谭 凯，胡革春，李昌胜，徐 义 ，杨 拓，何梦莹,2

(1.湖北特种设备检验检测研究院， 湖北 武汉 430077；2.国家工业数字成像无损检测设备质量监督检验中心， 湖北 武汉 430077)

在新冠疫情全球横行的今天，氧气作为呼吸机、ECOMO等医疗设备的主要气源，其日常用量急剧增加。氧气瓶的安全稳定供应对仪器正常运行、病人救治质量具有至关重要的作用[1]。医用氧气瓶、氧舱等压力容器的安全稳定运行是氧气正常供应的关键环节[2-3]，在疫情爆发时期，有效地监测氧气瓶的安全状况、保障氧气安全供应[4]，对于有效救治新冠肺炎病人具有重要意义。

气瓶在制造和使用过程中，由于制造工艺、工况的变化以及外部因素的作用使材料的力学性能退化，出现泄露、腐蚀减薄、局部几何变形、瓶体裂纹等不同形式的缺陷。氧气瓶的主要的失效形式包括：泄露、腐蚀减薄、局部几何变形及瓶体裂纹。不同失效形式使氧气瓶的压力、温度及应力应变物理参数不同。同时，不同缺陷的产生形式和缺陷产生的变化规律的差异。瓶体表面裂纹是气瓶最常见的缺陷之一，一般对此缺陷采用打磨成一定弧度的凹坑缺陷来评定。本文对一定尺寸的凹坑缺陷和正常气瓶的应力分布进行数值模拟，得到了应力集中区域和具体值，对气瓶的安全使用提供了一定的理论指导。

1 物理模型

建立如图1所示的物理模型，气瓶材料为37Mn，气瓶的公称容积为10 L，外径152 mm，高度850 mm，额定压力15 MPa，瓶体设计厚度为4 mm。气瓶为凹形底，在原有正常氧气瓶几何模型的瓶身处通过旋转切除，得到一个长轴40 mm、短轴20 mm、深2 mm的椭球面凹坑缺陷，将此简化模型作为有凹坑缺陷的氧气瓶的仿真计算模型，如图1所示。

图1 氧气瓶仿真计算模型

气瓶的材料特性见表1。为提高计算机的运算效率，减少该模型的单元数和节点数，需要对几何模型进行有效的网格划分。对于完整气瓶本研究采用四面体网格划分方法，网格大小为50 mm，共3 054个单元数和6 125个节点数。对于凹坑缺陷气瓶，由于凹坑缺陷气瓶在凹坑处存在狭小的几何单元，因此，在凹坑处需要细分网格。模型整体选用50 mm大小的四面体网格，而在瓶身与凹坑的过渡位置选择0.5 mm大小的四面体网格。气瓶网格如图2所示。

表1 材料特性参数

图2 气瓶网格

2 模拟结果分析

图3为正常状态下氧气瓶工作的仿真结果。图3(a)、图3(b)分别显示了在15 MPa的工作应力作用下氧气瓶的应力云图和应变云图。

图3 正常状态下氧气瓶工作仿真结果

从结果可以看出，在额定压力下最大应力约287 MPa，出现在氧气瓶瓶身处，最小应力约8.5 MPa，出现在瓶口与瓶底处。氧气瓶瓶身的应变分布均匀，最大应变在瓶身底部约0.016，最小应变约0.001 8，出现在瓶底。此结果是正常氧气瓶在15 MPa工作压力下的常规应力应变分布。通过设置不同压力载荷数值，进行不同压力下氧气瓶应力应变数值模拟。设置初始步长为15，最小步长为10，最大步长为15，将15 MPa的恒定压力设置为1～15 MPa，递进压力间隔1 MPa，共计15个压力的模拟仿真情况。使用Matlab软件分析处理仿真数据结果，拟合数据得到不同压力下正常氧气瓶的应力/应变场数值曲线如图4所示。

图4 最大应力处应力与应变随着气瓶充装压力的变化关系

缺陷对于气瓶的应力分布影响很大，不同缺陷类型会表现出不同的应力分布特性。对凹坑缺陷气瓶进行应力分布模拟结果如图5所示与正常工作的氧气瓶类似，有凹坑的氧气瓶为整体封闭结构，瓶内氧气不存在流入流出等流体问题，整个研究对象仍使用静力学模块来计算。

图5 凹坑缺陷气瓶模拟结果

与理论分析一致，最大应力处出现在缺陷附近，主要是由于缺陷附近容易导致应力集中。模拟结果显示有凹坑的氧气瓶的最大应力约935.25 MPa、最大应变0.045，远远超过了气瓶的许用应力。均出现在凹坑变形处。和正常氧气瓶仿真结果相比，此时氧气瓶的最大应力和最大应变位置均发生改变，结果数值增加。不同压力下凹坑缺陷处应力/应变场数值模拟曲线如图6所示。

图6 最大应力处应力与应变随着气瓶充装压力的变化关系

3 结 论

本文对完整气瓶和凹坑缺陷气瓶的应力分布进行了数值模拟，气瓶凹坑缺陷对气瓶额定载荷下的应力分布及应力强度具有重要影响。在计算的凹坑尺寸情况下，最大应力显著增大远远超过了37Mn的材料许用应力。