海洋工程船舶直升機甲板模塊設(shè)計計算

李清斌

（渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦 124010）①

海洋工程船舶直升機甲板模塊設(shè)計計算

李清斌

（渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦 124010）①

為了實現(xiàn)海洋工程船舶海上緊急救援的功能，對工程船舶上直升機甲板模塊的設(shè)計進行分析。直升機甲板模塊采用外伸的桁架式結(jié)構(gòu)，適用S-92型直升機，主要由管支撐、面板、加強筋、梯道、安全網(wǎng)、著陸網(wǎng)、疏排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、邊界燈等構(gòu)成。利用SACS軟件建立了三維有限元分析模型，對梁、立柱以及板材進行強度校核。通過計算證實外伸的桁架式直升機甲板模塊設(shè)計能夠滿足S-92型直升機的起降強度和規(guī)范要求。

甲板模塊；直升機；強度；載荷

海洋石油勘探開發(fā)的惡劣環(huán)境威脅人身和設(shè)備的安全，當需要應(yīng)急救援時，可以調(diào)用直升機［1］。直升機甲板是為直升機提供起降和停放的場所，要求具有較高強度和穩(wěn)定性。高端海洋工程船舶的核心設(shè)計基本都被美國、挪威、新加坡等國外知名的設(shè)計公司所壟斷，特別是直升機甲板等平臺特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計更是很難尋覓到有參考價值的文獻資料。通過對S-92機型直升機甲板模塊的設(shè)計、計算實例分析，為船舶與海洋工程領(lǐng)域直升機甲板模塊的設(shè)計人員提供參考與借鑒。

1 直升機甲板模塊總體設(shè)計

某船為雙螺旋槳、電力推進、航行工況為無限航區(qū)的海上運輸安裝船（如圖1），具有水上吊裝和坐底作業(yè)能力。主甲板下分為艏部區(qū)域、貨物甲板區(qū)域和艉部區(qū)域。主甲板上分為艏樓區(qū)域和船員居住區(qū)域。船舶總長144 m，型寬40 m，型深10.75 m，設(shè)計吃水5.5 m，最大坐底作業(yè)水深9.5 m。直升機甲板模塊布置在船舶的艏部，利用管支柱與主船體結(jié)構(gòu)連接，呈外伸的桁架結(jié)構(gòu)。直升機甲板為正八角形，甲板直徑22.2 m，適用S-92型直升機。直升機甲板模塊如圖2所示。

圖1 安裝船總體布置

1.1 直升機甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計

直升機甲板主體采用外伸的桁架結(jié)構(gòu)，主要是由加筋面板、T型框架、連接肘板、管支柱焊接而成的剛性結(jié)構(gòu)體。設(shè)計時需要根據(jù)規(guī)范對障礙物的限高要求確定直升機甲板平面高度和橫向肋位坐標，并充分考慮直升機甲板的總體強度以及節(jié)點連接的局部強度。

直升機甲板模塊設(shè)置有主通道、左舷通道、右舷通道3個通道；在直升機甲板邊界設(shè)置向上傾10°且水平寬度1.5 m的安全網(wǎng)；并在直升機甲板的起降區(qū)域設(shè)置嵌入式栓系點。

1.3 消防及疏排水系統(tǒng)設(shè)計

在直升機甲板的周邊設(shè)有防止液體積存和流落到平臺其他地方的疏排水系統(tǒng)，可以將平臺積液獨立快排至舷外或收集。并在甲板平臺的兩舷設(shè)置有左舷消防系統(tǒng)和右舷消防系統(tǒng)，達到了平臺甲板面交叉全覆蓋的消防設(shè)施要求。

1.4 甲板周邊燈具的布置設(shè)計

在直升機甲板邊界按照規(guī)范距離要求布置有周界燈和強光照明燈。

1.5 甲板標記設(shè)計

直升機甲板模塊組裝完成后，需要按照規(guī)范要求在甲板面上涂裝標識H、降落環(huán)、起飛質(zhì)量、起降邊界線、無障礙區(qū)V、平臺名稱等甲板標記。

初彭齡從福建學政升任云南巡撫，其重要使命是監(jiān)督西南高官，杜絕貪腐。離京前，皇帝面諭“以富綱歷任巡撫總督聲名平常，祗以貪婪實跡未經(jīng)敗露，不即加以嚴譴，嗣后務(wù)當痛加改悔兾贖重愆，令初彭齡向富綱當面?zhèn)髦肌保?9］。富綱納入了參劾視野。十二月，富綱誤認為軍機處寄給云貴總督書麟之公文對己不利，私拆公文，引起皇帝不滿。十二月二十五，富綱在京財產(chǎn)被查封。

圖2 直升機甲板模塊

2 甲板模塊強度計算

2.1 建立三維有限元分析模型

該船艏部直升機甲板適用機型為S-92型直升機，最大起飛質(zhì)量12 020 kg，輪距3.84 m。甲板模塊主體結(jié)構(gòu)由型材框架結(jié)構(gòu)支撐，連接在船體上層建筑上，主要校核飛機坪強度和船體支撐結(jié)構(gòu)的強度。根據(jù)甲板模塊的總體設(shè)計圖，利用SESAM軟件建立三維有限元分析模型（如圖3），平臺甲板的板及型材在模型中簡化為帶板梁并采用等截面梁來模擬，以便進行校核分析。

圖3 甲板及船體支撐結(jié)構(gòu)模型

2.2 設(shè)計載荷

按照CCS《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》第2篇11.3節(jié)的要求，直升機平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)考慮3種設(shè)計工況：甲板均布載荷工況、直升機著陸時碰撞工況和直升機存放工況。根據(jù)這3種設(shè)計工況，結(jié)合不同的直升機著陸位置進行結(jié)構(gòu)強度校核。

