居住鋪管船直升機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析

朱娜娜，李 亮

（南通欣通船舶與海洋工程設(shè)計(jì)有限公司 船體部，江蘇 南通 226004）

0 引言

隨著能源結(jié)構(gòu)的改變和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格，海洋資源的開發(fā)空間和利用規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，與之相適應(yīng)的海洋工程已成為近三十年來發(fā)展最迅速的工程之一。而連接海洋工程與岸上基地之間（運(yùn)送技術(shù)人員，補(bǔ)給物資和設(shè)備輸送等），除了海洋工程輔助船之外，最直接、最便捷的方法便是直升機(jī)運(yùn)輸。因此，直升機(jī)平臺(tái)是目前海洋工程上常用來降落直升機(jī)的必要附屬品。本文說明了某居住鋪管船的直升機(jī)平臺(tái)以其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為重點(diǎn)，通過有限元計(jì)算軟件FEMAP對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算，得到的綜合應(yīng)力直接用于評(píng)估結(jié)構(gòu)能否滿足屈服強(qiáng)度要求。[1]此海洋工程船可居住人數(shù)為300人，起吊能力為1 600噸，可駛往無限航區(qū)，入級(jí)ABS船級(jí)社。

1 有限元建模

1.1 直升機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其支撐部分模型

直升機(jī)平臺(tái)位于某居住鋪管船艏部，高于上層建筑，采用外伸甲板形式。平臺(tái)為鋼制焊接形式，形狀為八邊形，甲板布置與一般甲板結(jié)構(gòu)相似，采用縱骨架式，骨材間距為600mm。結(jié)構(gòu)屬于板架結(jié)構(gòu)，均采用普通鋼。甲板板厚度為8mm，普通型材采用角鋼L160×100×12，強(qiáng)框架則采用大小為T400×8+200×10的T材和大小為H220×220×14×14的工字鋼，直升機(jī)甲板下支撐結(jié)構(gòu)為圓管，并利用支撐在上層建筑的縱橫艙壁以及外圍壁處等組成三角桁架結(jié)構(gòu)形式。與主船體連接的圓管支撐為主支撐，大小為Φ204×15，與平臺(tái)連接的圓管支撐大小為Φ114×8，其他連接主輔支撐形成桁架結(jié)構(gòu)的圓管大小為Φ166×10。其所服務(wù)直升機(jī)型號(hào)為Sikorsky S61N，重量9.3噸，查規(guī)范得此型號(hào)配對(duì)的直升機(jī)平臺(tái)直徑為22.2m。所建立模型為整個(gè)直升機(jī)平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)部分，有限元模型如圖1、2所示。其中，甲板、T材腹板等使用屈曲板單元模擬，T材面板采用桿元單元模擬。所有加強(qiáng)筋和支撐桿用梁單元模擬。此外，模型的細(xì)化程度會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因?yàn)橛邢拊?jì)算越精細(xì)，計(jì)算所得的高峰值就越大。[2]所以，在使用FEMAP進(jìn)行建模之前必須根據(jù)規(guī)范描述，合理選擇當(dāng)前模型所適合的網(wǎng)格大小，然后對(duì)需要建模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體規(guī)劃，才可著手建模。不可盲目按照傳統(tǒng)的建模方法，從粗到細(xì)做一步算一步，這樣會(huì)使模型凌亂甚至無法繼續(xù)。本平臺(tái)根據(jù)ABS相關(guān)規(guī)范的精度要求，其單元格大小取為300×300 mm。

1.2 邊界條件

支撐管端部連接在船體相關(guān)艙壁或強(qiáng)構(gòu)件處，有限元邊界取線性約束，如圖3所示。

圖1 平臺(tái)甲板、桁材和加強(qiáng)筋有限元模型

圖2 支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 約束條件

2 載荷與工況

2.1 載荷簡述

直升機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)載荷是海洋工程結(jié)構(gòu)中相對(duì)較為復(fù)雜和繁瑣的部分。為此，各個(gè)船級(jí)社都有專門針對(duì)直升機(jī)平臺(tái)的規(guī)范，雖然存在不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的規(guī)范要求，但是載荷方式都大同小異。因本船入級(jí)ABS船級(jí)社，ABS對(duì)直升機(jī)平臺(tái)沒有特別要求，所以本文分析的平臺(tái)主要通過綜合考慮民航局CAP437和海工通用規(guī)范，進(jìn)行載荷選取。

海洋工程受力分析通常將載荷分為三類：永久載荷，變載荷以及環(huán)境載荷。[3]其中永久載荷指在各種條件下矢量方向和值都不變的載荷，如飛機(jī)平臺(tái)的自重、平臺(tái)上的舾裝件等；變載荷指在不同條件下矢量方向和值都會(huì)發(fā)生變化的載荷，對(duì)直升機(jī)平臺(tái)而言，即為直升機(jī)降落在不同位置的著陸沖擊負(fù)載，此外，還有緊急著陸時(shí)的沖擊負(fù)載；環(huán)境載荷主要為風(fēng)載荷，少數(shù)惡劣環(huán)境下，由于甲板積雪會(huì)有冰雪載荷。

