正压富氧舱轻量化设计研究

李秦川 王杰 方夏

摘要：正压富氧舱是一款面向长期工作在高原地区的高原病患者的医疗保健舱，通过提高舱内压强和氧气浓度的方式，创造正压富氧环境来缓解和治疗高原病。但是由于其本身质量较大，运输极其不便，高原地区的施工人员在出现高原病症之后因为缺少正压富氧舱而不能及时缓解症状，对他们的人身健康造成影响。本文以多人正压富氧舱为研究主体，在SolidWorks软件中建立相应的三维模型，通过ANSYS Workbench软件运用拓扑优化和多目标参数优化法，对正压富氧舱的舱体内壳、舱体外壳和夹层加强筋三个主要部分进行轻量化设计，最终在最大变形，最大应力量允许的变化范围内，保证了其强度、刚度和安全性的同时，对正压富氧舱整体减重了24%，达到了轻量化的目标，为后续更深入的研究提供了一些理论依据。

关键词：正压富氧舱；拓扑优化；多目标参数优化；轻量化

中图分类号：TP391 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.06.004文章编号：1006-0316 （2023） 06-0023-08

Research on Lightweight Design of Hyperbaric Oxygen Enrichment Cabin

LI Qinchuan，WANG Jie，FANG Xia

（ School of Mechanical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China ）

Abstract：Hyperbaric oxygen enrichment cabin is a medical care cabin for the patients with  altitude sickness who works in the plateau areas for a long time. By increasing the pressure and oxygen concentration in the cabin， a hyperbaric oxygen enriched environment is created to alleviate and treat the altitude sickness. However， due to the large mass of the cabin and the inconvenience in transportation， the symptoms of the workers in the plateau areas cannot be relieved in time due to the lack of the hyperbaric oxygen enrichment cabin， which would further do harm to their health. In this article， the multi-person hyperbaric oxygen enrichment  cabin is taken as the research subject， and the corresponding three-dimensional model is established through the SolidWorks software. And through the ANSYS Workbench software， the topology optimization method and parameter optimization method are adopted to reduce the weight of the inner and outer shell and the sandwich reinforcement of the cabin that serves as the main parts within the scope of the maximum resilience and the allowable stress while ensuring its strength， stiffness and safety， and the weight of the entire cabin is reduced by 24%， which achieves the goal of lightweight and provides some theoretical basis for subsequent in-depth research.

Key words：hyperbaric oxygen enrichment cabin；topology optimization；multi-objective parameter optimization；lightweight

高原地區的自然资源相当丰富，清洁能源发展潜力巨大，有助于推动能源低碳转型平稳过渡，保障国家能源安全和经济发展。为了满足资源开采和发展需求，许多高海拔变电站和输送电站正在陆陆续续建立起来。但是高海拔地区具有低压、低氧、寒冷的气候特点，输变电工程的施工及运维检修人员长期暴露在高原环境下，常出现如头痛、呼吸困难、精神不振、睡眠质量不高、记忆力减退等一系列外在不适症状，且面临急、慢性高原病以及心脑血管事件增加的风险，严重影响施工、运检人员的生命健康安全[1-2]。医学上发现，通过高压氧疗法可以有效的治疗高原病甚至预防高原病的发生[3-4]。高压氧疗法是一种通过让患者处在高于一个大气压环境下吸入高浓度氧气的治疗方法[5-6]。正压富氧舱是一种通过三通阀创造舱内外气压差最高不超过0.05 MPa并提供富氧环境的养生保健舱，在高原病的治疗和护理中起到关键作用，十分适用于长期处于高海拔地区工作的输变电站施工和运检人员。可是，由于正压富氧舱舱内气压会高于舱外，舱体需要用抗压较好的材料建设，导致整个舱体的重量较大，并不方便运输。

近些年来不少学者对正压富氧舱的舱内系统做了不少研究，张敦晓等[7]设计并实现一套基于PID复合算法的自动控制系统，提高舱内自动控制系统的稳定性和通用性；王丹娜等[8]设计基于ZigBee的舱内氧气浓度自动控制系统，实现了氧气浓度自动控制，有效精确的控制氧气浓度值稳定的在设定范围内；刘柱等[9]在正压富氧舱的控制系统里加入BP神经网络，通过OPC技术实现WINCC与Matlab数据交换，实现BP神经网络 PID 氧浓度控制，能准确控制压力升降，维持舱内目标氧气浓度。但是针对正压富氧舱结构上的轻量化设计方面，十分少见公开的研究报道，因此本文針对正压富氧舱的整体结构做轻量化设计，通过减轻正压富氧舱的总体质量，提高其运输效率，间接的保障高原地区长期工作的输变电站人员的健康安全。

本研究涉及某款多人正压富氧舱的一种轻量化结构设计，利用SolidWorks建立其三维模型，在满足正压富氧舱所需刚度和强度的前提下，采取拓扑优化和多目标参数法，针对正压富氧舱各个部分进行轻量化结构设计，为该产品的创新迭代提供一些理论依据。

