（化工过程机械专业论文）矩形压力蒸汽灭菌器设计方法及其结构优化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 矩形压力蒸汽灭菌器以灭菌性能好、占地面积小、较大的比表面积以及较高 的传热效率等优点，在医疗器械领域得到了日益广泛的应用。然而由于其结构特 殊性以及受力状况的复杂性，目前仍末形成一套成熟的矩形压力蒸汽灭菌器工程 设计方法，且无相应的结构设计标准可循。因此，开展矩形压力蒸汽灭菌器工程 设计方法和结构优化研究，对于提高其安全性、降低成本具有重要意义。 本文在查阅大量中外文献的基础上，采用理论分析、数值模拟和试验研究相 结合的方法对矩形压力蒸汽灭菌器进行了研究，主要工作和结论如下： ( 1 ) 设计方法研究。根据板壳理论建立了一套适合实际工程应用的矩形压 力蒸汽灭菌器的设计计算方法，并将其应用于容积为1 2 m 3 的两种矩形压力蒸汽 灭菌器的设计。 ( 2 ) 试验研究。制定了单层矩形压力蒸汽灭菌器试验方案，对1 2 m 3 容器 进行强度试验，并对应力一应变进行测量，得到了结构在内压作用下应力分布较 为全面的描述。 ( 3 ) 数值模拟研究。建立了矩形压力蒸汽灭菌器有限元模型，提出了相应 的有限元分析方法。利用该方法对本文设计的结构进行了力学分析，得到了由内 压引起的应力分布以及热结构耦合场的应力分布。内压作用下，数值计算得到的 应力结果与试验结果较好吻合，这表明本文提出的有限元模型和分析方法用于矩 形压力蒸汽灭菌器结构分析是可行的。同时对比分析结果发现，温度载荷缓解了 结构的应力集中，在设计时不考虑温度的影响是安全的。 ( 4 ) 参数化结构优化。利用a n s y s 中的a p d l 参数化设计语言，建立了 矩形压力蒸汽灭菌器的参数化优化模型，并提出优化方法。利用该优化方法对两 种结构灭菌器进行了多目标优化，优化结果表明依据该方法优化的结构综合性能 好。 关键词：蒸汽灭菌器；有限元；应力评定：热应力；设计方法；结构优化 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a ms t e r i l i z e ri sw i d e l ya p p l i e di nm e d i c a lf i e l d sd u e t oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u c ha ss t e r i l i z a t i o nf u n c t i o n ，s m a l lo c c u p a t i o ns p a c e ， h i 曲s p e c i a ls u r f a c ea r e aa n dh i g hh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y h o w e v e r , o na c c o u n to fi t s c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e s ，t h ee n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o dh a sn o tb e e nc o m p l e t e l y f o r m e du n t i ln o w a l s o ，t h e r ea r en oc o r r e s p o n d i n gc r i t e r i af o l l o w e dt od e s i g nt h e r e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a ms t e r i l i z e r t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c h e s o ns t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n dd e s i g nm e t h o da b o u tt h er e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a ms t e r i l i z e ra r e s i g n i f i c a n tf o rt h ep r o d u c ts e c u r i t ya n dc o s t sr e d u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h et h e o r e t i c a l ，n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d sa r ec o m m o n l y a d o p t e dt os t u d yt h er e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a ms t e r i l i z e r t h ep r i m a r y r e s e a r c hw