某高壓SCR平臺結構強度分析

顧淑婷　王奎

摘要：針對某低速機船艙高壓SCR系統的設計，為了從保證結構的安全性，從強度和振動兩方面考慮，分別對臺架系統的結構靜強度和振動特性進行分析，從而確保設計可靠。

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.

關鍵詞：高壓SCR;平臺;模態;強度

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

0 ?引言

隨著船舶排放法規的日益嚴苛，船舶尾氣后處理技術應用愈加廣泛[1，2]，針對船舶發動機不少采用高壓SCR的后處理方式。由于船舶發動機尺寸較大，相應的SCR設備及相關的臺架設計規格也非常巨大，與之相應的結構強度和振動問題也得到密切關注[3-5]。

針對某低速機高壓SCR系統臺架的設計，從強度和振動兩方面考慮，分別對臺架系統的結構強度和振動特性進行分析，從而確保設計的可靠。

1 ?結構強度分析

某船舶發動機高壓SCR支撐平臺NX模型如圖1所示。圖中左側為8個小的臺架，用于放置管。右側的大平臺用于放置SCR本體及相應管系。

1.1 材料特性

臺架的材料牌號為Q235，相應的屈服強度為235MPa，其余相關參數見表1。

1.2 有限元模型

采用梁單元模擬SCR排氣管與反應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系R、T方向建立兩個彈簧單元，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。模型包含節點數142萬，單元數92萬。

1.3 載荷工況

根據實際模型情況歸納SCR模型計算工況如下：

①本次計算的模型中，上側支撐平臺各型鋼間為焊接連接。因此，建模時將上層支撐平臺設置為一體的;下側支柱之間用螺栓連接。

②平臺上15塊區域分別承受相應重量，加載合力為20.5t，等于高壓SCR支撐平臺模型總質量，具體加載如圖4所示。

③整個系統主要受沿豎直向下的重力影響。

將模型中上部分管系與SCR反應器以壓載施加在高壓SCR支撐平臺上，因為各個支架之間沒有連接關系，則分別對各個支架進行應力與支反力計算。

對SCR支撐平臺地腳的約束如圖5所示。將支撐螺栓孔處建立耦合單元，然后對耦合點進行固定約束。

1.4 計算結果

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

整個平臺的最大應力為120.7MPa，出現在大平臺支撐腿連接處，應力值小于臺架材料的屈服強度。（圖7）

2 ?振動模態分析

考慮到高壓SCR支撐平臺各支架之間除了共同支撐SCR管系外再無其他的連接，故為了防止在模態計算中出現過多局部模態，對整體結構進行模態計算。采用有限元分析軟件對高壓SCR支撐平臺進行模態計算，得到其振型與對應頻率值，并進行評價。

根據實際工況，對支架地腳全約束，各個支架與支柱直接采用TIE連接，具體設置如圖8所示。

經過模態計算得到SCR系統的前10階模態值整理如表2所示。

對前三階模態振型進行分析，第一階模態振型如圖9所示，模態值為12.03Hz，變現為SCR本體的平動。

第二階模態振型如圖10所示，模態值為12.39Hz，表現為最高支撐腿上方管系的擺動。

第三階模態振型如圖11所示，模態值為14.43Hz，表現為支撐SCR本體的大臺架整體的擺動。

支撐SCR臺架系統第一階模態值為12.03Hz，表現為SCR本體的平動。該主機的基頻為2.43左右，第一階頻率值與主機的5倍頻接近，可能會產生共振，但是根據臺架與主機的布置位置，主機在該平動方向沒有載荷激勵，另外還有膨脹節起到隔離作用，因此振動影響不是很大。

3 ?總結

本文通過對SCR支撐臺架系統的結構強度和振動分析可以得到以下結論：

①在本計算模型中，整體應力最大值為120.7MPa，未超出材料的屈服強度。

②SCR臺架第一階模態值與主機的5倍頻接近，可能會產生共振，雖然在該方向沒有載荷激勵，并且有膨脹節起到隔離作用，但為了安全性，建議上船實測。

參考文獻：

[1]郭星萌.船用柴油機尾氣后處理系統的優化設計[D].貴州民族大學，2019.

[2]Yuanqing Zhu， Rongpei Zhang， Song Zhou，Chunan Huang，Yongming Feng， Majed Shreka， Chaolei Zhang. Performance Optimization of High-Pressure SCR System in a Marine Diesel Engine. Part I： Flow Optimization and Analysis[J]. 2019，62（1-4）.

[3]張佳琪，熊學文，周巍峰，蘭洋，劉永超.基于被動隔振平臺的振動主動控制研究[J].強度與環境，2019，46（04）：25-30.

[4]賴俊杰，浮潔，白俊峰，楊澤寧，代鎮宇，余淼.精密加工平臺隔振系統多頻振動控制[J].振動與沖擊，2019，38（10）：242-249.

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