1 压富氧舱舱体结构

本文主要针对某型号的多人正压富氧舱进行研究，主要技术参数如表1所示。

产品示意图如图1所示，三维简易模型如图2所示。

正压富氧舱体最主要由三部分组成：舱体外壳、舱体内壳及夹层中间的加强筋部分。具体三维简易图如图3所示。

正压富氧舱在工作时，舱内保持温度不变的状态，且舱内会采用一层保温材料，尽可能减少舱壁与外界环境的热交换作用，因此不考虑钢板受温差变化所所产生的热力学工况。正压富氧舱主要工作是提供舱内的高压富氧环境，达到治疗高原病甚至预防高原病的效果。

正压富氧舱舱体外壳的尺寸为2500 mm×2340 mm×4000 mm，为保证舱体的整体强度，舱体外壳采用的是10 mm厚的钢板，舱体正常工作时，舱体主要受到内外压力差的均布载荷，需要钢板材料具有良好的力学性质，综合材料力学性能，最终舱体外壳材料选用Q345，此时舱体外壳的总质量为3.725 t；为保证舱体外壳的结构可靠性和稳定性，在舱体外壳的内壁上焊接T型加强筋，提高舱体的抗变形能力，如图3所示，沿舱体长度方向，上下面共设置了16排加强筋，左右两面共设置了14排加强筋，所有的加强筋都焊接起来，形成一个整体，所有加强筋的材料为Q345，最终舱壁加强筋部分的总质量为2.061 t；舱门部分和舱背部分只靠舱体外壳抵抗正压富氧舱工作时创造的高压环境略显单薄，为了保障正压富氧舱的安全性和整体强度，需加装加强筋巩固舱体结构，两部分的加强筋与舱壁加强筋的材料选型相同，为Q345，最终这两部分加强筋的总质量为0.444 t；经过了加强筋的加固后，舱体内壳的舱体厚度并不需要过厚，本款正压富氧舱舱体内壳采用的是5 mm厚的钢板，舱体内壳的尺寸为2340 mm  ×2180 mm×3840 mm，材料选取Q345，此时舱体内壳的质量为1.629 t；除了这三个主要部分之外，还有舱内所有设备及在满载情况下4名使用者的总质量为0.8 t。正压富氧舱质量及占比如表2所示。

从表2可知，舱体外壳的质量占比最大，其次是加强筋，舱体内壳的质量占比最小，在进行轻量化设计时，优先会着重考虑对舱体外壳和加强筋部分的优化。

2 轻量化设计

对正压富氧舱整舱进行ANSYS Workbench的静力学结构仿真，材料按上文所述导入，并设定其中所受的约束有，正压富氧舱工作时舱外底面的固定约束、舱内底面承载满载工况时的4名使用者和设备的重力7840 N、舱内表面受工作时和舱形成的最大气压差0.05 MPa。可以得到正压富氧舱整体的变形云图和等效应力云图如图4、图5所示。

从图4和图5可知，正压富氧舱受到的最大变形为1.0728 mm，从舱壁中心逐渐朝四周递减；受到的最大等效应力为98.791 MPa，满足材料本身在工程的许用应力173.5 MPa，接下来就可以分别对各个部分进行轻量化设计。

2.1 舱体内壳轻量化分析

由前文可知，当前舱体内壳采用的是5 mm厚的钢板，由于舱体内壳在整个正压富氧舱的最内部，当舱内工作时，舱体内壳的内表面会受到0.05 MPa的压强差，但是舱体内壳的外表面存在加强筋部分的支撑，并不用担心内壳会产生较大的变形，所以舱体内壳的钢板厚度成了决定舱体内壳所承受变形和等效应力的唯一因素，也决定了其最终质量的大小。可以通过减小舱体内壳的钢板厚度，对比查看其变形和应力云图结构，判断减小舱体内壳钢板厚度的可行性。将舱体内壳的三维模型导入ANSYS Workbench里进行多目标参数优化，P1为空白参数，设定输出参数为最大变形（P2）、最大等效应力（P3）、舱体内壳质量（P4）；输入参数为舱体内壳的厚度（P5）。输出最大－最小参数图如图6所示。

从图6可知，在舱体内壳厚度取2 mm时不仅质量达到最小，舱体内壳所受的最大变形和最大等效应力也是最小。当建立舱体内壳厚度为2 mm的三维模型再带入整个正压富氧舱整体一起分析时，等效应力和变形云图如图7、图8所示。

发现虽然正压富氧舱所受整体的变形变化不大，但是在舱体内壳的背面部分变形幅度很大，而且正压富氧舱整体所受的变形涨幅过大。经过分析，出现这个现象的原因在于，对舱体内壳单独分析时，舱体内壳的外壁整个表面采用的固定约束，如图9所示。可实际情况为只有外壁与加强筋接触部分才是固定约束；当导入整体模型进入分析时，ANSYS软件的“connections”模块会帮助定义舱体内壳只有和加强筋的接触面积为固定约束，如图10所示，计算结果也会更加准确。