o r k a n dc o n c l u s i o n sa r eo u t l i n e db e l l o w ： ( 1 ) s t u d yo fe n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d b a s e do nt h et h e o r yo ft h ep l a t e sa n d s h e l l s ，ad e s i g nm e t h o do ft h er e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a ms t e r i l i z e ri se s t a b h s h e d ， w h i c hi sw e l l a p p l i e dt od e s i g nt w os t r u c t u r e so ft h er e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a m s t e r i l i z e ri nt e r m so ft h e1 2m 3v o l u m e ( 2 ) e x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o n t h ee x p e r i m e n t c o u r s ef o r t h e r e c t a n g u l a r p r e s s u r e s t e a m s t e r i l i z e ri s s e t u p a n dc a r r i e do u to na1 2m 3m o n o l a y e r e d r e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a ms t e r i l i z e r t h es t r e s sa n ds t r a i nd a t aa r em e a s u r e da n dt h e s t r e s sd i s t d b u t i o n sa r eo b t a i n e d ( 3 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h a f i n i t ee l e m e n tm o d e l sa n ds o l u t i o n a l g o r i t h mo f t h er e c t a n g u l a rp r e s s u r e - s t e a ms t e r i l i z e ra r ep r o p o s e d t h es t r e s sa n a l y s i s i sc o n d u c t e dt oo b t a i nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n su n d e ri n t e r n a l p r e s s u r ea n dt h e t h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n gf i e l d sr e s p e c t i v e l y r e s u l t ss h o wt h a t 廿1 en u m e r i c a lr e s u l t s a r ei n g o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h et e m p e r a t u r el o a d sc a n r e l e a s et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n st h o u g ht h ee f f e c t sa r ec o m p a r a t i v e l ys m a l lr e l a t e dt o i n t e m a lp r e s s u r e ，a n di t ss a f et on e g l e c tt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r e d e s i g n ( 4 ) p a r a m e t r i cs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n u s i n gt h ea p d lp a r a m e t r i cd e s i g n p r o g r a r nl a n g u a g e ，t h ep a r a m e t r i co p t i m i z a t i o nm o d e la n do p t i m i z a t i o nm e t h o da r e e s t a b l i s h e dt oc o n d u c tt h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no