海工船直升機平臺結(jié)構(gòu)樣式的強度分析研究

劉文斌

(揚子江船業(yè)集團公司，江蘇 靖江 214532)

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海工船直升機平臺結(jié)構(gòu)樣式的強度分析研究

劉文斌

(揚子江船業(yè)集團公司，江蘇 靖江 214532)

以一艘在建的海工船直升機平臺構(gòu)架為對象，基于彈塑性力學和結(jié)構(gòu)力學理論，運用有限元計算軟件Patran建立三維有限元模型，通過平行對比相同工況、相同算法下，斜撐式和直立式這2種支架形式的強度及應(yīng)力分布異同。研究結(jié)果表明，直立式直升機平臺構(gòu)架的總體強度和穩(wěn)定性更好，使用壽命更長，安裝也更為簡易，在對甲板使用率要求不是太高的情況下是很好的選擇。

直升機平臺支架；有限元計算；結(jié)構(gòu)樣式；強度分析

0 引言

隨著我國對海洋資源的大力開發(fā)，海工產(chǎn)品的人員的調(diào)配日益增多，越來越多的海工產(chǎn)品配備了直升機平臺，因而研究其構(gòu)架的安全性、穩(wěn)定性和耐用性顯得尤為重要。魏升祿[1]用規(guī)范直接計算的方法確定了各結(jié)構(gòu)件的載荷狀態(tài)及安全系數(shù)，驗證了直升機平臺的強度可行性，并提出了現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計較為保守，還有提升設(shè)計潛力的結(jié)論。本文首先基于結(jié)構(gòu)力學理論和Patran軟件，以國內(nèi)某大型船廠制造的一艘海工船的直升機平臺為母型，建立三維有限元模型；其次開展斜撐式支架結(jié)構(gòu)和直立式支架結(jié)構(gòu)強度校核計算分析，將不同工況以及極限工況下的特性，進行平行對比分析，包括應(yīng)力、形變以及其他參數(shù)響應(yīng)情況；最終提出最優(yōu)設(shè)計方案及建議。

1 斜撐式海工船直升機平臺簡介

本斜撐式直升機平臺研究的一艘高度復雜的海洋工程船(OSV)，主要為海洋工程設(shè)施提供安裝、維護和修理，兼有供應(yīng)、油類回收等特殊援助功能。直升機根據(jù)CAP437規(guī)范第3章第1節(jié)中的選型庫要求，EC225型為適用機型。EC225型直升機是目前我國引進的最先進的救助直升機，屬于5槳翼AS332L2型直升機。機身全長16.79 m，機寬3.254 m，機高4.6 m，最大巡航速度為275 km/h，續(xù)航時間5 h，空機重5.26 t，有效載荷57 kN，最大重量11.2 t，最大航程為820 km。除駕駛員2名機組人員外，機艙可另搭載人員19名(整機最大載客25人)。直升機共有3個輪子，前面1個，后面2個，前后輪距6.25 m，橫向間距3.0 m，每輪的作用面積為300 mm×300 mm，3個輪點的承重分布比例為0.22∶0.39∶0.39(0.22為前輪比例)。該直升機的最大起飛力P=109.76 kN。

斜撐式直升機平臺海工船側(cè)視圖如圖1所示。

1.1 直升機平臺甲板結(jié)構(gòu)形式

海工船直升機平臺鋁質(zhì)甲板的甲板梁由面板、2塊斜板、底板依次連接而形成中空的箱型結(jié)構(gòu)，在箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有豎板。豎板分別與面板和底板垂直，并將梯形體對稱的分為兩部分。甲板梁單元相連的2組甲板梁插扣在一起形成整個甲板平面。整個甲板平面由鋁質(zhì)的桁材拼接支撐，甲板梁和支撐桁材用螺栓連接，用于固定甲板。桁材由鋼制支撐梁支撐。桁材與鋼質(zhì)的支撐梁之間，桁材與桁材之間也采用不同形式的螺栓或者墊片連接。

1.2 直升機平臺整體模型的建立

本文采用有限元計算分析軟件MSC.Patran進行有限元模型的建立。

對平臺整體結(jié)構(gòu)模型的建立，主要由殼單元(shell)和梁單元(beam)組合而成。建立完成后的海工船直升機平臺及支架結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2 直升機平臺的設(shè)計工況及強度校核

2.1 直升機平臺的設(shè)計工況

根據(jù)中國船級社CCS《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》和美國船級社ABS MODU規(guī)范《可移式鉆井平臺規(guī)范》，直升機平臺的結(jié)構(gòu)強度分析應(yīng)主要考慮以下設(shè)計工況：甲板均布載荷工況、直升機著陸時的碰撞工況、直升機的存放工況。同時還應(yīng)結(jié)合CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2012)中關(guān)于直升機甲板的相關(guān)規(guī)范，對甲板和梁進行規(guī)范計算的校核。

