SEU直升機平臺結(jié)構(gòu)規(guī)范研究與強度校核

陳佳欣 陳 裴 符家恒

（1.上海船舶研究設(shè)計院，上海201203；2.上海振華重工集團（股份）有限公司，上海200125）

SEU直升機平臺結(jié)構(gòu)規(guī)范研究與強度校核

陳佳欣1陳 裴1符家恒2

（1.上海船舶研究設(shè)計院，上海201203；2.上海振華重工集團（股份）有限公司，上海200125）

直升機甲板平臺承載海上人員起降、救生、逃生及貨物轉(zhuǎn)移功能，其結(jié)構(gòu)安全性至關(guān)重要。以某平臺為例，詳細介紹了直升機甲板平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同形式及優(yōu)缺點，并著重對比分析英國民用航空局CAP437規(guī)范、挪威船級社規(guī)范（DNV）和美國船級社規(guī)范（ABS）對直升機甲板結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求的異同。之后設(shè)計出滿足各主流規(guī)范的通用組合工況，并施加到模型中，采用SACS軟件進行有限元強度分析和比較，來驗證結(jié)構(gòu)可靠性。該研究成果為后續(xù)直升機平臺設(shè)計提供有力借鑒。

自升式平臺；直升機平臺；規(guī)范研究；工況選擇；強度校核

Abstract:Helicopter platform played an essential role in ensuring safety of the offshore crew in respects of taking-off and landing，life-saving，escaping and freight transportation.A typical jack-up platform was taken as an example.Firstly，a detailed introduction of different types and the corresponding pros and cons of the helicopter platform structure was given.Secondly，a comparison was presented to find out the difference and similarity of the mainstream criteria and rules （CAP437，DNV rules，and ABS rules） relevant to helicopter platform.Then，a series of combination loading cases which generally satisfied the rules were designed and applied to model.SACS software was used for the finite element analysis and comparison.The results can provide reference for the forward design and optimization of helicopter platform.

Keywords:jack-up platform；helicopter platform；rules research；load case selection；strength checking

0 前言

海洋工程裝備是海上油氣開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施和海上油氣生產(chǎn)的作業(yè)基地。該產(chǎn)業(yè)已被廣泛認可為高端裝備制造業(yè)。從保有量看，目前淺水平臺仍占大部分，其中自升式平臺因其突出的作業(yè)穩(wěn)定性，成為大陸架海域油氣開采的主要產(chǎn)品。

海洋平臺的物資補給、人員起降、救生及逃生需要通過直升機平臺來完成，近年來直升機平臺的安全問題越來越受到關(guān)注。直升機平臺一般設(shè)置在船首生活樓一側(cè)且伸出于平臺之外，由桁架結(jié)構(gòu)支撐，與上層建筑相連。為保證足夠安全，直升機平臺需能承受環(huán)境載荷、自身重量，還要考慮直升機起飛、降落、存放等不同工況下的極限載荷。本文以某典型400英尺（1英尺=0.304 8 m）自升式平臺的直升機平臺為研究對象，重點對英國民用航空局CAP437規(guī)范、挪威船級社（DNV）規(guī)范和美國船級社（ABS）規(guī)范中關(guān)于直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計部分進行分析，比較不同規(guī)范的基本載荷和組合工況設(shè)計。在規(guī)范研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出能滿足各規(guī)范的組合工況并進行強度分析，找出危險區(qū)域，為今后直升機平臺的設(shè)計和建造提供參考。

1 直升機平臺形式對比

直升機平臺的主要分為直升機甲板（即著陸表面）和支撐結(jié)構(gòu)兩大部分。直升機甲板經(jīng)過多年的發(fā)展出現(xiàn)了木制、鋼制和鋁制的三種材質(zhì)的甲板面。在海上安裝作業(yè)出現(xiàn)的初期，硬木（如樟木）被用于英國海上安裝平臺的直升機甲板。之后，海上平臺以及船舶發(fā)展出幾種金屬結(jié)構(gòu)的直升機甲板。主要有如下幾種：