ft w os t e r i l i z e r s r e s u l t s s h o wt h a tg o o dp e r f o r m a n c ec a nb eo b t a i n e db ya p p l y i n gt h i ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n m e t h o d k e yw o r d s ：r e c t a n g u l a rp r e s s u r e s t e a ms t e r i l i z e r ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ；s t r e s s a s s e s s m e n t ；t h e r m a ls t r e s s ；d e s i g nm e t h o d ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i i 浙江大学硕士学位论文 4 4 4一 以一 4 加一 口 一 丑 一 只 一 马一 c c l t c i 一 c 1 1 0 q o c i o f一 符号说明 内壳有效宽度截面面积 m i , i 1 2 ； 筒体加强筋截面面积 i i i i t t 2 ； 外壳有效宽度截面面积 n i l i l 2 ； 加强筋与内、外壳体组合 截面面积，m m 2 ； 加强筋截面面积，她n 2 ： 中性轴间距离，m m ； 单层结构简体加强筋宽 度，m m ： 双层结构筒体加强筋宽 度，m m ； 门体加强筋宽度，n l t t l ； 厚度附加量，i n m ； 板与加强筋组合截面中 性轴至该截面表面距离， m m ： 至扳与加强筋组合截面 内表面距离，取值为正， r n m ； 至板与加强筋组合截面 外表面距离，取值为负， m m ： 板组合截面中性轴至该 截面表面距离，m m ； 至板组合截面内表面距 离，取值为正，m m ； v l ，加强筋截面的计算惯性 矩，r b i - i 4 ； 外壳体截面的计算惯性 矩，n l l n 4 ； ，板与加强筋组合截面的 “ 计算惯性矩，i n i 3 4 ： ，板与板组合截面的计算 1 0 一惯性矩，m m 4 ； x 七 三 结构特征系数； 载荷组合系数； 壳体回转半径，m m ； ，单层矩形容器长边侧板 1 半长，1 1 1 1 1 1 ； 一加强筋间距，i i l i l l ； ，双层矩形容器长边侧板 一加强件半长，m m 。单层矩形容器短边侧板 半长，m i d _ ； 双层矩形容器短边侧板 1 0 一加强件半长，m m 膨 一弯矩，n m o 一加强筋条数； 以 一a 点力法向力，n ； 浙江大学硕士学位论文 c l b e e 一 甄一 皿一 丑3一 一 ，一 e p 一 只一 只一 一 霉 一 只一 至板组合截面外表面距 离，取值为负，l a l l n $ 常温时材科的弹性模量， m p a ； 设计温度下材料的弹性 模量m p a ； 形状因子； 单层结构筒体加强筋高 度，眦； 双层结构筒体加强筋高 度，m m i 门体加强筋高度，r n i b ； 壳体截面的计算惯性矩， i l n 2 4 ； 壳体与加强筋组合截面 的计算惯性矩，m l t l 4 ； 常温时材料的弹性模量， 压力，m p a ： 计算压力，m p a ； 一次总体薄膜应力， m p a 4 一次局部薄膜应力， m a ： 试验压力，m p a ； 设计压力，m p a ： 设计循环次数： 单层矩形容器门框有效 厚度，m m ； 双层矩形容器门框有效 厚度，n l i n ； 单层矩形容器加强筋有 效厚度，m i l l ； 双层矩形容器加强筋有 效厚度，i t f i n ； 门体加强筋有效厚度， m i l l ； 第一主应力大小，m p a ： 第二主应力大小，m p a ： q一第三主应力大小，m p a ； 一 一 盯m一 。一 薄膜应力大小，m p a t 弯曲应力大小，m p a ； 壳体上c 点薄膜应力大 小，m p a 壳体上c 点薄膜应力大 小，m p a ： 吒】一允许应力，m p a ； 多一焊接接头系数 形一 有效板宽，i i l t l l ； q 一二次应力，m p a ； 酽 一压力下边缘处转角，o ： ， 内壳圆角半径，m l t l ； 秒” 一壳体流动半径，咖 【口】 弯矩作用下边缘处转 角，o ： 常温下许用应力，m p a ； 一 一 一 一 一 一 一 一 m 反 磊 瓯 磊 磊 q 吒 浙江大学硕士学位论文 一最大壳体流动半径，衄 m 一 疋一 s 出一 f j 一 最小壳体流动半径，蚴 交变应力的许用幅度， m 田a ： 交变应力强度，m p a ； 假想圆的直径为支撑节 距, r a m 厚度，咖； h 一嚣虾湖勘， 常温下材料屈服点， c r t 一 。m a ： 以 一 曲梁的抗拉刚度； g a 一 曲梁的抗剪刚度； 日 一 曲梁的抗弯刚度： s 。