2.1.1 甲板均布載荷工況

甲板均布載荷工況指在一定的環(huán)境條件下，直升機平臺在沒有直升機停放的情況下，自身結(jié)構(gòu)在海上運行工作的狀態(tài)。靜載荷除包括平臺自重以及可變載荷外，還包括環(huán)境載荷。

2.1.2 直升機著陸時的碰撞工況

直升機著陸時的碰撞工況指直升機在降落時對直升機平臺有沖撞的工作狀態(tài)。主要考慮飛機降落時對甲板平臺造成的沖擊力，并按比例分布在直升機的輪子上，以及平臺的自重等因素。

2.1.3 直升機的存放工況

直升機的存放工況指在惡劣的海況下，直升機不能繼續(xù)作業(yè)，需要存放在直升機平臺上的狀態(tài)。除了主要考慮作用在輪子上的力外，還需要考慮直升機平臺的自重和惡劣天氣帶來的冰雪覆蓋的均布載荷。

2.2 載荷以及安全系數(shù)的選擇

目前對于直升機平臺的載荷定義主要根據(jù)CCS《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》和ABS MODU《可移式鉆井平臺規(guī)范》，結(jié)合CAP437中的工況進行挑選組合，但是CCS規(guī)范和ABS MODU規(guī)范定義的載荷和安全系數(shù)側(cè)重點有些不同，具體見表1。表中，P為直升機最大起飛力，kN；a為機輪與甲板接觸印跡寬度, 此處a=300 mm；S為甲板扶強材間距, mm；σS為材料的拉伸屈服強度的下限，MPa；K為動荷系數(shù)，K>1，根據(jù)預(yù)測確定，取K=1.15；[σ]、[τ]為安全系數(shù)。

2.3 計算依據(jù)及主要參數(shù)

本文所研究的海工船直升機平臺構(gòu)造是板、梁、管件組合結(jié)構(gòu)，平臺甲板為鋁制平臺板，下面的鋁制八角支撐框架由大小為腹板高470 mm×面板寬180 mm×腹板厚8.8 mm×面板厚11 mm的工字鋁制成，對上面的平臺板起到加強作用。大工字鋼支撐框架由腹板高533 mm×面板寬210 mm×腹板厚14 mm×面板厚10 mm規(guī)格的高強度(AH36)工字鋼縱橫而成。主力支撐架由3種不同規(guī)格的管材構(gòu)成，分別為Φ406 mm×20 mm, Φ356 mm×15 mm, Φ273 mm×10 mm。這3種管材均為高強鋼，其中Φ406 mm×20 mm為主腿支撐架。

直升機型號為EC225，起飛重量11.2 t，機輪3個，前后距離6.25 m, 橫向間距3.0 m。每個機輪按照300 mm×300 mm作用面來計算。最大起飛力P=109.76 kN。根據(jù)直升機廠家資料，3個機輪承重分布比例為0.22∶0.39∶0.39。

2.4 直接計算強度研究

海工船直升機甲板板、甲板骨架以及支撐結(jié)構(gòu)的許用彎曲應(yīng)力、許用剪切應(yīng)力計算可根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2012)中第2分冊里第2章第18小節(jié)的相關(guān)計算來進行。

經(jīng)過規(guī)范計算和直接計算，該目標海工船直升機平臺的甲板、鋁制支撐架、工字鋼支撐架以及圓管的主力支撐架的強度都是滿足要求的。另外，還劃定了各個區(qū)域不同材質(zhì)的許用應(yīng)力，為后續(xù)有限元計算報告的判定提供了很好的數(shù)據(jù)依據(jù)。

表1 CCS規(guī)范和ABS規(guī)范推薦的載荷和安全系數(shù)

2.5 有限元計算中各工況的定義

在對直升機平臺的有限元計算中，主要按照規(guī)范給出的3種工況來定義模型的3種工況，即甲板均布載荷工況、著陸時的碰撞工況、直升機的存放工況。這里還要考慮2種極端的情況：一種是直升機的3個機輪盡可能地都在平臺甲板結(jié)構(gòu)的硬檔位上，這樣所產(chǎn)生的應(yīng)力和形變也是相應(yīng)比較小的；另一種是直升機的3個機輪都盡可能地不在平臺甲板的硬檔位上，這樣所產(chǎn)生的應(yīng)力和形變也相應(yīng)的比較大。但是由于EC225型直升機有3個機輪，要想保證3個機輪都在硬檔位上是不現(xiàn)實的，所以設(shè)計時將承重比較大的2個后機輪全部落在平臺結(jié)構(gòu)的硬檔位上，這樣也就達到了預(yù)期設(shè)想，其示意圖如圖3所示。如果設(shè)定了這2種較為極端的工況，再經(jīng)過有限元計算后，強度是滿足要求的，那么整個海工船斜撐式直升機平臺結(jié)構(gòu)也是安全可靠的。

