基于MSC.Fatigue的脉动真空灭菌器的疲劳分析

1 概述
    本文来源自北京市朝阳区特殊设备检测所的一个科技攻关立项。主旨为分析QMJO.5-2型全自动多功能灭菌器（如图1）的裂纹产生原因。灭菌器内腔用于放置被灭菌物品。夹层空间深度为30mm左右，通入蒸汽加热内腔。两端封闭，形成密封空间。一般一端安装可以开关的快开门，物品从门处放入取出，根据不同要求，有时两端设置成快开门。 
          

                图1 QMJO.5-2型全自动多功能灭菌器
    早期使用的灭菌器为下排气式，蒸汽从灭菌器上部缓慢进入，利用蒸汽比空气轻的性质，把空气从灭菌器底部挤出。由于蒸汽不可能大面积均匀进入，空气不可能大面积均匀排出，灭菌器内死角处的空气很难排尽，另外包裹内的空气也很难快速排出，因此这种灭菌器的灭菌效果不够理想，灭菌时间很长。 
    为了克服这个缺点，二十世纪七十年代研制了预真空灭菌器，即内腔通入蒸汽以前，先用真空泵抽出内腔的空气，再通入蒸汽灭菌，灭菌完毕后，再用真空泵抽出内腔的蒸汽做干燥处理，这种方法缩短了灭菌时间，提高了灭菌效果。但一次把真空度抽取到理想数值，对真空泵性能和灭菌器本体的密封性能提出了很高的要求，成本很高。为此，二十世纪八十年代科研人员研制了脉动真空灭菌器，即如图2所示脉动加载方式,。首先通过夹套加热内腔；抽取内腔空气；内腔通入蒸汽到常压；第二次抽取内腔真空；内腔再次通入蒸汽到常压；第三次抽取内腔真空；内腔通入蒸汽消毒灭菌一定时间；灭菌时间结束后，抽取内腔蒸汽；内腔通入洁净的空气；根据不同要求，再重复数次抽真空和通空气过程。 
  
    既然是脉动的灭菌器，那么疲劳失效就成为其发生破坏的一个主要原因。“疲劳”是引起工程结构和构件失效的最主要的原因，仅承受静载荷的工程构件或结构很少，现在大多数的结构都含有承受脉动载荷或循环载荷的构件，由于承受疲劳载荷而引起的结构失效即“疲劳失效”,是发生在工程领域当中的一类十分普遍的物理现象。 
    本文应用MSC.Fatigue疲劳分析软件对脉动真空灭菌器进行了疲劳分析，首先应用MSC.Patran建立脉动真空灭菌器的基结构，将其引入到有限元分析软件MSC.Nastran中进行静力分析，然后应用MSC.Fatigue疲劳仿真软件，来预测和分析脉动真空灭菌器在工作载荷下的疲劳寿命。
2 脉动真空灭菌器的模型建立和应力分析
2.1 灭菌器的模型建立
    应用MSC.Patran建立脉动真空灭菌器的基结构，建立完全按照北京将台医疗设备有限公司的QMJO.5-2型全自动多功能灭菌器的实际图纸尺寸进行建模，根据实际情况和建模的方便，为了减少计算量，本文作者根据模型的对称性，对模型的1/4进行建模，所建几何模型和有限元网格如图3和图4所示。有限元整体模型属于壳体结构共有98632个节点，划分103948个单元。其中内壁共有34155个节点，33744个单元，且在模型的焊缝处加以残余应力。外壁和角钢使用的材料Q235的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。其内壁和底部所使用的304不锈钢的弹性模量为210GPa，泊松比也为0.3。 

2.2 基于MSC.Nastran对灭菌器进行应力分析
    经过MSC.Patran的处理以后，应用MSC.Nastran对所建的真空脉动灭菌器进行分析计算，得其应力云图如图5和图6，从图5和图6的应力云图上可以看出，其应力的集中点发生出现在断续焊缝的断点处。也正是在实际使用的过程中最先出现破坏裂纹的地方，应用MSC.Nastran分析所得的应力结果和实际情况相符。