本文針對(duì)船舶導(dǎo)熱油鍋爐底座支撐平臺(tái)這種鋼結(jié)構(gòu)，運(yùn)用AUTO-CAD與ANSYS相結(jié)合的方法，建立了精確地鋼架整體有限元模型，使用有限元軟件ANSYS對(duì)導(dǎo)熱油鍋爐底座支撐平臺(tái)整體鋼架進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的船舶導(dǎo)熱油鍋爐底座支撐平臺(tái)鋼架滿足設(shè)計(jì)要求，研究結(jié)果可為大型特種鋼架的模態(tài)分析提供依據(jù)和參考。
    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析都離不開(kāi)有限元軟件的支持，有限元軟件起到了越來(lái)越重要的作用。有限元軟件能夠詳細(xì)直觀的反映出所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的力學(xué)特性，能夠盡早的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，提高設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)者只需建立準(zhǔn)確的產(chǎn)品仿真模型，就能夠直觀的分析出產(chǎn)品的力學(xué)特性和設(shè)計(jì)缺陷，大大的縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，使設(shè)計(jì)產(chǎn)品更加完善。
    為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，決定對(duì)上海海事大學(xué)自動(dòng)化機(jī)艙實(shí)驗(yàn)室中柴油機(jī)的余熱進(jìn)行利用，在自動(dòng)化機(jī)艙中加裝導(dǎo)熱油鍋爐。加裝之前需要設(shè)計(jì)一個(gè)鍋爐底座支撐平臺(tái)鋼架，所設(shè)計(jì)鋼架的最小固有頻率應(yīng)該大于外界的激勵(lì)頻率，避免共振的發(fā)生，滿足設(shè)計(jì)要求。
    鍋爐底座支撐平臺(tái)鋼架的有限元建模
    上海海事大學(xué)自動(dòng)化機(jī)艙實(shí)驗(yàn)室是由三層鋼架平臺(tái)搭建而成，分別位于主機(jī)兩側(cè)貼靠機(jī)艙墻體建造與主機(jī)固定鋼架平臺(tái)在兩層橋接相連?，F(xiàn)對(duì)機(jī)艙進(jìn)行導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)改裝，需要添加燃油廢氣組合型導(dǎo)熱油鍋爐及其相關(guān)設(shè)備，相應(yīng)增加鍋爐底座鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)。此鍋爐連接主機(jī)的排氣口，利用柴油機(jī)的廢氣余熱加熱艙油油柜來(lái)達(dá)到余熱利用和節(jié)能的需要。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和圖紙的匹配計(jì)算，決定在鍋爐安裝位置主機(jī)排氣管側(cè)的兩層半搭建一個(gè)6×4.8米的鍋爐支撐平臺(tái)鋼架。
    由于平臺(tái)鋼架節(jié)點(diǎn)均為剛性連接，所以整個(gè)平臺(tái)鋼架選用結(jié)構(gòu)單元solid45。ANSYS中solid45用于建立三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)分別沿著x、y、z方向平移的自由度。此單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變等功能，可以很好地模擬平臺(tái)鋼架。
    排氣管道鋼架材料為Q235-A，材料在常溫下的屈服極限為235MPa，強(qiáng)度極限為380MPa，按照彈性模量為2.1×E+11MPa，材料的泊松比取為0.3，密度為7800kg/m³進(jìn)行材料屬性定義。
    鍋爐底座支撐平臺(tái)鋼架的模態(tài)分析
    鍋爐支撐平臺(tái)鋼架由于和整個(gè)柴油機(jī)平臺(tái)相連接，整個(gè)鋼架不可避免的會(huì)受到柴油機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、停車(chē)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊，而當(dāng)這些沖擊的振動(dòng)頻率與平臺(tái)鋼架的固有頻率相接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，尤其是要避免柴油機(jī)在常用轉(zhuǎn)速下的低階共振問(wèn)題。因?yàn)樵诘皖l振動(dòng)時(shí)，阻尼很小而動(dòng)力放大系數(shù)很大，即使激勵(lì)力幅值很小，在共振時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很大的振幅，甚至造成破壞。
    模態(tài)分析是從原始參數(shù)（結(jié)構(gòu)特性、材料特性等）開(kāi)始計(jì)算，運(yùn)用有限元法形成整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣的離散數(shù)學(xué)模型，再求解特征值，確定模態(tài)參數(shù)。
    在對(duì)鍋爐底座支撐平臺(tái)鋼架進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，要忽略其所受到的外部載荷。而在實(shí)際操作過(guò)程中，影響結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的主要是其低階模態(tài)，高階模態(tài)的影響較小，所以采用subspace方法對(duì)排氣管道鋼架提取前20階模態(tài)進(jìn)行分析。subspace方法比較適合于提取中型到大型模型的較少的陣型（﹤40）,內(nèi)部使用廣義的Jacobi迭代算法，在用于實(shí)體單元時(shí)，具有內(nèi)存要求低、精度較高的特點(diǎn)。
    表1  鍋爐支撐平臺(tái)鋼架的前20階固有頻率
 

 
    表1是鍋爐支撐平臺(tái)鋼架前20階固有頻率，從表中可見(jiàn)鍋爐支撐平臺(tái)鋼架的最小固有頻率為6.5033Hz，可以發(fā)現(xiàn)排氣管道鋼架的最小固有頻率大于柴油機(jī)的激勵(lì)頻率2.3Hz，所以共振不會(huì)發(fā)生。而且振型基本上是單一H型鋼的表位移，整體的位移變化量不大。所以滿足設(shè)計(jì)要求，不需改變結(jié)構(gòu)。

    本文運(yùn)用AUTO-CAD對(duì)船舶導(dǎo)熱油鍋爐底座支撐平臺(tái)鋼架進(jìn)行了精確的建模，然后導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析，從理論上驗(yàn)證了此船舶導(dǎo)熱油鍋爐底座支撐平臺(tái)鋼架的固有頻率能夠避開(kāi)激勵(lì)頻率，避免共振的發(fā)生，從而滿足設(shè)計(jì)要求，不需改變結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果可為大型特種鋼架的模態(tài)分析提供依據(jù)和參考。