2.2.1 甲板均布載荷工況

考慮整個甲板區(qū)域上面覆蓋2 k N／m2的均布載荷。

2.2.2 直升機著陸時碰撞工況

應(yīng)考慮下列載荷的聯(lián)合作用：

1） 直升機正常降落時的垂直沖擊載荷PH＝1.5P（P為最大起飛重力），并均勻分布在直升機著陸時著地的輪印上（一般情況下假定為兩輪同時著地）。如無實際輪印尺寸資料，輪印可取0.30 m× 0.30 m的正方形面積。結(jié)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)按其受力最不利的直升機著地位置考慮。

2） 當直升機平臺的起降甲板為上層建筑或甲板室頂甲板，且其下處所通常有人活動（如控制室、船員住室等）時，則上述垂直沖擊載荷PH＝1.75P。

3） 直升機平臺結(jié)構(gòu)自重力。必要時應(yīng)考慮0.52 k N／m2的均布載荷，以考慮雪、冰或其他環(huán)境載荷。

2.2.3 直升機存放工況

應(yīng)考慮下列載荷的聯(lián)合作用：

1） 承受最大起飛重力的機輪載荷，其著地承載面積可按直升機碰撞工況中的假設(shè)計算。

2） 直升機平臺結(jié)構(gòu)自重力。必要時應(yīng)考慮0.5 k N／m2的均布載荷，以考慮雪、冰或其他環(huán)境載荷。

3） 應(yīng)考慮在可存放的相應(yīng)環(huán)境條件下，直升機和直升機平臺結(jié)構(gòu)由于船舶運動而產(chǎn)生的慣性力。如無合適資料，則水平慣性力和垂直慣性力可取存放的直升機和直升機平臺結(jié)構(gòu)自重力相應(yīng)載荷的1／2。

2.3 載荷工況選取與說明

工況100：甲板均布荷載工況。

工況201～212：直升機著陸時碰撞工況，著陸位置（如圖4）。

工況303、306、308、309、403、406、408、409：直升機存放工況。

圖4 直升機著陸位置示意

2.4 計算結(jié)論

通過SESAM軟件運算，求解船體支撐結(jié)構(gòu)在各個組合工況下的Von Mises應(yīng)力值（如表1）和加載工況船體支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（如圖5）。由表1可知：Von Mises應(yīng)力均小于許用應(yīng)力值，得出直升機平臺結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表1 船體支撐結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力最大值

圖5 工況409船體支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

3 現(xiàn)場安裝和試驗

在前期方案設(shè)計和計算滿足規(guī)范要求的前提下，對直升機甲板模塊進行現(xiàn)場制作安裝（如圖6），并對安全網(wǎng)進行了吊重試驗和甲板配載沖擊試驗。試驗結(jié)果表明，前期設(shè)計滿足S-92型直升機安全起降的強度和規(guī)范要求。

圖6 直升機甲板模塊現(xiàn)場安裝

4 結(jié)語

海洋工程船舶搭載直升機甲板模塊已經(jīng)成為高端海工裝備的標志性結(jié)構(gòu)，特別是海上安全備受關(guān)注的今天，配置直升機甲板模塊也是海洋裝備的必要設(shè)施。直升機甲板模塊的設(shè)計首先要確保直升機起降的可靠性和安全性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出結(jié)構(gòu)更加合理、外形更具美感的飛機甲板平臺是每個設(shè)計者不斷追求的設(shè)計理念。

［1］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.海洋石油安全管理細則［S］.2009.

［2］ 方華燦，陳國明.渤海石油鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測［J］.石油礦場機械，1997（5）：2-6.

［3］ 張連山.直升飛機拖運海上駁船［J］.石油礦場機械，1985（6）：66.

［4］ 修言.直升飛機在救援中的作用［J］.中國個體防護裝備，2008（3）：9.

［5］ 陶勇.話說直升飛機［J］.裝備制造，2008（7）：89-90.

［6］ 左汝強.直升飛機在我國中西部山區(qū)地質(zhì)鉆探中應(yīng)用前景［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），1999（S1）：172-176.

［7］ 李樹林.陸上直升機機場環(huán)境影響評價［J］.云南環(huán)境科學，2001（S1）：130-133.

［8］ 方華燦.海洋石油鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問題［J］.鋼結(jié)構(gòu)，1993（1）：39-45.

［9］ 賈星蘭，方華燦.海洋石油鋼結(jié)構(gòu)焊接區(qū)域的疲勞損傷研究［J］.中國海洋平臺，1993（6）：242-246.

Design and Calculation of the Helicopter Deck Module on Marine Engineering Ship

In order to realize the function of the marine engineering ship marine emergency rescue，the study of engineering ship helicopter deck module was designed.The outrigger truss stiffened structure design is adopted，being suitable model for S-92，mainly supported by tube，panel，stiffener，staircases，safety nets，landing net，hydrophobic drainage system，fire control system，boundary lamp，etc.Three-dimensional finite element analysis model was established based on software SACS，check analysis of beam and column and plate.Conclusion confirmed by calculation the outrigger truss type helicopter deck module design can satisfy the intensity of S-92 aircraft landing and specification requirements.

deck module；helicopter；strength；load

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.009

1001-3482（2014）09-0032-04

2014-03-18

李清斌（1981-），男，遼寧大連人，工程師，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，E-mail：lqb6236＠126.com。