基于ＭＳＣ　Ｆａｔｉｇｕｅ的脉动真空灭菌器疲劳分析

摘 要：针对某些脉动真空灭菌器在未达到使用寿命时内壁就出现裂纹的问题，应用MSC Patran建立其有限元模型，调用MSC Nastran进行应力分析，然后应用MSC Fatigue软件进行疲劳分析. 将所得寿命分析结果与实际工程使用情况比较，发现疲劳不是脉动真空灭菌器内壁产生裂纹的主要原因.

关键词：脉动真空灭菌器； 裂纹； 疲劳分析； S-N曲线； 有限元分析； MSC Fatigue； MSC Patran; MSC Nastran

中图分类号：TH771； O346.2； O241.82 文献标志码：A

0 引 言

脉动真空灭菌器主体一般为矩形夹套结构，主要包括内壁、外壁、加强筋、底部和大门以及一些其他操作部件.由内壁、外壁、底部和门组成的封闭空间为夹套，在工作过程中主要靠使夹套保持较高温度实现对内腔物品的干燥.内腔两端封闭，形成占主要空间的密封空间，用于放置被灭菌物品.物品从门处放入取出，为了加强内外腔的刚度，改善受力状况，根据不同要求，在脉动真空灭菌器内外壁之间的夹层中设有拉撑加强筋.通常，各部件通过焊接方式连接：加强筋与内壁为断续焊，加强筋与外壁为塞焊，底部与内外壁为全焊.

某特种设备检测中心在检测中发现，有些脉动真空灭菌器远未超过使用寿命，但双层结构的内壁出现断续裂纹，大部分集中在加强筋与内壁的焊缝处.真空压力蒸汽灭菌器属于压力容器，内壁开裂具有爆炸的危险性，在人群密集的医院，一旦出现安全事故，影响很大；其次，继续使用开裂后的灭菌器，无法保证灭菌效果，容易引起各种感染，发生医疗事故.为此，需要分析内壁产生裂纹的主要原因.

在使用时，脉动真空灭菌器夹套内始终通有0.22 MPa左右的蒸汽.内腔中通蒸汽时的压力变化见图1.根据压力变化情况可将使用过程分为抽真空、加压、灭菌、卸载和干燥等阶段.（1）抽真空阶段：第1次抽取内腔空气，真空度达到约-0.09 MPa（相对压强，下同）；内腔通入蒸汽到常压；反复几次，以便达到理想效果.（2）加压阶段：达到真空效果后，继续往内腔充蒸汽，使压强增至约0.22 MPa.（3）灭菌阶段：使内腔压力保持在约0.22 MPa，持续时间应根据被灭菌物品种类设定.（4）卸载阶段：灭菌时间到，从内腔中抽出蒸汽，内部压强达到常压.（5）干燥阶段：灭菌时间结束后，抽取内腔蒸汽到约-0.09 MPa；内腔通入洁净空气到约-0.01 MPa，反复几次达到干燥效果.

图 1 内腔充蒸汽压力变化曲线

通过以上分析，影响裂纹产生的主要原因可能是：(1)从工作载荷方面看，在加压（或抽真空）、卸压（或干燥）时承受交变载荷的作用，因此会存在疲劳［1-2］问题；（2）从使用方面看，由于灭菌器主要用于对医疗器械等物品的消毒，被消毒物品中存在大量氯离子，因此可能存在应力腐蚀［3］问题.为此，本文以XG1.DMXD.01—00 D型全自动多功能灭菌器（见图2）为例，应用MSC Fatigue［4］疲劳分析软件对其进行疲劳分析，预测脉动真空灭菌器的疲劳寿命.

图 2 XG1.DMXD.01—00 D型全自动多功能灭菌器

1 应用MSC Patran建立脉动真空灭菌器有限元模型

用MSC Patran建立脉动真空灭菌器有限元模型，基于灭菌器的对称性，取其1/2进行几何建模(见图3).图3的右下角角钢是为了便于外壁焊接而添加的两根角钢之一，另一根位于左上角.焊缝、角钢间距以及内外壁倒角等参数见图4.

图 3 几何模型示意图

图 4 模型几何参数示意图

图4中各参数的意义：t₁为内壁厚度；t₂为外壁厚度；r₁为内壁折弯角半径；r₂为外壁折弯角半径；k为两相邻加强筋间距.外壁和角钢使用Q235B，其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3.内壁和底部所用的304不锈钢弹性模量为210 GPa，泊松比也为0.3.其余参数见表1，其中t₁,t₂,t₃为实测数据，r₁和r₂为脉动真空灭菌器工程图纸中所标数据.

