直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范比較

詹 蓉1， 雷雨雨， 甘 露

(1中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院, 上海 200011； 2.上海船舶工藝研究所, 上海 200023)

0 引 言

直升機具有優(yōu)良的機動性能，在船舶與海洋領(lǐng)域得到廣泛應用，直升機平臺成為艦船及海工裝備等海上結(jié)構(gòu)物的重要組成部分。直升機平臺主要供直升機起飛、降落、停機或調(diào)運、系留，其結(jié)構(gòu)強度對整個艦面系統(tǒng)的安全性十分重要。各船級社規(guī)范、規(guī)則對直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計都有明確的要求，一些規(guī)范、規(guī)則還給出了直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗公式。本文主要通過力學理論計算分析及算例比較，對部分船級社中直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計要求進行差異分析和總結(jié)。

1 規(guī)范、規(guī)則概述

目前,各國船級社規(guī)范、規(guī)則對直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的載荷及校核方法均有明確規(guī)定。

對于與主船體甲板連續(xù)的直升機平臺，通常涉及的相關(guān)規(guī)范、規(guī)則主要有：

(1) 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(CCS)；

(2) 艦船直升機艦面系統(tǒng)通用要求(GJB)；

(3) 海軍艦船入級規(guī)范規(guī)則(LR)。

對于海洋工程獨立式直升機平臺，常用的相關(guān)規(guī)范、規(guī)則主要有：

(1) CAP437海上直升機著陸區(qū)標準指南(英國民用航空局)；

(2) 海上移動平臺入級與建造規(guī)范(CCS)；

(3) 移動式近海鉆井裝置建造和入級規(guī)則(ABS)；

(4) 海上標準DNV GL-OS-E401直升機甲板(DNV-GL)；

(5) 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(BV)。

2 規(guī)范計算對比

各主要規(guī)范、規(guī)則中，部分規(guī)范明確給出甲板板及骨材的規(guī)范計算公式。簡要對比情況如表1所示。對于甲板板架，由于涉及復雜梁系計算，理論計算的解法過于復雜，簡化成經(jīng)驗公式有一定難度，因此各船級社規(guī)范一般要求以直接計算確定甲板板架尺寸，本文不作比較。

表1 各船級社規(guī)范對比簡況

2.1 對直升機甲板板的規(guī)范要求比較

2.1.1 直升機甲板板格受力情況的力學原理分析

如圖1[6]所示，假設(shè)甲板板格四周自由支持，其中輪印均布載荷為p，a和b分別表示平行于板格長邊l和短邊s的輪印尺寸。

圖1 直升機輪印載荷分布示例

只考慮板的彈性小撓度變形，不考慮塑性變形，根據(jù)理論計算推導，直升機甲板板厚t的計算公式[7]為

(1)

式中：f為系數(shù)，按彈性小撓度板理論計算取值，且取決于板的邊界條件、板的邊長比(l/s)和輪載位置等；s為板的短邊，即骨材間距，m；p為輪印均布載荷，kN/m2；tk為腐蝕裕量，mm；k為材料系數(shù)。

2.1.2 各船級社規(guī)范對甲板板的規(guī)范要求分析

根據(jù)各船級社規(guī)范，對直升機甲板板的規(guī)范要求進行匯總，如表2所示。

表2 各船級社規(guī)范對直升機甲板板的要求

從表2可知，各船級社對直升機甲板板的規(guī)范計算要求的公式形式與第2.2.1節(jié)中理論公式的形式基本一致，公式中的各基本要素大致相同，只是對一些參數(shù)的定義有所不同，系數(shù)和腐蝕裕量的取值也存在一定差異。不同規(guī)范要求的差異比較如表3所示。

表3 各船級社規(guī)范對直升機甲板板要求的差異比較

圖2 甲板骨材受力示例

2.2 對甲板骨材的規(guī)范要求比較

2.2.1 甲板骨材受力情況力學原理分析

利用初參數(shù)法求解甲板骨材在單個跨距內(nèi)只有一個均勻輪載Q時的骨材彎矩，進而求解得到骨材所需剖面模數(shù)[6]。

如圖2所示,假定甲板骨材端部為自由支持，當單個跨距內(nèi)只有一個輪載Q時，輪壓為p1，l1為骨材跨距，a1為平行于骨材方向的輪印尺寸，b1為垂直于骨材方向的輪印尺寸，即Q=p1a1b1[6]。

當c=d時，骨材的剖面模數(shù)計算公式[8]為

(2)

若甲板骨材端部為剛性固定，則上述骨材的剖面模數(shù)計算公式[8]為

(3)

式(2)和(3)中：l1為骨材跨距，m；a1為平行于板格長邊的輪印尺寸，m；σ為許用應力，N/mm2。

2.2.2 各船級社規(guī)范對甲板骨材的規(guī)范要求情況

由于直升機甲板載況相對比較復雜，大部分船級社規(guī)范均未給出骨材的規(guī)范計算公式，均要求采用直接計算的方法(梁系或有限元)求得骨材尺寸。

目前LR艦船規(guī)范(第4部分第3章第2節(jié))[3]給出的規(guī)范計算公式對普通骨材的最小剖面模數(shù)Z要求為

當e≤l時，

(4)

