直升機甲板的直接強度校核

郭 磊

（意大利船級社（中國）有限公司 上海200052）

直升機甲板的直接強度校核

郭 磊

（意大利船級社（中國）有限公司 上海200052）

［摘 要］直升機甲板是很多船型上重要的結(jié)構(gòu)設(shè)施，文中根據(jù)意大利船級社規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對一艘海工船的直升機甲板進行結(jié)構(gòu)強度方面的校核，為今后直升機甲板的相關(guān)規(guī)范審圖和設(shè)計提供有價值的參考。

［關(guān)鍵詞］直升機甲板；結(jié)構(gòu)強度校核

引 言

直升機甲板作為一個特殊裝置被裝配到很多船舶上，關(guān)于其強度校核，不同的船級社有不同的規(guī)范要求，本文根據(jù)意大利船級社的相關(guān)規(guī)范對一艘海工船的直升機甲板進行了有限元的直接強度校核。

1 直升機甲板的位置和尺寸

本文所研究的直升機甲板的位置如圖1所示。此直升機甲板長18 m、寬18 m、高15.8 m，其結(jié)構(gòu)尺寸為：板厚 14 mm；普通扶強材L150×90×9；主要支撐構(gòu)件 T-350×9+150×12。所有結(jié)構(gòu)材料均為普通鋼。

圖1 直升機甲板的位置

2 直升機甲板載荷及受力分析

根據(jù)意大利船級社（RINA）規(guī)范Part F Ch.13 Sec.16的相關(guān)規(guī)定，直升機甲板的板材、普通扶強材以及主要支撐構(gòu)件（PSM）要承受降落載荷、上浪壓力以及由于加速度和風(fēng)產(chǎn)生的載荷。

對于本文討論的直升機甲板，因其位于船尾，位置非常高，故只考慮直升機降落載荷以及由加速度和風(fēng)產(chǎn)生的載荷。

此直升機甲板搭載的直升機的質(zhì)量WH=5.3 t，直升機甲板受到直升機的降落載荷和相應(yīng)的重力及慣性力和風(fēng)載的作用。直升機的降落載荷在規(guī)范中有比較明確的規(guī)定，即FCR= 0.75WH。

關(guān)于自身的重力及慣性力，參見表1。

表1 靜水力和慣性力

已知：WP=68.54 t、AH=314.02 m2、AHX=47.71 m2、AHY=31.48 m2，實際估算的直升機甲板的重心坐標(biāo)為（7.47 m，0，14.83 m）。經(jīng)過計算，求得加速度ax1=1.823 m/s2、ay2=3.638 m/s2、az1=3.876 m/s2、 az2= 0 m/s2，從而得到如表2的靜水力和慣性力值。

表2 靜水力和慣性力值

3 有限元模型

有限元模型如圖2所示。

圖2 直升機甲板有限元模型

直升機甲板板材采用板殼單元（Shell）建模，甲板普通扶強材和主要支撐構(gòu)件用梁單元（Beam）建模，支撐甲板的工字鋼梁也用梁單元（Beam）建模。

3.1 腐蝕余量

結(jié)構(gòu)有限元模型考慮腐蝕余量，腐蝕余量參考RINA Rule Pt.B Ch.4 Sec.2進行扣除。

3.2 校核衡準(zhǔn)

校核衡準(zhǔn)參考RINA Rule Pt.B Ch.7及Part F Ch.13 Sec.16， 如表3和表4所示。安全系數(shù)γm和γR分別取1.02和1.05。