1）首先是傳統(tǒng)的鋼板結(jié)構(gòu)。一般鋼制直升機甲板采用桁架板格的形式，甲板梁采用T型材，加強筋為角鋼，圖1為縱骨架式甲板平面結(jié)構(gòu)圖。

2）上世紀80年代，鋁制直升機甲板在北海興起。通常鋁制甲板由多個支架或箱型結(jié)構(gòu)（Plank）組成，彼此連鎖相嵌，并與支撐桁材螺栓連接，最終組裝成一個餅狀（Pancake）的結(jié)構(gòu)。幾種典型的鋁制直升機甲板梁截面及連接形式可見圖2。

3）前兩種甲板除了配備滅火系統(tǒng)外本身不具備滅火功能，之后出現(xiàn)了一種新型的被動式滅火直升機甲板。它可以由鋁或鋼制成，甲板表面留有通孔，使得液體得以流入下面的排水托盤。目前被動式滅火直升機甲板有兩種，一種是開孔的甲板面下填充網(wǎng)狀材料，這種設(shè)計可以起到阻燃的作用（見圖3）；另一種是在防火直升機甲板開孔表面下配有泡沫噴射系統(tǒng)，可以熄滅已經(jīng)燃燒的燃油（見圖4）。

圖1 直升機甲板平面

圖2 典型鋁制直升機甲板梁截面及連接形式

圖3 第一種被動式滅火直升機甲板形式［1］

圖4 典型第二種被動式滅火直升機甲板形式

在具體的海工項目中，需要從重量、價格、安裝、維護、安全性等各方面多加考慮來選擇。3種直升機甲板優(yōu)缺點的比較見表1。

表1 不同形式直升機甲板優(yōu)缺點分析［1］

直升機平臺支撐結(jié)構(gòu)將直升機甲板托起并和平臺或船體的主要結(jié)構(gòu)相連，需要傳遞直升機著陸、環(huán)境載荷、重力等各種載荷。直升機甲板支撐結(jié)構(gòu)的材料同樣可以為鋼制或鋁制，當支架為鋼制而上部為鋁制平臺時，需要考慮兩者連接處的絕緣以及防腐蝕的要求。支撐結(jié)構(gòu)剖面形式的選擇除了要滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，也需考慮到支撐結(jié)構(gòu)可能會作為排水結(jié)構(gòu)等其他用途。

2 直升機平臺相關(guān)規(guī)范及基本載荷定義

2.1 直升機平臺相關(guān)規(guī)范

直升機平臺涉及平臺工作人員生命、財產(chǎn)安全，海洋環(huán)境等問題，相關(guān)的各國際組織、船級社以及行業(yè)協(xié)會等都對海洋平臺直升機平臺的布置、結(jié)構(gòu)安全、消防、逃生等提出了嚴格的要求。直升機平臺常用的設(shè)計準則與規(guī)范主要包括：

1）英國民用航空局：CAP 437 Offshore Helicopter Landing Area-Guidance on Standards；

2）挪威船級社：DNV-OS-E401直升機甲板，并參考了DNV船規(guī)的有關(guān)規(guī)定；

3）美國船級社：ABS海上移動式鉆井平臺（MODU）建造與入級規(guī)范；

4）中國船級社：CCS海上移動平臺入級規(guī)范；

5）美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會：AISC ASD規(guī)范；

6）美國石油協(xié)會：API-2L海上固定式平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造直升機場推薦做法。

如今新造的平臺，幾乎都要求滿足英國民用航空局的CAP 437規(guī)定，而美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（AISC）針對的是鋼制結(jié)構(gòu)，較為寬泛，美國石油協(xié)會API規(guī)范僅適用于固定式平臺，如導管架平臺。其他規(guī)范則需根據(jù)船舶入級的要求。下文將著重對比英國民用航空局CAP 437規(guī)范，美國船級社（ABS）以及挪威船級社（DNV）對自升式平臺直升機甲板的結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同要求。