2一最大等效应力，i r m a = 4一内壳体有效厚度，栅； c o s t 一成本； 嘎一外壳体有效厚度，姗； 如一门体有效厚度，n m 1 1 设计温度下材料屈服点， 盯： 一 4 【p a ： ( 一k 一加强筋材料设计温度下 材料屈服点，m _ p a ； v d o 啪一体积； i i 内壳体外表面至加强箭 ” 外表面距离，衄； 内壳体外表面至加强筋 中性轴距离，m m ： ，内壳体外表面至外壳体 中性轴距离，n l l n ； 截面b 的位移，可以是 转角，也可以是线位移； s i一 最大的一次应力，i v j p a ； 浙江大学硕士学位论文 1 文献综述 自古以来，人类和微生物就共存于这个星球，大多数微生物对人类来说是有 益的。在它们的帮助下，人们生存得更健康，生活得更美好然而。也有一部分 微生物对人类是有害的，它们使人或动植物生病，造成物品和食物腐败，直接危 害到人类的健康和生命安全。我们把这类微生物称为病原微生物，病原微生物 由传染源排出后，可在自然界存活一定时间，其长短随种类与环境而定，短者数 小时，长者数天至数十年之久。病原微生物在自然界存活愈久，引起危害的机会 就愈多。为防止病原微生物的扩散，预防传染病的发生和流行，就必须做好消毒 灭菌工作。 所谓的灭菌是指通过物理或化学的方法将环境中和媒介物携带的一切微生 物( 包括病原微生物、细菌芽胞和真菌芽胞等) 全部杀死或清除的过程翻。但无论 采用何种灭菌方法，要实现集中灭菌都需要相应的灭菌设备作为支持。因此，灭 菌设备在医疗卫生、食品加工、卫生用品生产等领域得到了广泛应用，特别在现 代化医院中，医用灭菌设备是必备设施，在医院开展外科无菌操作、医院感染区 控制以及医疗科研工作中发挥着重要的作用【3 】o 1 1 医用灭菌设备 近年来，伴随着人们对感染性疾病传播途径和病原菌的不断认识，对医院灭 菌工作提出了更高要求，新的灭菌方法和技术不断出现，这一切都得益于各种灭 菌设备的迅速发展。 目前医院常用的灭菌设备主要分为两大类4 - 习：化学灭菌设备和物理灭菌设 备。 1 1 1 化学灭菌设备 化学灭菌设备是指利用化学药物作为灭菌剂来杀灭微生物的设备，其灭菌原 理是通过化学灭菌剂渗透微生物体内，使菌体蛋白凝固变性，干扰细菌酶的活性， 抑制细菌代谢和生长或损害细胞膜结构从而起到灭菌作用。医院常用的化学灭菌 设备主要有环氧乙烷灭菌器和甲醛灭菌器。两者都属于低温蒸汽灭菌器，具有灭 菌效果可靠、不影响物品材质等优点，在医院灭菌工作中发挥着重要的作用，特 浙江大学硕士学位论文 别适用于不耐高湿和湿热的物品，如：高分子器材、医用导管，精密器械、电子 仪器、光学仪器等。 环氧乙烷灭菌器环氧乙烷灭菌器是目前医院使用最多的低温灭菌设备，根 据环氧乙烷气体类型，可分为两类：一类是外置钢瓶混合气正压灭菌器，即把环 氧乙烷气体与二氧化碳气体混合后通过管道供给灭菌器进行灭菌，这种灭菌方式 可有效阻止环氧乙烷燃烧或爆炸，但存在环氧乙烷有毒气体从钢瓶阀门、连接管、 灭菌器门缝等向外泄漏的危险，因此，在医院已较少使用；另一类是纯环氧乙烷 负压灭菌器，即每次灭菌前把纯环氧乙烷小罐置于灭菌器内室，由灭菌器自动刺 破气罐释放气体进行负压灭菌，此灭菌方式的优点是既可避免环氧乙烷燃烧或爆 炸，又可防止灭菌时环氧乙烷发生泄漏。环氧乙烷灭菌器在运行过程中需严格监 控温度、相对环境湿度、气体有效浓度和灭菌作用时间等技术参数，才能确保灭 菌效果。因环氧乙烷有较强的毒性，灭菌后的废气需分解或安全排放。 甲醛灭菌器甲醛灭菌器因技术存在较大争议，在部分国家或地区不允许使 用，国内也仅有少数医院在使用，但在欧洲国家使用较普遍，主要原因是对甲醛 的毒性和穿透性认识上存在分歧。甲醛灭菌效果的影响因素主要有温度，相对环 境湿度、甲醛有效浓度、灭菌作用时间和被灭菌物品的包装等。医院使用的甲醛 灭菌器的容积通常比环氧乙烷灭菌器大，部分还可以兼用压力蒸汽灭菌，但灭菌 后的甲醛废气需单独安全排放。 由于所有的化学灭菌都存在有毒物质残留和环境污染现象，在使用上受到一 定的限制，有逐步被物理灭菌所取代的可能。 1 1 2 物理灭菌设备 物理灭菌设备是指利用物理因子作为灭菌剂来杀灭微生物的灭菌器，其具有 灭菌性能可靠、灭菌速度快和灭菌后无毒害物质残留等优点。常用的有紫外线灭 菌器、等离子体灭菌器、干热灭菌器和压力蒸汽灭菌器等。 紫外线灭菌器紫外线是一种低能量的电磁波，波长介予1 6 3 9 7 啪，灭菌 效果较好的波段为2 4 0 2 8 0 n m ，一般多以2 5 3 7 r i m 作为代表。灭菌原理是当微 生物受紫外线照射后，蛋白质( 特别是核酸、原浆蛋白与酶) 变性，从而导致死亡。 紫外线可以杀灭各种微生物，而且灭菌效率较高；紫外线灭菌器可以随取随用， 且价格相对低廉；紫外线对被消毒的物体无腐蚀性、无污染、无残留。但紫外线 2 浙江大学硕士学位论文 穿透能力很弱，因此只能对它辐照到的部分进行灭菌。另外，紫外线辐照可导致 物体褪色、变色，且对人和动物的眼睛、皮肤有损害。 过氧化氢等离子体灭菌器又称气浆灭菌器，是新一代的高科技低温灭菌设 备。灭菌原理是过氧化氢在高频电场作用下高度电离形成离子体( 气浆) 后产生三 重作用来杀灭微生物，即活性基团作用使微生物体内蛋白质秘核酸物质被反应后 死亡，高速粒子击穿作用使微生物菌体被击穿死亡以及紫外线作用杀灭微生物。 过氧化氢等离子体灭菌技术产生于上世纪9 0 年代，其最大特点是环保和灭菌速 度快、低温无毒，灭菌后无残留物，可立即再使用。缺点是灭菌影响因素较多， 还需在技术上进一步发展和完善。 