沖擊載荷下海洋石油平臺直升機場結構安全性計算分析

(中海油安全技術服務有限公司，天津 300450)

針對直升機場在直升機緊急著陸工況下結構分析，已有的研究普遍采用在直升機自重載荷的基礎上考慮沖擊系數(shù)來進行靜力分析[1-5]。這樣雖然使動力載荷的計算得到了簡化，但不能獲取直升機場結構的動態(tài)響應。為了分析直升機場結構在沖擊載荷作用下的結構承載能力，以F導管架平臺直升機場為例，采用ABAQUS有限元軟件計算其在緊急著陸工況下的靜態(tài)及動態(tài)響應；在分析直升機場自振特征的基礎上，探討其在動載荷作用下的共振風險，以期為海洋石油直升機場結構服役過程中的安全評估及結構改造提供參考。

1 靜力分析

1.1 直升機場結構模型

F平臺為固定式導管架中心處理平臺，直升機場位于生活樓頂，標高距海平面49 m。該直升機場是由支撐桁架、主次梁及直升機甲板組合而成的空間結構。直升機場結構通過支撐桿件端部與平臺生活樓固定連接，因此建模時將直升機場和生活樓的連接處施加固支約束。直升機甲板與梁固定連接，建模時對直升機甲板與梁建立綁定約束。在滿足有限元計算精度的基礎上，建模時忽略部分甲板次梁及其他附屬結構。梁及支撐桁架采用B31梁單元，直升機場甲板采用S4R殼單元。直升機場三維模型見圖1。

圖1 直升機場三維模型

直升機場為鋼結構，各部件材料力學參數(shù)見表1。

表1 直升機場材料力學參數(shù)

以0.1 m尺寸種子劃分有限元網格，模型共計劃分34 479個節(jié)點，5 288個梁單元，28 914個殼單元。

1.2 載荷分析

針對海洋石油直升機場的設計及計算，不同標準及規(guī)范對緊急著陸工況下的沖擊系數(shù)有不同要求[6-11]，詳細沖擊系數(shù)見表2。

表2 不同標準規(guī)定的直升機緊急著陸工況下沖擊系數(shù)

可見，CAP437中對沖擊載荷系數(shù)要求最高，此外該標準考慮的載荷工況組合更加全面，因此該直升機場緊急著陸工況下沖擊載荷強度校核采用CAP437要求的沖擊系數(shù)。

1.2.1 載荷值計算

依據(jù)CAP437，直升機緊急著陸工況下沖擊載荷工況主要包含以下載荷：①結構自重；②均布載荷：0.5 kN/m2；③直升機緊急著陸工況垂向載荷：2.5×1.3×最大起飛質量×9.8 m/s2；④直升機緊急著陸工況水平載荷：0.5×最大起飛質量×9.8 m/s2；⑤風載荷。

F=f×v2×Cs×Ch×A

式中：f=0.611；v為設計風速，m/s，在緊急著陸時，按照36 m/s速度計算風載荷；Cs為受風構件形狀系數(shù)；Ch為受風構件高度系數(shù)；A為受風構件投影面積，m2。

設計使用Sikorsky S76型直升機，參數(shù)見表3。

表3 Sikorsky S76型直升機參數(shù)

計算得到直升機緊急著陸時載荷見表4。

表4 緊急著陸工況載荷計算值

1.2.2 載荷施加方式

直升機場在服役期間，直升機在直升機場的著陸位置大多集中在一定區(qū)域內，因此選取直升機常見著陸位置(見圖2)進行計算分析。

圖2 直升機典型著陸位置示意

該型號直升機有3個降落機輪，在直升機著陸過程中，兩組后機輪會先接觸到甲板。因此施加載荷時采用如下方式：①在對直升機機輪加載時，將由直升機產生的著陸垂向沖擊力及水平沖擊力均分在后輪兩點處作為集中載荷施加在模型上；②對直升機甲板施加均布壓力500 Pa；③對整個模型施加重力載荷；④將風載以集中載荷的方式施加在相應節(jié)點處，與水平沖擊力同向以保證最不利組合。

1.3 結構校核分析

對模型施加載荷后提交計算。直升機場在緊急著陸工況沖擊載荷作用下應力云圖見圖3，位移云圖見圖4。

圖3 緊急著陸工況下應力云圖

圖4 緊急著陸工況下位移云圖

圖3表明緊急著陸工況下直升機場應力最大值為74.36 MPa，發(fā)生在著陸機輪處主梁上，標準[11]規(guī)定靜態(tài)載荷作用下結構安全系數(shù)為1.67，該處許用應力值188.62 MPa，故滿足強度要求；此外直升機甲板縱向支撐桿件應力較大，但均滿足強度要求。 直升機場位移最大值為15.58 mm，發(fā)生在直升機平臺最前端。由于該直升機場是一端約束一端自由的近似懸臂梁結構，支撐結構與生活樓連接處應力值也較大，因此，在直升機場服役過程中，除了要關注直升機著陸位置的結構強度，直升機場支撐結構與生活樓連接處強度同樣不容忽視。

2 自振特征分析

2.1 模態(tài)分析

利用Frequency分析步對直升機場結構進行模態(tài)分析[12]，計算得到直升機場前30階振動固有頻率和振型。由于對振動起主導作用的只是前面的幾階模態(tài)，在此提取直升機場前8階的振型及固有頻率。前8階振型見圖5。

圖5 直升機場前8階振型

通過圖5可以看出直升機場的振動特點為：第1階振型直升機場主要表現(xiàn)為整體向Z軸方向振動；第2階振型直升機場主要表現(xiàn)為整體沿甲板對角線偏轉；第3階振型直升機場主要表現(xiàn)為以直升機場甲板與生活樓連接處為軸整體的向上偏轉；第4階振型到第8階振型主要表現(xiàn)為直升機場甲板局部上下波動。