在进行有限元模型分析前处理时，由于内外壁是板材，因此可以采用壳单元；焊缝不连续(如图4中表示焊接部分的白色线条)；底部和两壁的焊缝为连续焊，加强筋和外壁为塞焊；通过实验测得焊缝连接处的残余应力.［5］对焊缝区施加残余应力，平行于焊缝方向的数值为210 MPa，垂直于焊缝方向的数值为220 MPa.由于在夹套内始终有0.22 MPa的蒸汽压力，且内腔数值为充入蒸汽压力的最小值为-0.09 MPa，所以内壁承受的最大载荷为0.31 MPa.

2 应用MSC Nastran对灭菌器进行应力分析

经过MSC Patran处理后，应用MSC Nastran对真空脉动灭菌器模型进行数值计算：图5是只有残余应力时的应力云图，最大应力为170 MPa；图6为有内压0.31 MPa且带有残余应力情况下的应力云图，最大应力为246 MPa.有无残余应力时应力最大值均出现在断续焊缝的断点处，也正是在实际使用过程中最先出现裂纹［6］的地方.

图 5 只有残余应力时的应力云图

图 6 内压为0.31 MPa且考虑残余应力时的应力云图

3 用MSC Fatigue进行疲劳分析

3.1 MSC Fatigue的背景和理论基础简介

MSC Fatigue是在MSC.Software公司与英国nCode国际公司紧密合作基础上发展起来的疲劳仿真软件，为用户提供疲劳耐久性集成化仿真系统.［7］

由于脉动真空灭菌器在内壁处容易产生裂纹，且只有内壁承受交变载荷的作用，因此只对灭菌器内壁进行疲劳寿命分析，找出其寿命的薄弱环节，为将来的设计提供理论依据.

用有限元法进行疲劳分析的基本思路是：首先进行静强度或动强度分析，提取相关应力应变结果，再定义载荷事件和材料疲劳特性，并根据所需要的疲劳准则对每个载荷事件进行寿命计算，最后根据累积损伤理论判断是否发生疲劳.由于结构受力状态往往是个复杂的应力状态，而实验中测得的结构材料S-N［8-10］曲线在对称循环应力状态下获得，因此常用最小能量屈服准则或其他等效准则，将所研究的疲劳点上的复杂应力用1个等效应力替代.这一过程在有限元法中很容易实现，等效替代以后即可参照原始材料的S-N曲线进行疲劳寿命评估，这种方法称之为名义应力法［11-12］.本文在疲劳分析时采用MSC Fatigue有限元疲劳分析中的名义应力分析法，用有限元法预测疲劳寿命［13］的过程见图7.

图 7 疲劳寿命预测流程

3.2 灭菌器内壁材料参数和载荷设置

因为脉动真空灭菌器的结构对称，选择其内壁1/2模型为疲劳分析对象，内壁材料为304不锈钢，在测定S-N曲线的疲劳实验中也选用该材料，通过最大应力246 MPa和最小应力170 MPa进行计算，取应力比为0.70.通过实验测试，材料的屈服强度为350 MPa，强度极限为666 MPa.在MSC Fatigue中创建以实验数据为参数的304不锈钢的材料S-N曲线，创建的S-N曲线图见图8.由于在夹套中始终通有0.22 MPa的蒸汽，而内腔中的蒸汽压力变化曲线见图1，通过分析可以得出内壁受力曲线见图9，所以在MSC Fatigue的材料和载荷设置中分别导入如图8和图9所示曲线.考虑残余应力影响，在进行疲劳分析设置中选择2种工况载荷，一种为只有残余应力工况（见图5）作为静态载荷，另一种为有内压且带有残余应力工况（见图6）.指定1个静载荷工况进行分析，从操作工况下得到的有限元分析应力乘以在任何给定时间步的载荷历程因子，用从静态（残余）载荷工况得到的应力弥补有内压(残余)载荷工况下的应力.

图 8 304不锈钢的S-N曲线

图 9 内壁受力曲线

3.3 疲劳分析

在上述前处理工作完成后，考虑到模型对称性以及计算方便，将带有残余应力结果中内壁模型的应力结果对应的载荷工况与MSC Fatigue已建立的内壁载荷曲线相关联，然后运行MSC Fatigue进行分析计算，所得对数寿命云图见图10.

图 10 脉动真空灭菌器内壁对数寿命云图

4 结 论

从图10的疲劳寿命云图可见，灭菌器在角钢和内壁的焊点处寿命明显较低，与实际使用过程中脉动真空灭菌器在其角钢和内壁断续焊焊缝断点处最早出现裂纹相符合.但从对数寿命云图上也可以看出最小寿命值为5.21，这是以10为底的对数值，最小寿命值为1.67×10⁵次，超过实际使用寿命（1×10⁴次）.所以，疲劳不是灭菌器发生破坏的主要原因.通过其他影响裂纹产生的原因分析，应力腐蚀很可能是灭菌器内壁裂纹的主要原因.

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(编辑 廖粤新)

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