CN107229776A - 一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法，通过隔振器静态加载实验，进行刚度测试，根据隔振器刚度迟滞回线，得出隔振器在受载荷下的刚度；然后，建立考虑排烟管在内的隔振系统三维模型；通过对隔振系统的模态实验与模态计算的相关性分析，修正约束刚度；确定排烟管的垂向刚度；估计得到排烟管径向刚度的取值范围，计算模态参数。本发明通过考虑了柴油机隔振系统的排烟管因热膨胀，导致了隔振系统与上层空间产生刚性约束。从而修正排烟管的刚度特性，将隔振系统模型进行优化，隔振系统模态分析结果更精确。

Description

一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法

技术领域

本发明涉及的船舶柴油机领域，具体地说是一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法。该方法主要应用于船舶柴油机模态分析领域。

背景技术

现有柴油机隔振系统的模态分析方法主要有计算分析与模态测试。模态测试是要求对已经投入使用的柴油机组进行测试，这不利于在研发阶段进行改进。但由于制造成本与周期的问题，会增加大量设计改进的时间。而模态计算由于周期短，成本低，因此在研发阶段是非常方便的。

准确地计算隔振系统的模态至关重要。目前在船舶领域，对隔振系统的固有特性计算，无论是单层隔振系统还是多层隔振系统，多刚体法这一传统方法应用的最广泛。在大多数的柴油机隔振系统设计当中，都是采用多刚体法对机组进行理论模态计算。依据隔振器的刚度大小和参考位置坐标，以及柴油机的质量和绕三个垂向的惯性矩，通过计算得出前6阶固有频率，以此来进一步判断隔振系统性能的优良，从而校核隔振器型号的选择。如2016年4月喻浩在《船舶工程》发表的《船用柴油发电机组的浮筏隔振及其效果分析》，作者依据多刚体法建立柴油机组模型时，没有考虑排烟管热膨胀产生的刚度约束对模态的影响。因此从多刚体法的基本理论可以了解，在依据多刚体法计算柴油机隔振系统固有特性时，没有考虑与整个机组连接的排烟管等刚度对固有特性的影响。由于排烟管的刚度影响，使得模态分析结果与实际测试得到的机组模态存在较大误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种更加精确的，考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法，包括如下步骤：

步骤一：通过隔振器静态加载实验，进行刚度测试，根据隔振器刚度迟滞回线，得出隔振器在受载荷下的刚度。

步骤二：建立隔振系统的三维模型；

所述的模型包括：柴油机、发电机组、排烟管、淡水管路、隔振器；

步骤三：通过对隔振系统的模态实验与模态计算的相关性分析，修正约束刚度；

步骤四：对排烟管垂向刚度的校核与调整，确定排烟管的垂向刚度；

步骤五：估计得到排烟管径向刚度的取值范围，计算模态参数；

所述的模态参数，包括频率、振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼。

本发明还可以包括：

所述的静态加载实验的实施方法为，设定加载速度，对隔振器依次循环进行加载和卸载，得到载荷的位移曲线，通过计算位移曲线在相应载荷区的斜率，得到相应的静态刚度。加载和卸载的载荷范围设置为1-50KN，加载速度设置为2mm/min，循环次数为5。

本发明具有如下有益效果：与现有计算理论相比，在如今的隔振系统设计中，为了验证隔振器对柴油机的隔振效果，通常都是采用多刚体理论，计算的是柴油机组与隔振器组成的质量弹簧系统的模态。但是，在柴油机实际情况下，由于排烟管是波纹管，工作时排烟管会膨胀，排烟管路产生附加约束，会影响到机组的模态。本发明方法考虑排烟管热膨胀带来的刚度变化，计算得到的柴油机机组模态更精确。

附图说明

图1是隔振器迟滞回线。

图2是本发明分析流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明中的技术方法，下面将对现有方法结合附图作具体地阐述说明。

以某柴油机为对象，先理论计算修正后的隔振系统模型的模态，并用振动分析仪测试机组模态，通过比较分析排烟管刚度的影响。具体技术方案如下：

第一步：通过隔振器静态加载实验，进行刚度测试，根据隔振器刚度迟滞回线，得出隔振器在受载荷下的刚度。

通过静态加载实验测试隔振器的迟滞回线，进而得到隔振器在工作载荷下的静态刚度。按照一定的加载速度，对隔振器进行加载和卸载得到载荷的位移曲线，通过求得曲线在相应载荷区间的斜率得到相应的静态刚度。加载的范围设置为1-50KN，加载的速度设置在2mm/min，循环次数为5。结果如附图1所示。

