某高壓SCR平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

顧淑婷　王奎

摘要：針對(duì)某低速機(jī)船艙高壓SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了從保證結(jié)構(gòu)的安全性，從強(qiáng)度和振動(dòng)兩方面考慮，分別對(duì)臺(tái)架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和振動(dòng)特性進(jìn)行分析，從而確保設(shè)計(jì)可靠。

Abstract： For the design of high pressure SCR system in a low-speed engine cabin， in order to ensure the safety of the structure， the static strength and vibration characteristics of the structure were analyzed from the strength and vibration aspects to ensure the reliability of the design.

關(guān)鍵詞：高壓SCR;平臺(tái);模態(tài);強(qiáng)度

Key words： hign pressure SCR;platform;modal;strength

0 ?引言

隨著船舶排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，船舶尾氣后處理技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛[1，2]，針對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)不少采用高壓SCR的后處理方式。由于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸較大，相應(yīng)的SCR設(shè)備及相關(guān)的臺(tái)架設(shè)計(jì)規(guī)格也非常巨大，與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)問(wèn)題也得到密切關(guān)注[3-5]。

針對(duì)某低速機(jī)高壓SCR系統(tǒng)臺(tái)架的設(shè)計(jì)，從強(qiáng)度和振動(dòng)兩方面考慮，分別對(duì)臺(tái)架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)特性進(jìn)行分析，從而確保設(shè)計(jì)的可靠。

1 ?結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

某船舶發(fā)動(dòng)機(jī)高壓SCR支撐平臺(tái)NX模型如圖1所示。圖中左側(cè)為8個(gè)小的臺(tái)架，用于放置管。右側(cè)的大平臺(tái)用于放置SCR本體及相應(yīng)管系。

1.1 材料特性

臺(tái)架的材料牌號(hào)為Q235，相應(yīng)的屈服強(qiáng)度為235MPa，其余相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 有限元模型

采用梁?jiǎn)卧MSCR排氣管與反應(yīng)器并定義其與支架連接;采用SPRING單元模擬膨脹管，在膨脹管位置處施加沿柱坐標(biāo)系R、T方向建立兩個(gè)彈簧單元，分別施加軸向與橫向剛度，具體如圖3所示。有限元模型如圖2所示。模型包含節(jié)點(diǎn)數(shù)142萬(wàn)，單元數(shù)92萬(wàn)。

1.3 載荷工況

根據(jù)實(shí)際模型情況歸納SCR模型計(jì)算工況如下：

①本次計(jì)算的模型中，上側(cè)支撐平臺(tái)各型鋼間為焊接連接。因此，建模時(shí)將上層支撐平臺(tái)設(shè)置為一體的;下側(cè)支柱之間用螺栓連接。

②平臺(tái)上15塊區(qū)域分別承受相應(yīng)重量，加載合力為20.5t，等于高壓SCR支撐平臺(tái)模型總質(zhì)量，具體加載如圖4所示。

③整個(gè)系統(tǒng)主要受沿豎直向下的重力影響。

將模型中上部分管系與SCR反應(yīng)器以壓載施加在高壓SCR支撐平臺(tái)上，因?yàn)楦鱾€(gè)支架之間沒(méi)有連接關(guān)系，則分別對(duì)各個(gè)支架進(jìn)行應(yīng)力與支反力計(jì)算。

對(duì)SCR支撐平臺(tái)地腳的約束如圖5所示。將支撐螺栓孔處建立耦合單元，然后對(duì)耦合點(diǎn)進(jìn)行固定約束。

1.4 計(jì)算結(jié)果

各管系支撐腿中，其中最高支撐腿的應(yīng)力最大，在支撐腿約束位置最大值約為24.6MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。（圖6）

整個(gè)平臺(tái)的最大應(yīng)力為120.7MPa，出現(xiàn)在大平臺(tái)支撐腿連接處，應(yīng)力值小于臺(tái)架材料的屈服強(qiáng)度。（圖7）

2 ?振動(dòng)模態(tài)分析

考慮到高壓SCR支撐平臺(tái)各支架之間除了共同支撐SCR管系外再無(wú)其他的連接，故為了防止在模態(tài)計(jì)算中出現(xiàn)過(guò)多局部模態(tài)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。采用有限元分析軟件對(duì)高壓SCR支撐平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到其振型與對(duì)應(yīng)頻率值，并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)支架地腳全約束，各個(gè)支架與支柱直接采用TIE連接，具體設(shè)置如圖8所示。

經(jīng)過(guò)模態(tài)計(jì)算得到SCR系統(tǒng)的前10階模態(tài)值整理如表2所示。

對(duì)前三階模態(tài)振型進(jìn)行分析，第一階模態(tài)振型如圖9所示，模態(tài)值為12.03Hz，變現(xiàn)為SCR本體的平動(dòng)。

第二階模態(tài)振型如圖10所示，模態(tài)值為12.39Hz，表現(xiàn)為最高支撐腿上方管系的擺動(dòng)。

第三階模態(tài)振型如圖11所示，模態(tài)值為14.43Hz，表現(xiàn)為支撐SCR本體的大臺(tái)架整體的擺動(dòng)。

支撐SCR臺(tái)架系統(tǒng)第一階模態(tài)值為12.03Hz，表現(xiàn)為SCR本體的平動(dòng)。該主機(jī)的基頻為2.43左右，第一階頻率值與主機(jī)的5倍頻接近，可能會(huì)產(chǎn)生共振，但是根據(jù)臺(tái)架與主機(jī)的布置位置，主機(jī)在該平動(dòng)方向沒(méi)有載荷激勵(lì)，另外還有膨脹節(jié)起到隔離作用，因此振動(dòng)影響不是很大。

3 ?總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)SCR支撐臺(tái)架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)分析可以得到以下結(jié)論：

①在本計(jì)算模型中，整體應(yīng)力最大值為120.7MPa，未超出材料的屈服強(qiáng)度。

②SCR臺(tái)架第一階模態(tài)值與主機(jī)的5倍頻接近，可能會(huì)產(chǎn)生共振，雖然在該方向沒(méi)有載荷激勵(lì)，并且有膨脹節(jié)起到隔離作用，但為了安全性，建議上船實(shí)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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