某高压SCR平台结构强度分析

顾淑婷　王奎

摘要：针对某低速机船舱高压SCR系统的设计，为了从保证结构的安全性，从强度和振动两方面考虑，分别对台架系统的结构静强度和振动特性进行分析，从而确保设计可靠。

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.

关键词：高压SCR;平台;模态;强度

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

0  引言

随着船舶排放法规的日益严苛，船舶尾气后处理技术应用愈加广泛[1，2]，针对船舶发动机不少采用高压SCR的后处理方式。由于船舶发动机尺寸较大，相应的SCR设备及相关的台架设计规格也非常巨大，与之相应的结构强度和振动问题也得到密切关注[3-5]。

针对某低速机高压SCR系统台架的设计，从强度和振动两方面考虑，分别对台架系统的结构强度和振动特性进行分析，从而确保设计的可靠。

1  结构强度分析

某船舶发动机高压SCR支撑平台NX模型如图1所示。图中左侧为8个小的台架，用于放置管。右侧的大平台用于放置SCR本体及相应管系。

1.1 材料特性

台架的材料牌号为Q235，相应的屈服强度为235MPa，其余相关参数见表1。

1.2 有限元模型

采用梁單元模拟SCR排气管与反应器并定义其与支架连接;采用SPRING单元模拟膨胀管，在膨胀管位置处施加沿柱坐标系R、T方向建立两个弹簧单元，分别施加轴向与横向刚度，具体如图3所示。有限元模型如图2所示。模型包含节点数142万，单元数92万。

1.3 载荷工况

根据实际模型情况归纳SCR模型计算工况如下：

①本次计算的模型中，上侧支撑平台各型钢间为焊接连接。因此，建模时将上层支撑平台设置为一体的;下侧支柱之间用螺栓连接。

②平台上15块区域分别承受相应重量，加载合力为20.5t，等于高压SCR支撑平台模型总质量，具体加载如图4所示。

③整个系统主要受沿竖直向下的重力影响。

将模型中上部分管系与SCR反应器以压载施加在高压SCR支撑平台上，因为各个支架之间没有连接关系，则分别对各个支架进行应力与支反力计算。

对SCR支撑平台地脚的约束如图5所示。将支撑螺栓孔处建立耦合单元，然后对耦合点进行固定约束。

1.4 计算结果

各管系支撑腿中，其中最高支撑腿的应力最大，在支撑腿约束位置最大值约为24.6MPa，远小于材料的屈服强度。（图6）

整个平台的最大应力为120.7MPa，出现在大平台支撑腿连接处，应力值小于台架材料的屈服强度。（图7）

2  振动模态分析

考虑到高压SCR支撑平台各支架之间除了共同支撑SCR管系外再无其他的连接，故为了防止在模态计算中出现过多局部模态，对整体结构进行模态计算。采用有限元分析软件对高压SCR支撑平台进行模态计算，得到其振型与对应频率值，并进行评价。

根据实际工况，对支架地脚全约束，各个支架与支柱直接采用TIE连接，具体设置如图8所示。

经过模态计算得到SCR系统的前10阶模态值整理如表2所示。

对前三阶模态振型进行分析，第一阶模态振型如图9所示，模态值为12.03Hz，变现为SCR本体的平动。

第二阶模态振型如图10所示，模态值为12.39Hz，表现为最高支撑腿上方管系的摆动。

第三阶模态振型如图11所示，模态值为14.43Hz，表现为支撑SCR本体的大台架整体的摆动。

支撑SCR台架系统第一阶模态值为12.03Hz，表现为SCR本体的平动。该主机的基频为2.43左右，第一阶频率值与主机的5倍频接近，可能会产生共振，但是根据台架与主机的布置位置，主机在该平动方向没有载荷激励，另外还有膨胀节起到隔离作用，因此振动影响不是很大。

3  总结

本文通过对SCR支撑台架系统的结构强度和振动分析可以得到以下结论：

①在本计算模型中，整体应力最大值为120.7MPa，未超出材料的屈服强度。

②SCR台架第一阶模态值与主机的5倍频接近，可能会产生共振，虽然在该方向没有载荷激励，并且有膨胀节起到隔离作用，但为了安全性，建议上船实测。

参考文献：

[1]郭星萌.船用柴油机尾气后处理系统的优化设计[D].贵州民族大学，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]张佳琪，熊学文，周巍峰，兰洋，刘永超.基于被动隔振平台的振动主动控制研究[J].强度与环境，2019，46（04）：25-30.

[4]赖俊杰，浮洁，白俊峰，杨泽宁，代镇宇，余淼.精密加工平台隔振系统多频振动控制[J].振动与冲击，2019，38（10）：242-249.

[5]王忠，刘阳.海上平台设备振动危害与评估[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（08）：5-6.