基于Abaqus-Standard的港作推轮主机排气管热膨胀变形分析.docx

基于Abaqus/Standard的港作推轮主机排气管热膨胀变形分析

操安喜[1],张晗[2],卢斌[3]

[1]上海海事大学，[2]上海港复兴船务公司,[3]达索Simulia

摘要:为了查明港作推轮主机排气管-增压器部分结构发生开裂故障的真实原因，本文采用

Abaqus/Standard对港作推轮主机的主排气管进行热膨胀变形的计算与分析，得到以下结

论：港作推轮主机排气管在高温条件下工作，受热膨胀后其变形未能得到有效释放，由此产生的附加作用力过大致使与其联接的增压器法兰开裂；如要消除此类故障，减小排气管

热膨胀变形对增压器结构的影响，建议在排气管发生膨胀变形的两个方向上均设置弹性膨

胀节。本文结论对类似排气管设计具有参考价值。

关键词:Abaqus/Standard，主机排气管，热膨胀，变形

1.概述

在港口作业的拖轮（以下简称，港作拖轮）作业过程中，有些港作拖轮的主机增压器

连接法兰出现开裂故障，见图1。经初步分析，可能是由于主机排气管受热膨胀所产生的

附加作用力(径向力、轴向力及弯矩)引起的。港作拖轮主机的主排气管的走向受机舱布局

空间的限制，总体走势成∽型，上端为出口与消音器相连，消音器穿过机舱甲板，由甲板上的强骨架形成的支撑承担排气管的重量。下端为进口与涡轮增压器的出口相连。排气管由5mm厚的钢板焊接而成，外径为φ460mm，材质为Q235。工作状态下，增压器排出废

气的温度在300℃-550℃之间，排气管在高温条件下工作。现行设计中，考虑到主排气管的

受热膨胀变形，在主排气管的下端（与增压器盖连接处）设置有吸收排气管变形的膨胀节,

见图3，然而，此膨胀节只能吸收主排气管的垂向变形，主排气管的横向变形无法得到有

效释放。故初步判断，可能是由于主排气管高温条件下受热膨胀引起的附加作用力过大导

致增压器连接法兰开裂。为了查明开裂的原因，首要任务是获得主排气管在高温条件下，

其膨胀变形在增压器盖上引起附加力的大小，如果该附加力大于增压器设定的容许值，说明以上推断正确，如果此附加力比增压器设计容许值小，说明上述推断不成立,开裂是其它原因造成。

为此，本文利用有限元方法对其进行热力学分析，计算港作拖轮主机主排气管在高温

条件下其膨胀变形对增压器盖产生的附加作用力的大小。同时，为排气管的改进设计提供

依据，本文对排气管在高温条件下的变形量（垂向、横向）也进行了预报。计算结果表明：(1)主排气管受热膨胀后，其横向变形受到限制，由此引起的附加作用力超过了增压器

设计容许值。该附加作用力是导致增压器开裂的主要原因。(2)为了消除主排气管受热膨胀

引起的对增压器的附加作用力，建议在主排气管发生膨胀变形的两个方向上均设置用于吸收膨胀变形的膨胀节。

图1.港作拖轮主机增压器法兰开裂故障

消音器

排气管

涡轮增压器

图2.港作拖轮主机排气管总体布局

2.计算模型

2.1结构有限元模型

计算模型中，采用的单位量纲为：N-mm-ton-MPa。坐标系统采用右手坐标系，见图

3，原点O位于排气管上端面圆心处，x轴沿主排气管延展方向，y轴沿排气管的进、出口

方向，向上为正，z轴为x-y平面的法向。排气管有限元模型包括整个S型排气管结构、增

压器出口结构。S型排气管主体结构采用四边形壳单元模拟，单元类型采用S8R，网格单

元尺寸控制在100X100以内；增压器出口结构相对与排气管来说，刚度较大且主要起传力

的作用，这里将其简化为刚体，模型中采用刚性连接单元模拟。排气管几何模型及结构有限元网格见图3。

排气管

几何模型

排气管有限元网格

图3.排气管三维计算模型

2.2材料特性

丁发兴[1]研究了高温条件下Q235钢材的材料料特性，本文考虑了高温条件下材料的非

线性，采用他们的试验数据，表1列出了Q235钢材高温后的力学特性。

表1.Q235钢材高温后的力学特性

CodeT/℃Time/hEx105-/MPafs/MPafu/MPavs

20-12022.143344230.27

200-120012.08343436.70.267

200-220022.05346.1445.90.254

200-320032.14333.7420.40.265

400-240022.06358.3398.30.266

500-250022.12316.4383.90.264

700-170012.17323370.40.26

700-270022.13296.4366.60.269

700-370032.06308