2.2 基本載荷［2-4］

各規(guī)范對組合工況的定義都建立在基本載荷的基礎(chǔ)上。下面將對基本載荷逐個進行分析，并將對比三種規(guī)范對基本載荷的定義，對比結(jié)果見表2。

1）平臺結(jié)構(gòu)自重。各規(guī)范對平臺自重的定義沒有明顯區(qū)別，可根據(jù)模型結(jié)構(gòu)估算。保守起見，需考慮10%的增量代表油漆、肘板、焊接、舾裝件等重量。

2）均布載荷。上層建筑甲板均布載荷可以體現(xiàn)每種工作狀態(tài)和遷移狀態(tài)時所有上建區(qū)域的最大設(shè)計均布載荷。載荷大小根據(jù)甲板載荷圖確定。直升機平臺甲板均布載荷不同規(guī)范有不同定義。根據(jù)英國民用航空（CAP 437）規(guī)范，直升機甲板均布載荷在直升機降落工況時考慮為0.5 kN/m2；在直升機存放工況時考慮為2 kN/m2。ABS規(guī)范在均布載荷工況中定義了直升機甲板均布載荷為2.01 kN/m2。另外，DNV和ABS都對存放工況下的冰載荷有額外的規(guī)定，以均布載荷的形式施加在直升機平臺上。

3）風載荷。直升機平臺通常位于上層建筑較高的樓層，波浪載荷和海流載荷對它的影響甚微，僅需考慮風載荷。一般正常著陸情況考慮為作業(yè)情況下的風載荷，而直升機存放工況則考慮為平臺風暴自存情況下的風載荷，而CAP 437規(guī)范在平臺作業(yè)工況和風暴工況下的風都規(guī)定為為百年一遇的風載荷，具體風速見表2。

表2 基本載荷工況對比

4）慣性載荷。平臺拖航時的縱傾、橫搖和垂蕩運動引起的載荷為慣性載荷。一般保守地取縱傾和橫搖為幅度15°，周期10 s的運動引起的慣性載荷，垂蕩引起的慣性載荷則取120%的結(jié)構(gòu)重力。

5）直升機載荷。直升機以一前兩后的輪胎布置著陸，而直升機著陸時，后兩個輪胎先與甲板碰撞接觸，所以在計算直升機著陸載荷時，考慮最大垂直和水平力僅施加于后兩個輪胎在甲板上對應的位置。直升機著陸的碰撞作用點一般選取典型的多個位置，載荷一般考慮為直升機最大起飛質(zhì)量（MTOM）的倍數(shù)，不同規(guī)范對于倍數(shù)的定義不同。

3 直升機平臺強度計算實例

3.1 建立有限元模型

本文參照的SEU的直升機平臺為縱骨架式結(jié)構(gòu)，甲板結(jié)構(gòu)為近似的正八邊形。直升機甲板位于上層建筑的最高層高度，支撐結(jié)構(gòu)與下一層甲板及主甲板相連。由于SACS主要針對梁系的受力進行校核，因而模型中甲板梁定義為考慮了帶板的等效梁（見圖5）。由于本文主要考查的對象是直升機平臺支撐結(jié)構(gòu)，所以各種載荷僅加載于直升機甲板的梁上，甲板面板僅作為甲板梁的帶板，而不考慮板局部強度的作用。若要考查甲板板及小筋的強度可以另作校核。為了讓模型更準確地表現(xiàn)出連接處力的傳遞，上建各層及舷側(cè)外板也以板的形式建出，且邊界設(shè)置在主甲板以下，為使計算更為保守，固定形式為鉸支。

圖5 直升機平臺模型

3.2 載荷工況選取與說明

根據(jù)前文的描述，可以計算出本文參照的SEU的直升機平臺各項基本載荷。直升機平臺和上層建筑的自重和均布載荷都可按基本載荷的描述定義。本文平臺考慮?？康闹鄙龣C型號為Sikorsky S-92。根據(jù)CAP 437提供的數(shù)據(jù)，Sikorsky S-92型直升機的最大起飛質(zhì)量（MTOM）為12.8 t，直升機兩后輪間距為3.2 m。在加載風載荷時要考慮遮蔽效應，風沿X正方向時，直升機甲板被上建擋住，這個方向的風載荷不予考慮。根據(jù)風載荷分析報告，以風速為100 kn（即51.5 m/s）為例，作用在上建和直升機平臺上的風載荷見表3。另外，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的慣性載荷計算方法，算出的慣性加速度結(jié)果見表4，表中數(shù)值表示重力的倍數(shù)。

