船用柴油机高压SCR系统结构强度与疲劳仿真分析
摘要
随着经济全球化与世界贸易的日益繁荣，船用柴油机的应用日益广泛，国际海事组
织（IMO）对柴油机NOx的排放要求也愈发严格，SCR技术是解决上述问题的一项有
效措施。本文以船用柴油机高压SCR系统为研究对象，通过SpaceClaim构建计算模型，
利用CFD和CAE数值仿真方法，探究不同载荷工况、系统结构以及分析方法对SCR强
度的影响，采用压力容器中应力限制条件，对系统应力进行安全评估，利用疲劳分析工
具，预测高压SCR系统使用寿命，主要研究内容和结论如下：
（1）首先建立船用柴油机高压SCR系统模型，分别给出仿真数值模型以及理论计
算公式，随后利用多场耦合方式对SCR系统强度展开数值模拟分析研究。针对流场分
布，采用导流板等装置进行优化，速度均匀性达到85%，系统压降为5500pa，满足设计
要求，此时反应器进口至出口区域温升为24℃，首层催化剂层占比62.5%。以流场仿真
结果为边界条件做流热固耦合计算并与热固耦合计算做对比分析，结果表明：流热固耦
合计算的最大应力与形变略有上升，但变化率低于5%，计算时长增加一倍有余，因此
热固耦合计算方法更具优势。此后基于热固耦合方法进行SCR系统安全评估，结果表
明：与机械载荷相比，SCR系统热机耦合应力、形变急剧上升，部分区域应力超出材料
的屈服强度；采用线性化路径进行应力分类，所有路径应力满足安全要求；系统热模态
的固有频率低于冷模态，且随阶数增加呈上升趋势；发动机基频为5Hz，远低于SCR系
统一阶固有频率，两者不会发生共振现象。
（2）开展高压SCR系统管路布置数值模拟分析研究，结果表明，SCR反应器模型
简化对形变仿真计算结果影响较小，变化率仅有0.38%，因此膨胀节选型计算可以采用
简化模型，从而提高计算效率；此外研究发现，增加支撑高度可以在一定程度上缓解热
机耦合造成的高应力现象，而支撑位置改变则会使反应器机械应力呈抛物线变化趋势；
在船舶运行方面，船体横、纵倾会对固定支撑生成附加力，且这种附加力随着纵顷角的
增加而增加，当倾斜角为30°时，固定支撑支反力约是滑动支撑的3.5倍。
（3）利用疲劳分析工具，进行高压SCR系统疲劳寿命仿真分析，研究表明，热机
载荷使SCR系统疲劳寿命迅速下降，其中烟道与反应器最低寿命分别为3465次和4247
次，主要出现在结构不连续区域，与应力、应变分布趋势相同。利用热分析耦合瞬态动
力学，探究反应器于不同负荷工况间切换形成的热冲击。研究发现，瞬态分析初始载荷
步生成较大的应力，远高于热固耦合稳态计算结果，且两者疲劳寿命相差较大，验证了
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
工作过程中暖机的必要性。
关键词：船用柴油机；高压SCR系统；多场耦合；强度校核；疲劳分析
船用柴油机高压SCR系统结构强度与疲劳仿真分析
Abstract
Withtheincreasingprosperityofeconomicglobalizationandworldtrade,theapplication
ofmarinedieselenginesisbecomingmoreandmoreextensive.TheIMO(International
MaritimeOrganization)hasstricterrequirementsforNOxemissionsfromdieselengines.SCR
（Selectivecatalyticreduction）technologyisaneffectivemeasuretosolvetheaboveproblems.
Inthispaper,thehigh-pressureSCRsystemofmarinedieselenginewastakenastheresearch
object.ThecalculationmodelwasconstructedbySpaceClaim