第二步：在Pro/E软件，参照柴油机组的图纸建立三维模型，模型包括柴油机、发电机组、排烟管、淡水管路、隔振器。

应用Pro/E软件建立该机组的三维简化模型，由于公共底座的刚度较大，需要对公共底座精确建模，其中将12个隔振器的坐标及底座准确地表示出来，模型的其他常数变量进行微调。最后，将模型进行装配完整，将建好的模型导入Hypermesh中进行网格划分，共划分8423个节点，32273个单元。模型中加入了边界条件：12个隔振器三向支撑、排烟管三向约束以及管路约束。弹性模量取2.1E11，泊松比取0.3。

第三步：通过对隔振系统的模态试验与模态计算的相关性分析，开展对有限元模型中约束刚度的修正工作。通过对排烟管垂向刚度的校核与调整，确定排烟管的垂向刚度以及各项模态参数。所述的各项模态参数包括频率、振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼等。

排烟管路对机组模态的影响是很大的，因此确定其刚度最为关键。首先需要确定排烟管的垂向刚度，再通过垂向刚度与径向刚度是倍数关系，确定三个方向的刚度大小。因此可见，在ANSYS计算模型模态过程中，对于垂向刚度的确定最为必要。当排烟管垂向刚度从小到大不断以放大数量级的方式取值时，可以从变化趋势看出，当取某一数量级时，机组的固有频率发生较大变化，且变化很明显。在排烟管路垂向刚度确定之后，参照垂向与径向刚度的关系，估计出径向刚度的取值范围，进而计算出柴油机组的模态。

为了验证本发明方法的有效性，下面进行模态实验。将加速度传感器分别放到柴油机底座处，使用振动分析仪，通过敲击法测得机组的实际模态。将实验实测数据与传统方法计算结果和本发明方法结果相对比，比较模态参数之间的差异。实验实测数据与传统方法计算结果如表1所示，实验实测数据与本发明方法结果如表2所示。

由于柴油机组模态主要与质量及其弹性刚度有关系，在质量变化范围不大的情况下，只有刚度的约束是产生模态差异的主要原因。

以模态实验实测数据，结果如表1和表2所示。

由表1和表2可知，在相同条件下，本发明方法计算结果的误差要比传统方法的误差小很多。

表1实验实测数据与传统方法计算结果

表2实验实测数据与本发明方法结果

本方法主要是通过对隔振器刚度校核，测得隔振器的迟滞回线图像，并根据承载情况，对应求出隔振器实际的垂向刚度。其次，应用有限元模型的建立，针对排烟管的垂向刚度模拟分析，求出垂向刚度。最后，通过对径向的刚度进行估算，进而求出隔振系统的实际模态。它主要通过考虑柴油机组的排烟管等刚度对系统的实际影响，优化分析隔振系统的模态，使分析的结果与实验测得的系统模态更加吻合，对系统的隔振器选型更有指导意义，更加避免了隔振系统的共振等干扰。

Claims (3)

1.一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过隔振器静态加载实验，进行刚度测试，根据隔振器刚度迟滞回线，得出隔振器在受载荷下的刚度；

步骤二：建立隔振系统的三维模型；

所述的三维模型包括：柴油机模型、发电机组模型、排烟管模型、淡水管路模型、隔振器模型；

步骤三：通过对隔振系统的模态实验与模态计算的相关性分析，修正约束刚度；

步骤四：对排烟管垂向刚度的校核与调整，确定排烟管的垂向刚度；

步骤五：估计得到排烟管径向刚度的取值范围；

步骤六：在刚度矩阵上，加上排烟管的垂向刚度和径向刚度，计算得到模态参数；

所述的模态参数，包括振动频率、振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼。

2.如权利要求1所述的一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法，其特征在于，步骤一中所述的静态加载实验的实施方法为，设定加载速度，对隔振器依次循环进行加载和卸载，得到载荷的位移曲线，通过计算位移曲线在相应载荷区的斜率，得到相应的静态刚度。

3.如权利要求2所述的一种考虑排烟管热膨胀的柴油机隔振系统模态分析方法，其特征在于，加载和卸载的载荷范围设置为1-50KN，加载速度设置为2mm/min，循环次数为5。