表3 板殼單元校核衡準(zhǔn)MPa

表4 梁單元校核衡準(zhǔn)MPa

3.3 載荷工況

（1）工況 1： 迎浪工況

將直升機甲板的重力以及此工況的FW，X和FW，Z以加速度的形式施加在模型上；此外將直升機的降落載荷施加在甲板上。

（2）工況 2： 橫浪工況

將直升機甲板的重力以及此工況的FW，Y以加速度的形式施加在模型上；此外將直升機的降落載荷施加在甲板上。

4 有限元計算結(jié)果及分析

4.1 迎浪工況

將3.3中在迎浪工況下的載荷施加到直升機甲板有限元模型上，計算得出如圖3 -圖7所示的結(jié)果。

圖3 直升機甲板變形圖

圖4 直升機甲板Von Mises應(yīng)力分布圖

圖5 直升機甲板剪應(yīng)力分布圖

圖6 直升機甲板縱骨彎曲應(yīng)力分布圖

圖7 直升機甲板強橫梁及支撐梁彎曲應(yīng)力分布圖

從計算結(jié)果看出，直升機甲板的變形并不大，甲板的Von Mises應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較小，甲板縱骨由于降落載荷的作用，彎曲應(yīng)力相對較大。

4.2 橫浪工況

將3.3節(jié)中橫浪工況下的載荷施加到直升機甲板有限元模型上，計算求得如圖8 -圖12所示的結(jié)果。

圖8 直升機甲板變形圖

圖9 直升機甲板Von Mises應(yīng)力分布圖

圖10 直升機甲板剪應(yīng)力分布圖

圖11 直升機甲板縱骨彎曲應(yīng)力分布圖

圖12 直升機甲板強橫梁及支撐梁彎曲應(yīng)力分布圖

從計算結(jié)果看出，直升機甲板的變形相對于迎浪狀態(tài)增大，甲板的Von Mises應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較小。甲板縱骨由于降落載荷的作用，彎曲應(yīng)力相對較大。

綜合兩種工況可以看出，甲板板材的最大Von Mises應(yīng)力為24.8 N/mm2、最大剪應(yīng)力為13.7 N/mm2；梁單元的最大彎曲應(yīng)力為166 N/mm2。上述結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

本文用施加加速度的方法模擬實際的慣性力，從有限元分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）甲板由于有普通扶強材和主要支撐構(gòu)件的支撐，從分析結(jié)果看，應(yīng)力水平并不高，一般從審圖的角度，只要滿足規(guī)范中的一般要求即可。

（2）從板殼單元（Shell）和梁單元（Shell）的分析結(jié)果來看，慣性力并不是對結(jié)構(gòu)影響最大的因素，而直升機的降落載荷才是其決定因素，從審圖的角度，一般情況下應(yīng)主要校核降落載荷情況下的結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）從模型結(jié)果的變形可以看出， 直升機平臺下部支撐結(jié)構(gòu)抵抗x方向慣性加速度的能力要強于y方向；今后的設(shè)計應(yīng)對y方向的結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強。

（4）相關(guān)的規(guī)范缺少關(guān)于變形量大小的規(guī)定，設(shè)計者應(yīng)在設(shè)計時適當(dāng)把握變形的尺度。

［參考文獻］

［1］ 劉兵山， 黃聰. Patran從入門到精通［M］. 北京： 中國水利水電出版社， 2003.

［2］ RINA. Rules for the Classification of Ships 2014［R］. 2014.

［3］ 張譚龍， 高學(xué)靜， 王壽軍. 半潛起重平臺的直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析［J］. 船舶， 2013（3）：48-53.

［4］ 葉邦全. 直升機甲板設(shè)施［J］. 船舶， 2010（6）：62-67.

［5］ 吳南， 周炳. 某自升式平臺直升機甲板結(jié)構(gòu)評估［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2013（26）：116.

［中圖分類號］U663.6

［文獻標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0062-05

［收稿日期］2014-12-22；［修回日期］2015-01-12

［作者簡介］郭 磊（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)審圖及結(jié)構(gòu)強度分析。

Direct structural verifi cation of helicopter deck

GUO Lei

(Italy Classifi cation Society (RINA), Shanghai, 200052)

Abstract：A helicopter deck is a very important facility for many types of vessels. According to the RINA Rules，this paper performs the structural strength verifi cation of a helicopter deck on an offshore ship， which can provide the valuable reference for the relevant structural plan approval and the design of a helicopter deck in the futuxe.

Keywords：helicopter deck； structural strength verifi cation