表3 風載荷kN

表4 慣性加速度匯總 一個重力加速度g

需要注意的是CAP 437規(guī)范對結(jié)構(gòu)諧響應定義了1.3的放大系數(shù)，這個不體現(xiàn)在基本載荷中，但在著陸組合工況時需要把直升機著陸碰撞載荷放大1.3倍。由于飛機可能降落在平臺上的不同位置，本文選取了6個典型位置A～F（見圖6）來考察不同作用點的結(jié)果。

不同規(guī)范對直升機平臺的載荷組合工況有不同的要求。英國民用航空局CAP 437將直升機平臺工況主要分為著陸工況和存放工況，其中著陸工況又分為普通著陸載荷和緊急著陸載荷；美國船級社ABS主要規(guī)定了3個組合工況，分別是甲板均布載荷工況、直升機著陸工況和存放工況；挪威船級社DNV對海洋平臺的直升機平臺載荷的定義參照了船規(guī)，需要考慮著陸工況和存放工況。各規(guī)范組合工況及對應基本載荷工況的系數(shù)見表5。

圖6 直升機典型著陸點

對比各種組合工況，可以看出對于著陸工況，CAP 437的緊急著陸工況較ABS規(guī)范嚴格，而DNV規(guī)范中規(guī)定著陸工況需考慮平臺的慣性載荷，故無法判斷DNV的著陸工況和CAP 437的緊急著陸工況哪個更嚴格，所以LC12和LC21工況都需考慮。對比三種規(guī)范的存放工況，可以發(fā)現(xiàn)CAP437的存放LC13為最為嚴格和保守。另外ABS的純均布載荷工況LC31獨立于其他工況也要單獨考慮。

經(jīng)過分析，若要設(shè)計3種規(guī)范都適用的工況時，可以建立LC12、LC21、LC13和LC31四個組合工況（見表5中加粗工況）。另外，在不考慮運動慣性力的情況下，可以增加不同著陸點的存放工況。

3.3 校核準則

本文結(jié)構(gòu)的安全程度通過比較不同組合工況下最大實際應力與許用應力的比值 （Unity Check，UC值）來評估見式（1）。通常UC值不大于1時結(jié)構(gòu)安全。

式中：σact——結(jié)構(gòu)實際應力，MPa；

σ——許用應力，MPa；

σy——最小屈服應力，MPa；

n——安全系數(shù)

由于各規(guī)范使用的設(shè)計方法不同，對許用應力和最小屈服應力之間系數(shù)關(guān)系的定義或有不同，ASD方法使用安全系數(shù)（Safety Factor）定義，LRFD方法則采用阻力因子（Resistance Factor），可看作安全系數(shù)的倒數(shù)。本文將用安全系數(shù)來校核結(jié)構(gòu)強度結(jié)果，不同工況下各規(guī)范的安全系數(shù)見表6“規(guī)范校核準則”。

由于本文采用SACS軟件計算，評估時選用的校核準則來自美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范（AISC）。SACS軟件默認靜態(tài)工況的安全系數(shù)為1.67，所以實際計算時還需要調(diào)整不同工況對應的許用應力，以體現(xiàn)不同的安全系數(shù)。在軟件計算中需對各工況對應的許用應力進行放大（輸入各工況對應AMOD值）。