于热灭菌器1 6 1 干热灭菌器种类较多，按加热方法，可分为对流加热型，传 导加热型和辐射加热型。医院主要用的是热空气对流加热型，类似于普通千烤箱， 基本原理是待灭菌物质在干燥空气中被加热，达到足以杀灭微生物的温度后进行 灭菌。适用于玻璃器皿、瓷器以及明胶海棉等，由于热空气温度高和穿透性能较 差，不适用于布类、精密器械和较大器材灭菌。 压力蒸汽灭菌器7 j 也称湿热灭菌器，是医院沿用历史最长、应用面最广、 目前灭菌效果最好的灭菌设备。该灭菌器使用的灭菌剂是压力蒸汽，灭菌的基本 原理是将水加热使之产生蒸汽，利用饱和蒸汽穿透微生物蛋自细胞，使其凝固、 变性、肿胀、破裂，达到灭菌的目的。适用于耐热耐湿医用器材( 约占医院灭菌 量的8 0 ) 的处理。与其他灭菌设备相比，压力蒸汽灭菌器有其突出优点【8 9 】： ( 1 ) 灭菌可靠、效果好、时间短，在1 3 3 c 时五分钟即可杀灭所有微生物； ( 2 ) 蒸汽生产成本低，获取方法简单： ( 3 ) 适应性广，一般可用于器械、织物、液体、食品的消毒； ( 4 ) 无污染，对操作人员和环境没有影响； ( 5 ) 能量利用率高。 这些优点使得压力蒸汽灭菌器成为医用灭菌设备的主导设备。 压力蒸汽灭菌的效果主要受温度、作用时间、蒸汽质量和冷空气残留情况等 因素影响。其中冷空气的影响较为突出，因为冷空气导热性差，阻碍蒸汽接触待 灭菌物品，并且降低蒸汽分压，使之不能达到应有的温度【1 0 】，因此灭菌前排除 柜室内的冷空气是压力蒸汽灭菌的关键技术。根据柜室内冷空气的排除方式不 3 浙江大学硕士学位论文 同，压力蒸汽灭菌器又分为下排气式灭菌器和预真空式灭菌器1 7 , 一4 1 下排气式灭菌器( 如图1 1 所示) 是利用重力自然置抉原理，使蒸汽在灭菌室 中从上而下流动，将冷空气逐步置换，再通入热蒸汽保持一定的压力和温度来完 成灭菌过程。由于蒸汽置换冷空气时具有不彻底性，常存有死腔、死角，妨碍了 蒸汽的穿透性，同时灭菌内室的上下层温差过大，不能保证所灭菌的物品都达到 灭菌要求。 图1 1 下排气式灭菌器 图1 2 预真空式灭面器 预真空式灭菌器( 如图1 2 所示) 则利用机械抽真空的方法，使灭菌器内室形 成较理想的负压后，再通入压力蒸汽，通过保持一定的压力和温度来完成灭菌过 程。预真空式灭菌器由英国在2 0 世纪5 0 年代首先研制成功，该灭菌器是在下排 汽式灭菌器基础上发展而来，可以较彻底地排除灭菌器内室以及待灭菌物品内的 冷空气，使压力蒸汽能快速穿透到待灭菌物品的中心部位，并且无死角和明显温 差，实现高效灭菌。现以某型号预真空式灭菌器为例【嘲，简叙其工作过程如下： ( 1 ) 灭菌柜内放入待灭菌物品关闭柜门并扣紧； ( 2 ) 将蒸汽通入夹层预热； ( 3 ) 夹层压力达2 2 0k p a 时启动真空泵，抽除灭菌室内空气； ( 4 ) 柜内压力达一9 2k p a 时，饱和蒸汽进入灭菌室内； ( 5 ) 灭菌室内的压力上升到4 9k p a 时再次抽气； ( 6 ) 重复( 4 ) 、( 5 ) 数次脉动抽气进汽过程( 一般为三四次) ( 7 ) 灭菌室内的压力上升到2 1 0k p a ，温度上升到1 3 2 ，维持灭菌时间 4 6 分钟，期间冷凝水自排气口经疏水阀自动排出； 4 浙江大学硕士学位论文 ( 8 ) 用真空泵抽除灭菌室内的蒸汽，进行真空干燥，并维持一段时间； ( 9 ) 经高效过滤的空气进灭菌室内； ( 1 0 ) 重复( 8 ) 、( 9 ) 数次( 一般为二三次) ； ( 1 1 ) 灭菌室内的压力为零时开启柜门，取出物品。 下排气式与预真空式两种灭菌器的比较见表1 1 。 表1 1 下排气式灭菌器与预真空式灭菌器比较 比较项目下捧气式预真空式 机械抽真空较 冷空气排除自然重力置换 下排气式彻底 较低较高 灭菌温度 1 1 5 、1 2 1 、1 2 61 3 2 1 3 4 较低较高 灭菌压力k p a 7 0 、1 1 0 、1 4 02 0 0 2 1 0 热穿透较慢较快 较长较短 灭菌时间分钟 2 5 4 04 6 灭菌效果好更好 干燥后物品 稍差很好 的干燥程度 物品的适应性适用于不易濡湿的物品不适用于液体和粉束 由此可见，预真空式灭菌器较下排气式灭菌器灭菌更彻底，所用灭菌时间更 短，灭菌后物品更干燥，且便于自动运行，因而已逐渐取代下排气式灭菌器，得 到更普遍的使用。 根据灭菌器内室横截面形状的不同，压力蒸汽灭菌器可分为圆形截面和非圆 形截面两大类，其中非圆形截面主要采用矩形截面。圆形截面容器设计公式简单 成熟，容器受力均匀，应力状态以薄膜应力为主，加工用料少；矩形截面容器与 圆形截面容器相比，安装方便、占地面积小、有较大的比表面积和较高的传热效 率1 6 1 。因此，在医用压力蒸汽灭菌器领域矩形截面容器的使用更加广泛。针对 矩形压力蒸汽灭菌器展开相关研究，具有更广泛的现实意义。 1 2 矩形截面容器研究现状 1 2 1 力学模型 矩形截面容器的研究，起初是未考虑端盖对壳体应力影响，即采用无限长壳 5 浙江大学硕士学位论文 体模型，基于梁理论的研究方法。后来在此基础上，发展成考虑端盖影响的有限 长壳体模型，采用板壳理论分析的研究方法。 ( 1 ) 无限长壳体模型 无限长壳体模型的研究是基于材料力学的梁理论，即沿壳体轴向取出一个单 位宽度作为分析单元，该单元可当作梁，利用内外力的平衡关系和能量积分法， 求出梁上任点的应力【埘。