基于有限元的船舶导热油锅炉底座支撑平台模态计算分析.doc

基于有限元的船舶导热油锅炉底座支撑平台模态计算分析
本文针对船舶导热油锅炉底座支撑平台这种钢结构，运用AUTO-CAD与ANSYS相结合的方法，建立了准确地钢架整体有限元模型，使用有限元软件ANSYS对导热油锅炉底座支撑平台整体钢架进行模态计算分析。计算结果说明，所制定的船舶导热油锅炉底座支撑平台钢架满足制定要求，研究结果可为大型特种钢架的模态分析提供依据和参照。
随着科学技术的发展，现在国内外大多数机械产品的制定、分析都离不开有限元软件的支持，有限元软件起到了越来越重要的作用。有限元软件能够具体直观的反映出所制定产品的力学特性，能够及早的发现产品的缺陷，提升制定效率，保证制定质量。制定者只必需建立准确的产品仿真模型，就能够直观的分析出产品的力学特性和制定缺陷，大大的缩短制定周期，降低生产成本，使制定产品更加完善。
为了响应国家节能减排的号召，决定对上海海事大学自动化机舱实验室中柴油机的余热进行利用，在自动化机舱中加装导热油锅炉。加装之前必需要制定一个锅炉底座支撑平台钢架，所制定钢架的最小固有频率应该大于外界的激励频率，避免共振的发生，满足制定要求。
锅炉底座支撑平台钢架的有限元建模
上海海事大学自动化机舱实验室是由三层钢架平台搭建而成，分别位于主机两侧贴靠机舱墙体建造与主机固定钢架平台在两层桥接相连。现对机舱进行导热油加热系统改装，必需要添加燃油废气组合型导热油锅炉及其相关设备，相应增加锅炉底座钢结构平台。此锅炉连接主机的排气口，利用柴油机的废气余热加热舱油油柜来达到余热利用和节能的必需要。经过现场和图纸的匹配计算，决定在锅炉安装位置主机排气管侧的两层半搭建一个64.8米的锅炉支撑平台钢架。
由于平台钢架节点均为刚性连接，所以整个平台钢架选用结构单元solid45。ANSYS中solid45用于建立三维实体结构模型，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个分别沿着x、y、z方向平移的自由度。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变等功能，可以很好地模拟平台钢架。
排气管道钢架材料为Q235-A，材料在常温下的屈服极限为235MPa，强度极限为380MPa，按照弹性模量为2.1E+11MPa，材料的泊松比取为0.3，密度为7800kg/m3进行材料属性定义。
锅炉底座支撑平台钢架的模态分析
锅炉支撑平台钢架由于和整个柴油机平台相连接，整个钢架不可避免的会受到柴油机启动、运行、停车时产生的振动冲击，而当这些冲击的振动频率与平台钢架的固有频率相接近时，就会产生共振，尤其是要避免柴油机在常用转速下的低阶共振问题。因为在低频振动时，阻尼很小而动力扩展系数很大，即使激励力幅值很小，在共振时也会产生很大的振幅，甚至造成破坏。
模态分析是从原始参数〔结构特性、材料特性等〕开始计算，运用有限元法形成整个系统的质量矩阵、刚度矩阵的离散数学模型，再求解特征值，确定模态参数。
在对锅炉底座支撑平台钢架进行模态计算时，要忽略其所受到的外部载荷。而在实际操作过程中，影响结构机械性能的主要是其低阶模态，高阶模态的影响较小，所以采纳subspace方法对排气管道钢架提取前20阶模态进行分析。subspace方法比较合适于提取中型到大型模型的较少的阵型〔﹤40〕,内部使用广义的Jacobi迭代算法，在用于实体单元时，具有内存要求低、精度较高的特点。
表1 锅炉支撑平台钢架的前20阶固有频率
阶数频率　阶数频率　阶数频率　阶数频率　阶数频率16.5033525.303932.161342.5271752.73129.9022627.1021032.2641444.731859.651312.322728.441134.3391550.1361964.385422.142830.4251241.0651650.8852068.251
表1是锅炉支撑平台钢架前20阶固有频率，从表中可见锅炉支撑平台钢架的最小固有频率为6.5033Hz，可以发现排气管道钢架的最小固有频率大于柴油机的激励频率2.3Hz，所以共振不会发生。而且振型基本上是单一H型钢的表位移，整体的位移变化量不大。所以满足制定要求，不必需改变结构。
本文运用AUTO-CAD对船舶导热油锅炉底座支撑平台钢架进行了准确的建模，然后导入有限元计算软件ANSYS对其进行模态计算分析，从理论上验证了此船舶导热油锅炉底座支撑平台钢架的固有频率能够避开激励频率，避免共振的发生，从而满足制定要求，不必需改变结构。研究结果可为大型特种钢架的模态分析提供依据和参照。