摘要：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，建立了精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。计算结果表明，所设计的船舶导热油锅炉底座支撑平台钢架满足设计要求，研究结果可为大型特种钢架的模态分析提供依据和参考。

　　关键词：锅炉钢架；有限元；模态分析

　　随着科学技术的发展，现在国内外大多数机械产品的设计、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[1-2]。有限元软件能够详细直观的反映出所设计产品的力学特性，能够尽早的发现产品的缺陷，提高设计效率，保证设计质量。设计者只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设计缺陷，大大的缩短设计周期，降低生产成本，使设计产品更加完善。

　　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。加装之前需要设计一个锅炉底座支撑平台钢架，所设计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，满足设计要求。

　　1.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，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6×4.8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[1-2]。

　　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2.1×E+11MPa，材料的泊松比取为0.3，密度为7800kg/m3进行材料属性定义 [5]。

　　如图1所示对整个锅炉底座支撑平台钢架按照按设计要求进行建模，然后对钢架模型进行自由网格划分，为了满足计算精度和减少运算时间，网格尺寸控制为0.2m[2]。

　　如图2所示对整个锅炉底座支撑平台钢架按照实际安装要求进行约束，与墙体和地面连接的钢架采用全约束。

　　图1锅炉平台钢架模型图

　　图2 锅炉平台钢架约束图

　　2.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，阻尼很小而动力放大系数很大，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[3-4]。

　　公式1是任意一个系统振动模态分析基本方程：

　　（1）

　　其中： [M]是质量矩阵；

　　[C]是阻尼矩阵；

　　[K]是系统的刚度矩阵；

　　、 、 分别是系统的加速度、速度、位移矢量。

　　公式2为无阻尼系统自由振动方程：

　　（2）

　　对于任何一阶固有频率，必有相应的特征向量 与之对应，即公式3：

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