凹坑缺陷醫(yī)用氧氣瓶應(yīng)力分布特性研究

譚 凱，胡革春，李昌勝，徐 義 ，楊 拓，何夢(mèng)瑩,2

(1.湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院， 湖北 武漢 430077；2.國(guó)家工業(yè)數(shù)字成像無損檢測(cè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(jī)、ECOMO等醫(yī)療設(shè)備的主要?dú)庠?，其日常用量急劇增加。氧氣瓶的安全穩(wěn)定供應(yīng)對(duì)儀器正常運(yùn)行、病人救治質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用[1]。醫(yī)用氧氣瓶、氧艙等壓力容器的安全穩(wěn)定運(yùn)行是氧氣正常供應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2-3]，在疫情爆發(fā)時(shí)期，有效地監(jiān)測(cè)氧氣瓶的安全狀況、保障氧氣安全供應(yīng)[4]，對(duì)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(xué)性能退化，出現(xiàn)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(yīng)力應(yīng)變物理參數(shù)不同。同時(shí)，不同缺陷的產(chǎn)生形式和缺陷產(chǎn)生的變化規(guī)律的差異。瓶體表面裂紋是氣瓶最常見的缺陷之一，一般對(duì)此缺陷采用打磨成一定弧度的凹坑缺陷來評(píng)定。本文對(duì)一定尺寸的凹坑缺陷和正常氣瓶的應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了應(yīng)力集中區(qū)域和具體值，對(duì)氣瓶的安全使用提供了一定的理論指導(dǎo)。

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(shè)計(jì)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(zhuǎn)切除，得到一個(gè)長(zhǎng)軸40 mm、短軸20 mm、深2 mm的橢球面凹坑缺陷，將此簡(jiǎn)化模型作為有凹坑缺陷的氧氣瓶的仿真計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 氧氣瓶仿真計(jì)算模型

氣瓶的材料特性見表1。為提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率，減少該模型的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行有效的網(wǎng)格劃分。對(duì)于完整氣瓶本研究采用四面體網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格大小為50 mm，共3 054個(gè)單元數(shù)和6 125個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)。對(duì)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(xì)分網(wǎng)格。模型整體選用50 mm大小的四面體網(wǎng)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(wǎng)格。氣瓶網(wǎng)格如圖2所示。

表1 材料特性參數(shù)

圖2 氣瓶網(wǎng)格

2 模擬結(jié)果分析

圖3為正常狀態(tài)下氧氣瓶工作的仿真結(jié)果。圖3(a)、圖3(b)分別顯示了在15 MPa的工作應(yīng)力作用下氧氣瓶的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。

圖3 正常狀態(tài)下氧氣瓶工作仿真結(jié)果

從結(jié)果可以看出，在額定壓力下最大應(yīng)力約287 MPa，出現(xiàn)在氧氣瓶瓶身處，最小應(yīng)力約8.5 MPa，出現(xiàn)在瓶口與瓶底處。氧氣瓶瓶身的應(yīng)變分布均勻，最大應(yīng)變?cè)谄可淼撞考s0.016，最小應(yīng)變約0.001 8，出現(xiàn)在瓶底。此結(jié)果是正常氧氣瓶在15 MPa工作壓力下的常規(guī)應(yīng)力應(yīng)變分布。通過設(shè)置不同壓力載荷數(shù)值，進(jìn)行不同壓力下氧氣瓶應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬。設(shè)置初始步長(zhǎng)為15，最小步長(zhǎng)為10，最大步長(zhǎng)為15，將15 MPa的恒定壓力設(shè)置為1～15 MPa，遞進(jìn)壓力間隔1 MPa，共計(jì)15個(gè)壓力的模擬仿真情況。使用Matlab軟件分析處理仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，擬合數(shù)據(jù)得到不同壓力下正常氧氣瓶的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值曲線如圖4所示。

圖4 最大應(yīng)力處應(yīng)力與應(yīng)變隨著氣瓶充裝壓力的變化關(guān)系

缺陷對(duì)于氣瓶的應(yīng)力分布影響很大，不同缺陷類型會(huì)表現(xiàn)出不同的應(yīng)力分布特性。對(duì)凹坑缺陷氣瓶進(jìn)行應(yīng)力分布模擬結(jié)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(jié)構(gòu)，瓶?jī)?nèi)氧氣不存在流入流出等流體問題，整個(gè)研究對(duì)象仍使用靜力學(xué)模塊來計(jì)算。

圖5 凹坑缺陷氣瓶模擬結(jié)果

與理論分析一致，最大應(yīng)力處出現(xiàn)在缺陷附近，主要是由于缺陷附近容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。模擬結(jié)果顯示有凹坑的氧氣瓶的最大應(yīng)力約935.25 MPa、最大應(yīng)變0.045，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氣瓶的許用應(yīng)力。均出現(xiàn)在凹坑變形處。和正常氧氣瓶仿真結(jié)果相比，此時(shí)氧氣瓶的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變位置均發(fā)生改變，結(jié)果數(shù)值增加。不同壓力下凹坑缺陷處應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值模擬曲線如圖6所示。

圖6 最大應(yīng)力處應(yīng)力與應(yīng)變隨著氣瓶充裝壓力的變化關(guān)系

3 結(jié) 論

本文對(duì)完整氣瓶和凹坑缺陷氣瓶的應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，氣瓶凹坑缺陷對(duì)氣瓶額定載荷下的應(yīng)力分布及應(yīng)力強(qiáng)度具有重要影響。在計(jì)算的凹坑尺寸情況下，最大應(yīng)力顯著增大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了37Mn的材料許用應(yīng)力。