力学计算模型如图1 3 。 丝爹 沙 图1 3 无限长壳体力学计算模型图1 4 无限长壳体力学计算模型 很多学者基于这种方法进行过研究。黄炎【1 8 】采用材料力学的力平衡关系及 能量积分法，导出了一般非圆形截面容器中的应力计算公式，并以椭圆截面、矩 形截面等几种常见的非圆形截面容器为特例，从一般到特殊，导出了非圆形截面 容器的应力计算公式，并从数学角度找出了最大应力出现的位置：椭圆形、近似 椭圆形截面容器，最大应力出现在赤道点内壁，长圆形截面容器最大应力出现在 半圆中心内壁或直侧板中心外壁，带圆角矩形截面容器最大应力出现在长边侧板 中心外侧或圆角极值点的内壁，不带圆角的矩形截面容器最大应力出现在角点。 最大应力表达式与国标的表达式虽然不同，但计算结果完全相同。吴武【i9 】则从 一般非圆形截面容器壳体的横截面曲线方程出发，在力学和数学的基础上，导出 了一般非圆形截面容器上最大应力的计算式。洪锡纲等人【2 0 】也利用梁模型对国 标中矩形截面容器最大应力的计算式做了推导说明，另外，作为对国标中矩形截 面容器部分的补充，该文还给出了矩形截面容器焊缝位置的布置原则及确定最佳 6 浙江大学硕士学位论文 焊缝位置的方法，即焊缝应布置在弯曲应力为零的位置或附近，分别给出了带圆 角等厚度矩形截面容器和不带圆角对称矩形截面容器上弯曲应力为零的位置的 确定公式。该文还给出了焊缝处弯曲应力的计算式及校核式、端盖加强作用对壳 体弯曲应力影响的应力影响系数，由于矩形截面容器端盖加强作用在矩形截面容 器纵横比小于4 时变得显著，由梁模型导出计算公式的计算结果偏于保守。因此， 当纵横比小于4 时，由梁模型导出计算公式结果应由国标g b1 5 0 - 1 9 9 8 所列应力 修正系数中相应的应力修正系数进行修正。美国的a c a t e r l 2 1 1 于一九八三发表文 章公布了他在矩形截面容器方面的研究结果，提出了矩形截面容器应力计算梁模 型的另一种方法，即从矩形梁的拐角处将梁分为三段：垂直段、连接段和水平段， 按照力法分别列出各段的平衡关系，从而求得内力。该方法考虑了板厚度的影响， 当纵横比较大时，该方法的计算结果与标准的计算结果比较接近。 无限长模型方法分析矩形截面容器中的应力，优点是推导过程简单、公式简 洁、计算方便、适宜工程应用。 ( 2 ) 有限长壳体模型i 矧 研究有限长矩形截面容器端盖支承作用对壳体中应力的影响，需用板壳理 论，力学计算模型如图1 4 。野原日松1 2 3 提出将矩形容器的每块壁板当成独立的 矩形平板，利用平板封头的计算公式设计计算。这种方法将每块壁板单独计算， 不考虑相邻壁板之间相互影响作用。曾绍景等人1 2 2 ，2 4 1 采用四板模型，同时考虑 上下左右四块侧板的空间交互作用，用叠加法求内矩：假定端盖与壳体之间、相 邻侧板之间均为简支连接，相邻的板解除约束后代之以分布弯矩m x ，由于对称 性，四个连接边缘处的分布弯矩都相等，解除约束后的每块板就成为承受均布压 力p 、边缘作用有分布弯矩的四边简支矩形板。分别求出两相邻板在压力p 和分 布弯矩m x 作用下边缘处的转角钟、印、醴、，根据变形协调关系：6 j p + 掣= 一( 笛+ 掣) ，解方程就可求出分布弯矩m x ，从而求出连接边缘上的最 大弯矩和板上的最大弯矩。因长边侧板中心的最大弯矩大于短边侧板上的最大弯 矩，当侧板厚度相等时，只需计算长边侧板中心的弯矩。文中给出了长边侧板中 心处的两相弯矩和拐角处的弯矩表达式。端盖与壳体固支的情况，可用类似的方 法求得。但固支的值远较简支的小，为保守起见，一般不求固支值。将该方法得 到的结果与有限元结果比较，误差在6 之内。故按四板模型计算有较好的精度， 7 浙江大学硕士学位论文 可用于纵横比小于4 的矩形截面容器的应力计算。该方法对纵横比较小的矩形截 面容器壳体的应力计算提供了简捷有效的方法，但它的缺陷是未考虑两侧端盖对 四板应力的影响。在此基础上，郭应征【2 5 1 和b l a c h a b t a l t 2 6 1 进一步建立了同时考 虑上下左右前后六块板相互影响的六板模型，其思路方法与四板模型基本相同， 但它的理论更完善，结果更糟确。缺陷是计算繁冗、工作量大，只适宜于理论分 析，不宜用做工程设计。 1 2 2 设计方法 矩形截面容器的设计方法一般可分为解析法、数值法和实验法三种。 ( 1 ) 解析法 根据结构特点和受力情况，在一系列的简化假设下，将其划分为若干可利用 板壳理论和弹性理论分析的简单结构，各部分之间的相互作用用内力和弯矩来代 替，建立各部分之间的变形协调条件，从而得到结构各部分应力的解析解，并针 对不同的应力如拉伸应力、弯曲应力等予以相应的应力限制条件。这种设计方法 的优点是物理概念清晰，但当结构比较复杂时，需引入许多假设将结构划分为简 单的力学模型求解，无法考虑局部不连续结构对应力状况的影响。通常的解决方 法是凭借工程经验在局部区域引入应力集中系数和应力修正系数。 ( 2 ) 数值法 数值法包括有限差分法和有限元法，其中有限元法应用最为广泛。利用有限 单元将结构的实体模型离散化，通过单元相互的协调关系、整体的平衡条件和边 界条件求解与节点位移的相关线性方程组，利用插值函数、应力与应变关系、位 移与力的关系可获得容器任何部位应力和应变的数值大小和分布情况。当离散 单元足够小时，这种近似解将逐渐收敛于结构的真实解。