2.2 共振響應分析

直升機平臺在海上服役期間常年受到多種環(huán)境載荷及直升機起降載荷影響。如果這些動載荷的頻率與直升機場的固有頻率過于接近，將會引起共振現(xiàn)象，嚴重的會引起直升機場及石油平臺倒塌。直升機場結構前8階自振頻率見表5。該海域涉及常見的環(huán)境載荷主要為風、浪載荷，其頻率遠小于直升機場結構自振頻率[13-14]，因此由環(huán)境載荷產生共振現(xiàn)象可能性較小。但直升機在起降過程振動源包括旋翼轉速，發(fā)動機振動及其他傳動系統(tǒng)振動，是一個復雜的振動系統(tǒng)。且直升機在直升機場上存在著陸、不停車系留及起飛等多種工況，這需要準確掌握配套直升機的振動特點并輔以直升機場振動監(jiān)測才能合理避免直升機振動產生的直升機場共振現(xiàn)象。

表5 直升機場前8階模態(tài)頻率

3 沖擊載荷瞬態(tài)動力學分析

3.1 瞬態(tài)沖擊載荷

要進行直升機場結構瞬態(tài)響應分析[15]，關鍵是要確定直升機緊急著陸工況下沖擊載荷時程曲線。而沖擊載荷受直升機旋翼拉力、降落速度及起落架緩沖效率等多種因素影響，因此在計算緊急著陸工況下沖擊載荷時做出如下假設[16-17]。

結合表4緊急著陸工況載荷計算值，垂直沖擊載荷以169.03 kN作用時間0.2 s，并在0.4 s后穩(wěn)定成為自重載荷52.01 kN；水平沖擊載荷以26.00 kN作用時間0.2 s，并在0.4 s后隨著直升機停穩(wěn)后減小到0 kN。以直升機輪胎接觸甲板時刻作為起始時間，載荷作用時間持續(xù)2 s，簡化后的沖擊載荷歷程曲線見圖6。

圖6 直升機緊急著陸工況下沖擊載荷歷程曲線

3.2 瞬態(tài)沖擊響應

模型采用Modal dynamic分析步。模態(tài)分析結果表明，直升機場前8階最高階頻率7.824 4 Hz，相應的周期為0.127 8 s。瞬時模態(tài)分析步中的時間增量要小于0.127 8 s，同時為了提高計算精度，綜合考慮選定時間增量為0.02 s，分析步長等于載荷持續(xù)時間2 s。阻尼依據(jù)工程經驗采用恒定值3%。以圖2所示直升機著陸位置施加垂直沖擊載荷及水平沖擊載荷，其他載荷施加值及施加方式與靜力分析時相同。

通過查看直升機場動態(tài)分析各增量步的應力云圖，可以找到載荷作用期間峰值應力。

圖7 動態(tài)分析應力云圖

由圖7可見：峰值應力發(fā)生在靠近機輪著陸位置的縱向支撐節(jié)點處，應力值為72.96 MPa，標準[18]要求動力載荷作用下許用應力比基本許用應力增加1/3(應力修正系數(shù)1.33)，該處動載作用下許用應力值為105.80 MPa，滿足強度要求。由于動態(tài)分析時應力是隨著載荷幅值曲線變化而變化的，因此，在分析時選取峰值應力處繪制該處應力歷程曲線。圖8顯示此處峰值應力發(fā)生在0.12 s，之后時間應力值在短時間內進行多次波動，而后隨著直升機載荷穩(wěn)定而逐漸穩(wěn)定在在小范圍內。

圖8 峰值應力處應力歷程曲線

直升機場動態(tài)響應最大位移29.94 mm,見圖9，與靜力分析最大位移位置相近。動態(tài)分析考慮了結構的慣性作用，峰值位移相對于靜力分析的結果偏大。由于垂向位移是主要的位移分量，選取發(fā)生最大位移點繪制垂向位移歷程曲線，見圖10。

圖9 動態(tài)分析位移云圖

圖10 最大變形處豎向位移歷程曲線

由圖10可見，垂向峰值位移值26.83 mm，隨著時間推移位移值逐漸衰減，最后趨于穩(wěn)定在15 mm左右，與靜力分析時位移值接近。峰值位移發(fā)生在直升機著陸后的0.12 s，同樣也是峰值應力出現(xiàn)的時刻，說明直升機著陸瞬間的結構狀態(tài)最為不利，需要重點關注。

4 結論

1)沖擊載荷作用下靜力分析表明，直升機場結構滿足強度要求。結構受力最大部位在直升機后機輪著陸位置，縱向支撐桁架及支撐結構與生活樓連接處應力水平較高。在直升機場服役過程中，除了關注直升機著陸位置的結構強度，直升機場與生活樓連接處亦是需要重點關注部位。

2)通過模態(tài)分析得到直升機場結構前8階振型及自振頻率，可知該海域常見風、浪載荷頻率遠離直升機場結構自振頻率，環(huán)境載荷產生共振現(xiàn)象可能性較小。但服役期間要評估直升機振動頻率，加強直升機起降過程中振動監(jiān)測，避免由于直升機振動產生共振現(xiàn)象。

3)對直升機場在沖擊載荷作用下進行了瞬態(tài)動力學分析，得到了峰值應力及最大位移的時間歷程曲線。結果顯示，在動載作用下直升機場結構應力及變形呈現(xiàn)波動特征。在直升機起降時除了關注著陸瞬間的結構響應外，同樣需考慮關鍵節(jié)點的疲勞損傷。建議對直升機場結構受力最大部位交變應力進行實時監(jiān)測，防止結構發(fā)生疲勞破壞。