當e>l時，

(5)

式(4)和式(5)中：l為骨材跨距，m；s為骨材間距，m；e為平行于骨材的輪印載荷尺寸，m；kw為側(cè)向載荷系數(shù)；Ftys為作用點載荷，kN；Ptyw為自重載荷，kN；Ftym為露天甲板載荷，kN/m2；fσ為結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)；σσ為材料許用屈服應力，N/mm2。

BV規(guī)范(B部分第8章第11節(jié))[4]給出了規(guī)范計算公式，骨材最小剖面模數(shù)W根據(jù)式(6)得到：

(6)

式中：l為骨材跨距，m；P0為輪印載荷，kN；m對于輪著陸取6；σx1,Wh為船體梁應力，對于獨立式直升機甲板取0；γm為材料強度分項因數(shù)，取1.02；γR為阻力分項因數(shù)，應急著陸工況取1；Ry為材料許用屈服應力，N/mm2。

從安全角度，假定輪印載荷為點載荷形式，則可將LR和BV規(guī)范公式進行簡化，基本要素采用一致的符號表示，結(jié)果如表4所示。

表4 甲板骨材規(guī)范簡化公式比較

由表4可以看出，在載荷一定的情況下，規(guī)范計算公式相對理論計算公式有一定差異，規(guī)范計算結(jié)果介于簡支和剛固邊界條件的理論計算結(jié)果之間。由于不同船級社載況不同，兩者計算值大小仍視具體情況而定。

3 規(guī)范計算實例比較分析

為了更直觀地了解各規(guī)范在實際計算中要求的比較情況，假定飛機的最大起飛質(zhì)量為13 t，輪印為0.3 m×0.2 m，選取不同的骨材間距和跨距，材料采用屈服強度為235 N/mm2的普通鋼，不考慮參與總縱強度的因素，按各規(guī)范公式要求進行計算，根據(jù)決定構(gòu)件尺寸最大載況的計算結(jié)果如表5和表6所示。

表5 甲板板最小板厚規(guī)范計算結(jié)果匯總

表6 甲板骨材規(guī)范計算結(jié)果匯總

結(jié)合第2節(jié)理論公式與規(guī)范公式的比較，對上述表5、表6的計算結(jié)果分析如下：

(1) 在一般情況下，各船級社規(guī)范計算結(jié)果顯示板格寬度對板厚影響較大，其中對于BV規(guī)范，板格寬度對板厚取值幾乎沒有影響。根據(jù)理論計算結(jié)果，板厚與板格寬度呈線性關(guān)系，但BV規(guī)范計算公式僅有系數(shù)CWL與板格寬度相關(guān)，且影響因素很小，似有不合理。

(2) 從表5看出，在CCS/LR/DNV-GL規(guī)范中，在相同板格寬度下板格長度幾乎不影響板厚尺寸。結(jié)合表2、表3可以發(fā)現(xiàn)：在CCS規(guī)范中，l/s>2.5時，取l/s=2.5，而直升機甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計時又較少出現(xiàn)l/s<2.5的情況，因此實例中板格長寬比對計算結(jié)果無影響；LR、DNV-GL規(guī)范公式均無板格長度的要素，按照理論計算情況應與l/s有一定關(guān)聯(lián)，似有不合理。

(3) DNV-GL規(guī)范無緊急著陸工況，表5計算的板厚是各規(guī)范中最小的；CCS規(guī)范無緊急著陸工況，但表5計算的板厚要求最大。這跟不同規(guī)范體系的理念差別有一定關(guān)系，但不應忽視緊急著陸工況。

(4) 根據(jù)表5，加密骨材能夠顯著的減小甲板板厚，但表6表明，加密骨材并不能減小骨材尺寸，因此在設(shè)計時兩者之間需要優(yōu)化選擇，尋找最優(yōu)設(shè)計。

4 結(jié) 語

各主要船級社對直升機甲板的規(guī)范要求存在差異，對于最小板厚要求而言，雖然各家船級社公式理論原理基本一致，但是計算結(jié)果差異較大。部分規(guī)范經(jīng)驗公式在計算工況和影響因素上考慮似乎有不合理之處。在直升機甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應結(jié)合入級規(guī)范特點選擇適應該規(guī)范的設(shè)計方案，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

此外，對于直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)各船級社規(guī)范均要求通過有限元直接計算確定，都提供了明確的載荷、載況和應力衡準，因此規(guī)范經(jīng)驗公式的計算結(jié)果通常作為有限元建模的初始輸入。從文中比較可以看到，公式計算得到的初始設(shè)計板厚和骨材差異較大，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的角度，規(guī)范計算對最小板厚和骨材尺寸的要求若存在局限性或過于保守，會限制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計空間。