在设计中，用有限元得 到计算结果后，经过线处理或面处理法将应力进行分类，再进行评定。 ( 3 ) 实验法 主要有光弹性法和电测法，其中电测法应用更广。该方法通过应变片测量结 构指定部位的应变状态，然后根据应力应变关系，确定这些部位的应力状态。现 主要用于研究应力分布规律和验证解析法计算模型和有限元模型的有效性。 1 2 3 国内外相关标准 因为非圆形截面容器具有与圆形截面容器不同的特点和使用范围，许多国家 8 浙江大学硕士学位论文 很早以前就开展了有关非圆形截面容器的研究，并制定了有关的设计、制造和检 验标准。 非圆形截面容器的设计方法，最早出现于1 9 6 3 年的美国机械工程师学会 a s 姬规范案例1 3 1 8 ，当时的方法是以分析或验证水压试验所确定的最大允许工 作压力来确定壁厚。1 9 8 0 年首次列入a s m ev i i i 一1 的附录1 3 ，到1 9 9 2 年版，a s m e 中列入的非圆形截面容器己经扩展到包括对称和非对称、外加强、拉撑加强结构 共十四种非圆形截面容器t 2 7 1 ，其中矩形截面容器部分有对称和非对称、带圆角、 外加强对称、外加强带圆角、单拉撑对称、双拉撑对称结构共七种结构。另外， 日本的j i s b 8 2 8 0 、英国的b s 5 5 0 0 、苏联的p t m 、德国的a d 以及法国的法国非 直接灭受压设备设计规范等都列入了非圆形截面容器的设计标准。英w 尼 柯尔斯【2 8 1 对各国压力容器的规范和标准作了系统全面的介绍。我国容器标准钢 制压力容器g b l 5 0 - 1 9 9 8 ( 以下简称国标) 附录d 1 2 9 】中也列入了非圆形截面容器的 设计标准，其中矩形截面容器种类和a s m e 规范一致，标准中的各计算公式都是 只考虑由压力引起的薄膜应力和弯曲应力，对局部载荷及边缘力引起的局部应 力、边缘应力未考虑。考虑到焊缝和开孔对应力的影响，引入了焊缝系数和开孔 削弱系数对应力修正。 本文研究的矩形压力蒸汽灭菌器主要用于医用灭菌，因此，设计时还必须符 合g b l 5 9 8 2 1 9 9 5 医院消毒卫生标准以及g b t 8 6 0 0 - 1 9 8 8 压力蒸汽灭菌器灭 菌效果检验方法中相关的卫生标准要求，对灭菌器摆放方式、排气方式、特殊 灭菌工艺必须进行生物监测。 1 2 4 存在的问题 矩形压力蒸汽灭菌器有两种结构类型：单层结构和双层结构。其中单层矩形 蒸汽灭菌器是一种外加强带圆角的矩形截面容器，加强筋设置在灭菌室外表面宽 度方向上，且垂直于容器轴线的平面内，同平面的加强筋连成一圈。双层矩形蒸 汽灭菌器具有内外两层筒体，筒体间形成一夹套层，并且采用间断加强，即在圆 角区不设置加强件，两种结构形式均与现行标准规范中列出的各适用形式不同。 由于结构特殊性以及受力状况的复杂性，目前仍未形成一套成熟的矩形压力蒸汽 灭菌器工程设计方法，且无相应的结构设计标准可循，使得矩形压力蒸汽灭菌器 在设计和制造中存在很大的不确定性，因此开展矩形压力蒸汽灭菌器工程设计方 9 浙江大学硕士学位论文 法和结构优化研究，设计出安全性能好，成本低的新型压力蒸汽灭菌器具有重要 的现实意义。 1 3 结构优化概述 1 3 1 概念及层次 所谓结构优化【粥6 1 就是在满足各种规范或某些特定要求的条件下使结构的 某些广义性能指标最佳。最优结构方案可以包括很多方面：可求出结构最好的几 何形状；可选择各种构件尺寸使结构的造价最低；若构件本身的形状允许改变， 也可选择构件的最好形状；若几何形状已定，则可以适当选取截面，使结构总重 量最轻。 结构优化的数学模型可用标准的非线性规划形式描述如下： m i l l ，( x ) s t g j ( x ) = o , j = l ，p g ，( 柳o ，= p + l ，扰 x 。x x 其中：，( 鄹是目标函数，一般取结构重量最轻、应力集中最小等，g ( x ) 为 约束函数，包括物理方程、协调方程、静或动态强度，刚度限制等， x = ( 墨，五9 - o ，以) 为设计变量，x 分别为z 上下限。 ( 1 ) 设计变量既可为连续的，又可为离散的。工程结构中通常为多设计变 量或多种变量的混合问题。 ( 2 ) 目标函数、约束函数多数情况下是连续可微的，也可为不连续或不可 微。 ( 3 ) 约束函数通常是隐式，非线性的，并且不同问题或相同问题的不同优 化目标，非线性程度有所不同。 结构优化分为四个层次 3 7 1 ：第一个层次是截面尺寸的优化；第二个层次是 形状优化，不仅包含尺寸变量还包括坐标变量；第三个层次是拓扑优化，包含截 面尺寸的优化及单元的取舍；第四个层次是类型优化，包含尺寸、坐标、单元取 舍和材料参数的优化，是最高层次的优化。 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 研究进展 结构优化在其发展过程中主要形成了三种方法 3 8 - 4 0 i 。 ( 1 ) 准则法 基于某一优化准则，建立相应的迭代方程，不断修改设计直至方程收敛。准 则法的优点是所求得的最优解所需的迭代次数与设计变量的个数关系不大，可以 求解规模很大的优化问题。其缺点是缺乏严格的数学基础，所得到的解可能不是 真正的最优解。c h o i 等人1 9 9 1 年提出的二级优化法，即单元级的满应力优化和 结构级的满位移优化法。在国外航空部门，准则法仍是最广泛采用的方法之一， 并被推广应用于结构最优设计和最优控制耦合问题。 ( 2 ) 数学规划法 将结构优化问题归结为一个受约束的非线性的数学规划问题，利用数学规划 中的理论和方法来研究和求解结构优化问题。这使得结构优化有了严格的理论基 础和广泛的适应性。但由于结构优化中的目标函数和约束条件基本上都是设计变 量的隐函数而且设计变量较多，使得灵敏度分析计算量很大，结构重分析的次数 很多，致使求解效率降低，求解规模受到制约。通用的结构优化软件常常要包括 一批数学规划方法如：复形法、序列线性规划法、可行方向法和罚函数法等。 ( 3 ) 近似法 结合力学概念和各种近似手段将原问题转化为一系列近似的带显式约束的 优化问题，对这些比较简单问题采用现有的数学规划法，用迭代的方式求解近似 问题来逼近原问题的解【1 1 。近似法主要包含将非线性、隐式问胚转化为线性、 显式问题，设计变量的联结和约束暂时删除技术，近似法是规范法与准则法的结 合，既改进了规划法的计算效率，达到结构分析次数与准则法同等的程度，同时 又保持了严密的数学基础和通用性。近似问题解的序列将收敛于原方程的解，显 然收敛性质主要取决于近似函数的质量。因而，变量的移动限制策略以及如何选 择中间函数和中间变量以提高近似函数的精度、有效地求取约束函数对中间变量 的灵敏度是近似法有待研究的问题。 三种方法并没有相互取代的关系，随着近代计算机技术、结构分析方法和数 学规范法的发展，每种方法都有较大的发展，并且有相互结合的趋势。 优化方法是设计思想的体现，结构优化是通过算法实现的n 2 。恰当的算法 浙江大学硕士学位论文 对减少迭代次数、减少结构重分析次数以及保证迭代过程的稳定性及可靠性具有 决定意义【4 3 】。根据设计变量性质的不同，可分为连续变量和离散变量的算法。 集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的结构优化设 计是现代结构设计领域的重要研究方向。它为人们长期所追求最优的工程结构设 计尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为近代设计方法的重要内容之一。 1 3 3 有限元法的应用 随着计算机以及数值计算方法的迅速发展，带动了优化设计观念上的转变。 在结构优化中有限元方法成为重要的方法之一。有限元法是c a e 的重要组成部 分，是结构分析和结构优化的重要工具。有限元法的核心思想是结构的离散化， 就是将实际结构假想地离散为通过一些节点连接的有限数目的规则单元组合体， 选择简单的函数近似地表示单元内位移的变化规律，利用力学原理推导建立单元 的平衡方程组，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方 程组，最后引入边界条件求解代数方程组获得数值解。实际结构的物理性能可以 通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分 析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析叉无法解决的复杂问题。自 1 9 7 3 年z i e n k i w i c z 利用有限元法做结构分析，b r a i b a n t 利用节点坐标为设计变 量做有限元分析以来，用计算机手段实现结构优化设计就引起了工程师和研究者 们的兴趣m 。 有限元优化模块 将优化程序和结构分析程序集成起来是形成优化程序的一个基本思路。现有 的弹性有限元结构分析程序已经相当成熟。它具有非常强大的前、后处理功能， 自动网格划分及网格的自适应划分功能，如在此基础上引人优化的模块，就可以 进行结构优化的求解。优化程序集成的关键在于优化信息、结构分析信息以及设 计变量信息的有效提取和相互间的传递。将有限元结构分析程序与优化算法集成 起来进行结构优化，这种优化程序都必须包含以下四个模块h 5 ，4 6 j ： ( 1 ) 形状几何描述模块 结构的几何形状采用参数化语言进行描述，即用点、线、圆弧及合适的坐标 变量之间的连结方式来描述结构的几何形状。优良的参数化的几何形状描述及形 状控制方法，对其后的分析和优化起到重要作用。 1 2 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 分析模型模块 采用有限元法进行结构分析。由于优化中迭代次数多，结构重分析相应也较 多，一般要求采用自动网格划分技术，由于优化迭代过程中形状在不断地改变， 一般需要包含对网格自动检验、控制和修改的功能。 ( 3 ) 优化模型模块 针对具体问题建立适当的数学模型是结构优化的关键。在数学模型中确定优 化的目标( 单目标或多目标) 、设计变量和各种约束条件( 在静力学问题中一般为 应力、位移和尺寸约束) 。 ( 4 ) 迭代模块 程序应包含有效的优化算法和优化工具，或者包含与其它算法的接口，以满 足不同闯题的需要。准则法中，根据遵循的准则和一些经验参数来设计迭代方案： 数学归纳法中的各种算法，如惩罚函数法、可行方向法、序列线性规划法等或其 改进的方法均可用于迭代。迭代次数少、精度高的算法是一个重要的研究内容， 从这种意义上来说，优化的发展依赖于数学规划( 特别是非线性规划) 的进展。 , 小i s y s 优化原理 大型通用有限元软件a n s y s 不仅可以做一般结构应力分析、动