表5 組合工況對比

表6 校核準則

3.4 結(jié)果分析與討論

計算結(jié)果UC值見圖7。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，直升機平臺最大UC值出現(xiàn)在存放工況下，且發(fā)生在甲板面直升機存放位置下對應的桁材，由Z向的彎曲應力過大引起。這是由于存放工況需要考慮直升機所受的橫向風力和慣性力，雖然著陸工況下垂向的碰撞載荷大于存放工況，但其著陸點的水平載荷是小于存放工況的。本文建立的模型很保守，并未考慮甲板板的剛度和甲板上縱骨的作用。如果進行詳細建模，橫向桁材的應力將會分擔給平臺甲板板和相關(guān)縱骨。在以往的論文［5-7］中也可以看出，最大應力并非出現(xiàn)在甲板桁材，而是作為甲板板的局部應力出現(xiàn)在直升機著陸處。因而本文簡化的模型可以在基本設(shè)計階段考察平臺整體結(jié)構(gòu)特性。

其次，直升機甲板邊緣桁材和直升機平臺下水平支撐的最大UC值都出現(xiàn)在緊急著陸工況下，這是由于緊急著陸的沖擊載荷通過縱橫桁材傳遞開；甲板下斜撐結(jié)構(gòu)的最大UC值則一般出現(xiàn)在存放工況下，這是由于斜撐受風力和慣性力的作用影響較大。支撐結(jié)構(gòu)的UC值一般小于0.65，結(jié)構(gòu)安全。各區(qū)域的結(jié)構(gòu)最大UC值在各種工況內(nèi)都有分布，這說明工況設(shè)計較為合理。

圖7 結(jié)果UC值

另外，平臺結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在最前端，這是由于直升機平臺為大型懸臂結(jié)構(gòu)，自重較大，且前端無支撐。

4 結(jié)語

1）本文對3種目前直升機平臺設(shè)計應用較為廣泛的規(guī)范進行研究，并設(shè)計出通用的組合工況，最大限度地融合了各規(guī)范的特點并且較為合理，為以后的直升機平臺設(shè)計特別是基本設(shè)計工況選擇提供了依據(jù)。同時以一典型自升式平臺的直升機平臺為目標，考慮本文所指出的幾個組合工況進行結(jié)構(gòu)強度校核，結(jié)果合理安全。

2）根據(jù)結(jié)果，直升機平臺支撐結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域是與生活樓連接處的支撐結(jié)構(gòu)和直接承受直升機降落沖擊載荷的平臺甲板區(qū)域。今后設(shè)計中還需對此關(guān)鍵區(qū)域詳細建模分析。

3）直升機平臺支撐結(jié)構(gòu)抵抗橫向慣性加速度的能力要弱于縱向，今后設(shè)計時應對橫向結(jié)構(gòu)適當加強。

4）直升機平臺的相關(guān)規(guī)范僅對結(jié)構(gòu)的強度有要求，而缺少對變形量的要求，結(jié)構(gòu)的變形量還需設(shè)計者自己把握。

［1］HSE.Offshore Helideck Design Guidelines［S］.2004.

［2］CAP437 Offshore Helicopter Landing Areas-Guidance on Standards［S］.2013.

［3］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units，Part 3 Hull Construction and Equipment［S］.2014.

［4］DNV.Offshore Standards DNV-OS-E401 Helicopter Decks［S］.2012.

［5］唐文獻，朱文，張建，等.自升式鉆井平臺直升機平臺強度分析與優(yōu)化設(shè)計［J］.船舶工程，2013（6）：98-101.

［6］黃如旭，劉剛，黃一，等.自升式鉆井平臺上層建筑與直升機平臺結(jié)構(gòu)強度計算載荷分析［J］.船海工程，2011（6）：153-156.

［7］郭磊.直升機甲板的直接強度校核［J］.船舶，2015（3）：62-66.

Research on Rules and Structural Strength Checking of the Helicopter Platform of a Self-Elevated Unit

CHEN Jia-xin1CHEN Pei1FU Jia-heng2

（1.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China；2.Shanghai Zhenhua Port Machinery Company Limited，Shanghai 200125，China）

U674.38+1

A

1001－4624（2017）01－0068－07

2016-11-15；

2017-03-10

陳佳欣（1989—），女，助理工程師，從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

陳 裴（1983—），女，工程師，從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

符家恒（1985—），男，工程師，從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。