在計算過程中，將直升機平臺的管件支架與主船體結(jié)合的管子端部設(shè)置為固支邊界條件處理。這種設(shè)置方法比較簡潔，并較為準確地模擬實際受力情況。

針對以上情況，有限元模型的實際定義工況一共有5種：

(1)工況1：甲板均布載荷工況。

(2)工況2：3個機輪盡可能在結(jié)構(gòu)硬檔位時的著陸碰撞工況。

(3)工況3：3個機輪盡可能在結(jié)構(gòu)硬檔位時的存放工況。

(4)工況4：3個機輪盡可能不在結(jié)構(gòu)硬檔位時的著陸碰撞工況。

(5)工況5：3個機輪盡可能不在結(jié)構(gòu)硬檔位時的存放工況。

2.6 有限元應(yīng)力形變云圖及結(jié)果分析

工況1部分有限元應(yīng)力形變云圖如圖4～圖15所示，其結(jié)果見表2。

表2 工況1的有限元計算結(jié)果

工況2～工況5的有限元應(yīng)力形變形情況與工況1相似，這里不再列出，有限元計算結(jié)果分別見表3～表6。

表3 工況2的有限元計算結(jié)果

表4 工況3的有限元計算結(jié)果

表5 工況4的有限元計算結(jié)果

分析5種工況的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力均在合理的安全范圍內(nèi)，各局部位置的形變都較小。從各數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中不難看出，最大的應(yīng)力發(fā)生在主支撐架的管件端部，其次出現(xiàn)在工字鋼大梁上，最大的形變一般發(fā)生在鋁制平臺板的相關(guān)位置。

表6 工況5的有限元計算結(jié)果

3 直立式直升機平臺及支架的設(shè)計

根據(jù)最初的設(shè)計思路以及計算發(fā)現(xiàn)，斜撐式薄弱點主要集中在主力支撐架的管件上。本文將通過改變管材支撐架樣式的方法來降低管件端部的應(yīng)力，從而消除由于長期大應(yīng)力集中所造成的疲勞和潛在風險。

圖16所示結(jié)構(gòu)是針對斜撐式支架樣式改進設(shè)計的直立式直升機平臺。為了后續(xù)的強度校核和對比，所有結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、尺寸均和海上斜撐式直升機平臺的相關(guān)結(jié)構(gòu)一致，僅僅改變管件主支撐架的結(jié)構(gòu)形式。

3.1 直立式直升機平臺有限元計算中各工況的定義

直立式直升機平臺結(jié)構(gòu)的桁材大小和材質(zhì)等與斜撐式相同，所以規(guī)范直接計算的方法和結(jié)果也全部采用斜撐式的。

直立式海工船直升機平臺有限元計算所定義的工況與斜撐式海工船直升機平臺的工況設(shè)定完全保持一致。

3.2 各個工況下的有限元應(yīng)力形變云圖及結(jié)果分析

直立式各工況與斜撐式各工況一一對應(yīng)，按照斜撐式計算方法分析，應(yīng)力云圖不再單獨列出，工況1～工況5的有限元應(yīng)力形變結(jié)果見表7～表11。

通過對直立式5種工況的有限元應(yīng)力形變云圖和結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)其彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力均在合理的安全范圍內(nèi)，各位置的形變基本沒有；最大的應(yīng)力發(fā)生在工字鋼大梁上，其次出現(xiàn)在鋁制支撐架，最大的形變還是發(fā)生在鋁制平臺板的相關(guān)位置。因而得出：所設(shè)計的直立式海工船直升機平臺結(jié)構(gòu)滿足強度要求，安全可靠。

表7 工況1的有限元計算結(jié)果

表8 工況2的有限元計算結(jié)果

表9 工況3的有限元計算結(jié)果

表10 工況4的有限元計算結(jié)果

3.3 2種支架形式的有限元計算結(jié)果對比分析

斜撐式和直立式直升機平臺參數(shù)對比見表12。通過平行對比斜撐式和直立式海工船直升機平臺的各種工況里面的相對應(yīng)的整體和局部響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置發(fā)生了變化。斜撐式直升機平臺的最大應(yīng)力出現(xiàn)在管件主支撐架的端部，而直立式直升機平臺的最大應(yīng)力出現(xiàn)在工字鋼大梁的縱橫交接處。相同之處是最大變形量都發(fā)生在鋁制平臺板的相應(yīng)位置。通過表12中的參數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)直立式直升機平臺無論是最大應(yīng)力還是最大變形量都要遠小于斜撐式直升機平臺的相關(guān)數(shù)據(jù)。換言之，在同樣的材質(zhì)、同樣的制造材料尺寸情況下，直立式直升機平臺的力學表現(xiàn)要遠好于斜撐式直升機平臺的力學表現(xiàn)。