關(guān)于施加載荷，一般情況下，直升機(jī)甲板整個(gè)平臺(tái)的受力都要按照一樣的來考慮，而計(jì)算時(shí)只需要挑出較弱的位置，主要為跨距偏大的地方或甲板邊界位置。針對(duì)本文直升機(jī)平臺(tái)而言，應(yīng)力集中且比較大的區(qū)域

主要為直升機(jī)降落時(shí)對(duì)平臺(tái)所產(chǎn)生的載荷，主要分布在甲板邊界位置，在加載時(shí)應(yīng)盡可能考慮直升機(jī)從各個(gè)可能的方向降落，因此載荷位置根據(jù)直升機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式、大小以及降落方式來選取。

2.2 載荷分析

根據(jù)實(shí)際情況，筆者將載荷分為以下9種，分別以L0-L8表示，具體情況如下：

（1）L0為最大起飛重量，用MTOW表示，其值為9.3t。

（2）L1為普通著陸沖擊負(fù)載。普通情況下，沖擊系數(shù)為1.5，所以普通著陸沖擊負(fù)載為1.5倍的最大起飛重量，其值為136.71kN。直升機(jī)著陸點(diǎn)設(shè)為2個(gè)單元格，則著陸沖擊轉(zhuǎn)換為均布載荷Lpj1計(jì)算如式（1）所示。

（3）L2為緊急著陸沖擊負(fù)載。緊急情況下，沖擊系數(shù)為2.5，所以普通著陸沖擊負(fù)載為2.5倍的最大起飛重量，其值為227.85kN。直升機(jī)著陸點(diǎn)設(shè)為2個(gè)單元格，則緊急著陸沖擊轉(zhuǎn)換為均布載荷Lpj2計(jì)算如式（2）所示。相比普通著陸，緊急降落具有無預(yù)見性。因此，可能降落的區(qū)域比普通著陸要多，分析時(shí)必須考慮周全。

（4）L3為側(cè)向負(fù)載，其值為45.57 kN，轉(zhuǎn)換為點(diǎn)載荷為5 696.25 N。

（5）L4為直升機(jī)平臺(tái)自重，該載荷由FEMAP軟件自動(dòng)計(jì)算。

（6）L5為工作條件風(fēng)載，其方向與側(cè)向負(fù)載方向相同。由規(guī)范查取無限航區(qū)作業(yè)工況風(fēng)速最大值為36 m/s，則風(fēng)壓計(jì)算如式（3）所示，風(fēng)載計(jì)算如式（4）所示。其中，V：風(fēng)速，m/s；f：系數(shù)，取 0.611；Ch：高度系數(shù)，取1.1；Cs：形狀系數(shù)，取1.3，A為暴露的橫截面積，即所有縱向桁材和支撐構(gòu)件的側(cè)投影面積，值為57.32m2。

（7）L6為自存條件風(fēng)載，其方向與側(cè)向負(fù)載方向相同。由規(guī)范查取無限航區(qū)自存工況風(fēng)速最大值為51.5 m/s，則風(fēng)壓P計(jì)算如式（5）所示，風(fēng)載F計(jì)算如式（6）所示。

（8）L7為附加載荷，主要為冰雪載荷等，其值為500 N/m2。

（9）L8為直升機(jī)最大集貨載荷，甲板均布載荷2 010N/m2。此載荷針對(duì)于貨物直升機(jī)，即貨物直升機(jī)裝載前，所有貨物平鋪在直升機(jī)平臺(tái)上，等待搬運(yùn)。

2.3 選取不同載荷的組合工況

飛機(jī)平臺(tái)上的載荷不可能單獨(dú)存在，所以此直升機(jī)平臺(tái)所受載荷工況應(yīng)按照以上各類載荷進(jìn)行組合選取。選取時(shí)應(yīng)注意考慮實(shí)際情況，既要考慮周全，又要使組合工況從簡。比如在直升機(jī)平臺(tái)自存條件下，便不需要考慮直升機(jī)升降的沖擊載荷，但由于自存條件下的船體橫搖，又會(huì)有側(cè)向負(fù)載等。本平臺(tái)組合工況共29種，分別以LC1-LC29表示，其具體情況如下：

（1）正常著陸工況。在該工況下，共有LC1-LC12十二種組合工況，其載荷組成相同，均為1.3×L1+L3+L4+L5+L7，其中1.3靜載荷響應(yīng)系數(shù)。但不同的是載荷L1作用于十二種不同的著陸地點(diǎn)，形成了這十二種組合工況。