既然单独对舱体内壳的分析不够准确，就将舱体内壳的厚度分别为4 mm、3 mm、2 mm建模，再带入整体正压富氧舱一起分析，如表3所示。

通过以上分析，可以直接排除厚度2 mm的方案，但是在3 mm和4 mm的抉择中，为了保证实际的强度，选择4 mm厚的舱体内壳。原因为虽然3 mm厚的舱体外壳在整体分析时整体变形的表现上只有0.22 mm左右的增大，但是在等效应力方面的增加达到32 MPa左右；而4 mm厚的舱体内壳，在变形的表现上为0.1 mm的增大，等效应力方面的增加为4 MPa左右，两个关键参数的变化都相对稳定，两者相比之下4 mm厚的整体表现优于3 mm厚的整体表现，最终选择舱体内壳的钢板厚度为4 mm，质量下降0.325 t。

2.2 加强筋部分轻量化分析

加强筋共分為舱壁加强筋、舱门加强筋和舱背加强筋三个部分，其中舱壁加强筋的质量占比是三者中最大的，以舱壁加强筋为例，将模型导入ANSYS Workbench中，设定舱壁加强筋的表面为固定约束，舱壁加强筋的内表面会受到0.05 MPa的压强差，且内表面的底面会受到

舱体内壳、设备和满载人数的总重力23 804 N。舱壁加强筋的变形和等效应力云图如图11、图12所示。

从图11、图12可以分析出，由于加强筋处于舱体内壳和舱体外壳的夹层之中，所以加强筋在受力时的最大变形和最大等效应力都较小，不仅很好的连接两层舱壳，也很好的支撑两层舱壳，保证了正压富氧舱整体的强度和抗变形能力。

以质量为拓扑优化的目标，对舱壁加强筋进行拓扑优化分析，得出拓扑优化后的拓扑密度图像如图13、图14所示。

经过拓扑优化分析后，舱壁加强筋的一些部分由于在正压富氧舱工作时受到影响很小，所以拓扑优化通过“掏”的办法把总质量从2.061 t减小至1.667 t，减重0.394 t，减重占比19.08%。可以得到拓扑优化后舱壁加强筋的变形和等效应力云图如图15、图16所示。

拓扑优化后的变形最大值为0.036131 mm，最大等效应力为26.779 MPa，远远小于材料的工程许用应力172.5 MPa，是满足要求的。

对舱门和舱背部的加强筋采用相同的方法进行拓扑优化分析得到结果如表4所示。从表4可知，在加强筋部分总减重为0.48 t。

2.3 舱体外壳轻量化分析

舱体外壳质量占整个正压富氧舱质量的比重最大，由于整个舱体外壳的尺寸已经固定，壳体厚度就成了决定其整体强度的决定因素，当然也决定了其整体质量，目前选用的壳体厚度为10 mm。在分析正压富氧舱舱体内壳时，发现单独分析夹层式的某一层壳体时，由于夹层加强筋的存在，会导致分析的结果并不准确，所以采用分析舱体内壳时的设置目标参数法，将舱体外壳的厚度分别设定为10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm，并带入优化后的舱体内壳和拓朴优化处理的加强筋层芯，将整体模型带入ANSYS Workbench中进行仿真运算如表5所示。

从表5可知，在最初舱体外壳厚度降低时，整体受到的最大变形和最大等效应力会有一个明显得增加，但是当降低到一定程度后，最大变形得变化减小，最大等效应力反倒是降低的，杨坤等[10]的研究指出，随着表层刚度的降低，加筋芯层提供的刚度会成倍增加，也就意味着当舱体外壳的厚度减小时，加强筋的作用会明显的提升，并帮助舱体外壳维持原来的刚度，但是并没有办法完全保持不变。最终发现7 mm厚的舱体外壳厚度表现最优，此时整体正压富氧舱的最大变形为1.371 mm，受到的最大等效应力为114.6 MPa，舱体外壳的质量为2.631 t，减重1.094 t。

2.4 轻量化前后对比

对此正压富氧舱轻量化前，其总重为7.859 t，整体受到得最大变形为1.0728 mm，受到的最大等效应力为98.791 MPa。在轻量化后，其总重为5.96 t，减重占比为24.25%，整体受到的最大变形为1.317 mm，受到的最大等效应力为  114.6 MPa，均在允许的变化范围之内，如表6所示。

轻量化前后变形云图和等效应力云图对比如图17、图18所示。

3 结论

采取拓扑优化和多目标参数优化的方法，对某款正压富氧舱进行轻量化设计，在保证了其整个舱体最大变形和最大等效应力变化幅度在允许范围的前提下，使得优化后的质量相比之前减小了24%，通过仿真分析，验证了多目标参数优化和拓扑优化在正压富氧舱系列舱体轻量化设计的可能性，为后续的研究提供理论基础。

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