表11 工況5的有限元計算結(jié)果

表12 斜撐式和直立式直升機平臺參數(shù)對比

統(tǒng)觀整個直立式海工船直升機平臺的各工況有限元數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)無論是正常工況還是極限工況，圓管的最大應(yīng)力均遠小于許用值355 MPa。鑒于此，可以考慮將355 MPa的高強鋼用235 MPa的B級普鋼(圓管的最大應(yīng)力也遠小于235 MPa)代替。這樣的優(yōu)點在于，在滿足強度要求的前提下，使用B級鋼圓管可以增大整個直升機平臺的結(jié)構(gòu)韌度，提高其使用壽命和降低斷裂風險。

另外，整個直升機平臺及其支撐架的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在高強度工字鋼大梁的縱橫聯(lián)結(jié)處，其次出現(xiàn)在管件主支撐架的端部，其余部位的應(yīng)力較小。鑒于此種情況，可以考慮在圓管和主船體相連的端部處和工字鋼大梁縱橫相交處適當布置一些肘板。在此基礎(chǔ)上，可以更大程度地補強結(jié)構(gòu)、降低應(yīng)力，使整個海工船直立式直升機平臺結(jié)構(gòu)更為合理、耐用和安全。

4 結(jié)語

(1)本文采用有限元原理，利用MSC.Patran軟件建立了板梁組合的海工船直升機平臺有限元模型，準確形象地模擬了平臺的實際情況，為后續(xù)各種工況下的結(jié)構(gòu)強度分析和對比奠定了基礎(chǔ)。

(2)結(jié)合規(guī)范要求，選定了靜載工況、降落工況、存放工況這3種工況作為校核平臺的主線。綜合考慮了各工況下的安全系數(shù)和環(huán)境載荷對平臺所造成的影響，并設(shè)計了降落工況和存放工況的惡劣情況工況作為校核考量平臺強度的標準。

(3)根據(jù)彈塑性力學理論，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，以直接計算的方式驗證了局部結(jié)構(gòu)部件的強度滿足設(shè)計要求，并計算出了工況和部材的許用值，作為后續(xù)有限元計算的評判標準。

(4)通過對斜撐式直升機平臺5種工況的有限元計算結(jié)果研究，發(fā)現(xiàn)其彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力均在合理的安全范圍內(nèi)，驗證了結(jié)構(gòu)物的強度以及安全可行性。另外，還發(fā)現(xiàn)斜撐式直升機平臺最大應(yīng)力集中在主支撐架的管件端部，其次出現(xiàn)在工字鋼大梁上，最大的形變發(fā)生在鋁制平臺板的相關(guān)位置。

(5)通過改變管件支架樣式，設(shè)計了直立式海工船直升機平臺結(jié)構(gòu)。平行對比斜撐式直升機平臺的相同5種工況，發(fā)現(xiàn)直立式平臺結(jié)構(gòu)樣式的各工況最大應(yīng)力和最大形變量均小于斜撐式直升機平臺結(jié)構(gòu)樣式，而且直升機平臺結(jié)構(gòu)樣式的最大應(yīng)力發(fā)生位置轉(zhuǎn)移到了工字鋼梁的縱橫聯(lián)結(jié)處，更為分散平均，最大形變量仍發(fā)生在鋁制平臺板的相關(guān)位置。通過結(jié)合設(shè)定極限工況計算結(jié)果，提出了將管件的材質(zhì)由高強鋼換成B級普鋼和在應(yīng)力集中處增加肘板的優(yōu)化方案，使得整個直立式平臺結(jié)構(gòu)的強度和使用壽命得到提高，同時直立式平臺大角度管件的焊接量比斜撐式平臺的焊接量要少。驗證表明，在對比所有條件情況下，直立式海工船直升機平臺設(shè)計要優(yōu)于斜撐式直升機平臺設(shè)計。

[1] 魏升祿.“T250-1”油水補給船直升機平臺甲板結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J]. 造船技術(shù)，1994 (7)：15-20.

[2] 唐淼,李衛(wèi)華,黃曉.14 000 kW海洋救助船直升機平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 船舶設(shè)計通訊，2006 (1)：29-32.

[3] 李輝，梁淼森. FSO直升機平臺無余量吊裝工藝[J]. 廣東造船，2013(3)：73-75.

2017-02-28

劉文斌(1984—)，男，工程師，主要從事船舶總體性能和船體強度研究。

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