（2）緊急著陸工況。在該工況下，共有LC13-LC26十四種組合工況，其載荷組成相同，均為1.3×L2+L3+L4+L5+L7，其中1.3靜載荷響應(yīng)系數(shù)。但不同的是載荷L2作用于十四種不同的著陸地點(diǎn)，形成了這十四種組合工況。

（3）作業(yè)工況。在該工況下，有LC27這一種組合工況，其載荷組成為L4+L5+L7。

（4）自存工況。在該工況下，有LC28這一種組合工況，其載荷組成為L0+L3+L4+L6+L7。

（5）貨物直升機(jī)工況。在該工況下，有LC29這一種組合工況，其載荷組成為L4+L8。

3 應(yīng)力橫準(zhǔn)系數(shù)

同載荷設(shè)計(jì)一樣，對(duì)于直升機(jī)平臺(tái)最大應(yīng)力值的校核標(biāo)準(zhǔn)，也區(qū)別于普通海洋工程結(jié)構(gòu)計(jì)算。具體原因有兩種。

（1）直升機(jī)平臺(tái)有緊急迫降這一特殊工況，但并非海上常見工況，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞，這一類特殊工況應(yīng)力橫準(zhǔn)系數(shù)為1。

（2）直升機(jī)平臺(tái)載荷包含局部載荷和均布載荷，局部載荷橫準(zhǔn)系數(shù)為1.25，均布載荷橫準(zhǔn)系數(shù)較大，為1.67。因此包含均布載荷的工況校核系數(shù)都為1.67。

綜上所述，此平臺(tái)的組合工況相應(yīng)的應(yīng)力橫準(zhǔn)值有三種，對(duì)于LC1-LC12以及LC28，其許用應(yīng)力σ1如式（7）所示；對(duì)于LC13-LC26，其許用應(yīng)力σ2如式（8）所示；對(duì)于LC27及LC29，其許用應(yīng)力σ3如式（9）所示；

4 結(jié)果分析

通過對(duì)以上各組合工況，分別對(duì)已經(jīng)建立的模型進(jìn)行加載和運(yùn)算分析，對(duì)比軟件計(jì)算出的最大值和應(yīng)力橫準(zhǔn)值，小于應(yīng)力橫準(zhǔn)值即可。所有組合工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 所有組合工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

下面以LC5為例，應(yīng)用FEMAP有限元軟件對(duì)其材料受力情況進(jìn)行分析，甲板板、骨材腹板的板單元應(yīng)力如圖4所示，型材面板的桿元軸應(yīng)力和支撐管的梁單元綜合應(yīng)力如圖5所示。

圖4 甲板板、骨材腹板的板單元應(yīng)力

圖5 型材面板的桿元軸應(yīng)力和支撐管的梁單元綜合應(yīng)力

從有限元分析結(jié)果可以看出，受力最大的位置和實(shí)際情況基本相符。直升機(jī)平臺(tái)直接受力的是甲板，同時(shí)支撐管也會(huì)因甲板受壓而產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，因?yàn)橹鄙龣C(jī)甲板的結(jié)構(gòu)受力類似于懸臂梁受力狀況，受力最大的部位就是根部，所以這些部位相當(dāng)重要，需要適當(dāng)加強(qiáng)以此滿足強(qiáng)度要求。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不能僅僅加強(qiáng)甲板而忽視力的傳遞，應(yīng)在避免應(yīng)力集中的同時(shí)，又能為結(jié)構(gòu)節(jié)省材料。

5 結(jié)束語

如今直升機(jī)運(yùn)輸已成為海洋工程必不可少的運(yùn)輸方式，直升機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式也越來越受到海工設(shè)計(jì)者的重視。但近年來海洋工程船還是頻發(fā)直升飛機(jī)平臺(tái)裂縫現(xiàn)象，并且這些裂縫的產(chǎn)生一般都不是在正常作業(yè)中，而是在拖航或者避港狀態(tài)下產(chǎn)生，原因就是對(duì)直升機(jī)平臺(tái)所可能遇到的工況分析不足。我們?cè)谠O(shè)計(jì)初期需要先針對(duì)不同類型進(jìn)行比對(duì)確定結(jié)構(gòu)尺寸，如果經(jīng)驗(yàn)不足，可以根據(jù)一些其他船級(jí)社規(guī)范來粗略計(jì)算結(jié)構(gòu)大小，如DNV船級(jí)社規(guī)范。本文通過有限元軟件FEMAP，分別對(duì)直升機(jī)平臺(tái)的建模、載荷、橫準(zhǔn)等做了介紹，并全面分析了直升機(jī)平臺(tái)可能遇到的載荷，以適應(yīng)各種工況下的強(qiáng)度要求，使直升機(jī)平臺(tái)不再是海工裝備中最為薄弱的一環(huán)。

[1]傅永華.有限元分析基礎(chǔ) [M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.

[2]孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2003.

[3]孫東昌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2005.