被3 个平板封头划分为过渡舱、治疗舱，两个舱体之间经封头通道门相连，关闭舱门之后形成两个独立存在的封闭空间[3]。氧舱的底部材料主要为支撑筋，平板封头采用加强筋，均为焊接结构并在完成焊接后100%无损检测。

1.3 模拟工况

医用氧舱正常工作时主要有3 种工况，分别为全舱加压、过渡舱加压治疗舱不加压、过渡舱不加压治疗舱加压，对应3 种不同工况下的应力分布状态。因此，需要分别对不同工况进行单独的强度分析。

2 模拟结果

2.1 应力强度评定及优化

2.1.1 工况1

根据计算发现，工况1 条件下氧舱的应力分布情况，全舱加压条件下均衡分布舱体应力强度，在中间封头区域因为所受双侧均衡压力影响，强度值明显较小，双侧封头及侧门部位的强度值明显较大，舱体达到最大强度值所在位置处于封头加强筋板及舱体底板连接部位。为了对医用氧舱的不同结构强度进行全面考察，参照相关标准完成舱体强度线性优化路径及评定结果，在工况1 的载荷作应力条件下，医用氧舱的全部考核点均合格。需要重视加强筋板、底板二者之间连接处作应力，以及右封头门框与加强筋版的连接处。因为所用薄平板封头加强筋结构，舱体的封头板较薄，导致大开孔舱门的附近结构强度作用力有所欠缺，选择对舱门框的四角部位假设筋板。这一优化方法因为薄平板封头的刚度整体不大，那么一旦承受内压就会产生较大变形量，如果过度加强门框作应力就会加大门框附近的刚度、增加不必要的约束，门框与加强筋板的连接部位也会集中作应力。最终确定门框加强筋板达到500 mm×500 mm，即可满足门框刚强度技术要求[4]。

2.1.2 工况2

从工况2 条件下的氧舱应力强度具体分布情况发现，加压部位在过渡舱情况时主要的应力强度分布区域集中在过渡舱，治疗舱区域所受应力水平整体不高（图1）。舱体的最大应力强度达到的最高峰值所处部位，集中在舱体中间封头的加强筋版连接舱体的底板。最终确定，氧舱的中间封头门框和加强筋板连接部位以及连接壳体部位、还有连接底板部位进行线性优化[5]。参照相关标准完成舱体强度线性优化路径及评定结果，在工况2 的载荷作应力条件下，医用氧舱的全部考核点均合格。

图1 工况2 过渡舱加压强度分布情况

2.1.3 工况3

根据工况3 条件下的氧舱应力强度具体分布情况，对治疗舱施加应力载荷时，治疗舱作为主要应力分布区域，过渡舱在这种工况下的应力强度分布水平较低。舱体的最大应力载荷出现的最高峰值，主要集中在右封头加强筋板连接舱体底板两个部位。考虑到极值集中位置一致于所处工况1 条件下的最大极值，再加上小于工况1 时的强度极值，反映出在工况3 条件下中间封头作为本次强度优化的重点[6]。作为本次线性优化部位，集中在加强筋版连接封头部位、氧舱中间封头门框连接加强筋板以及连接壳体与封头。

根据上述氧舱应力强度优化评定结果，经线性优化评定应力强度结果均符合规定，满足JB 4732—2005《钢制压力容器分析设计标准》相关应力载荷要求[7]。证明此氧舱结构已经基本上符合强度验证，可以良好运行。

2.2 优化对比厚平板封头氧舱

厚平板封头氧舱结构同样由3 个平板封头划分为两部分，分别为过渡舱、治疗舱，但是本次优化设计氧舱结构与其的区别关键是，薄板封头舱体由一整块120 mm 厚钢板所制、整体刚度较好。图2为本次优化的厚平板封头氧舱在工况1 的应力分布图，根据图示以右封头连接舱体底板部位，作为应力强度的峰值部位，在最严苛的工况1 条件下对比两个氧舱不同结构部位的应力强度（表1）。

表1 在工况1 条件下两种氧舱的强度优化对比

图2 工况1 的厚平板封头氧舱应力分布

经过对比发现，更厚的封头板使封头一次总体薄膜应力明显下降，而壳体、底板两部位的应力水平相差不大，基本上达到一致的应力强度分布，但厚平板封头氧舱的应力强度极值明显大于薄平板。针对这一情况，认为可能是封头板的厚度增加造成局部区域刚度明显增加，导致底板连接封头区域约束力较强，不连续处出现更大应力值。同时，因为产生较大的局部刚度，无法获取理想的应力分布效果，这十分不利于降低氧舱的应力强度峰值。另外，厚平板氧舱的重量较薄平板高出5 t 左右，但两者的总强度值基本相近，因此本次优化薄平板封头氧舱的经济适用性较好。

3 结论

通过本次对医用空气加压氧舱进行线性优化设计，薄平板封头的氧舱应力强度极值集中在封头加强筋连接底板部位，封头门框、加强筋板连接两个部位应力极值同样较大，因此应当重视上述部位的优化设计。将本次设计薄平板与厚平板进行对比，线性结果基本上在技术许可范围内，经实际验证氧舱运行程度良好，这也证实了本次氧舱优化设计的可行性。