海上移動平臺直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)安全評估

摘" 要： 圓管支撐結(jié)構(gòu)是海上移動式平臺直升機甲板設(shè)計的重要部分，由于海上惡劣的風(fēng)浪環(huán)境，使結(jié)構(gòu)整體受風(fēng)載荷的影響較大.現(xiàn)有直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)的安全評估內(nèi)容主要集中于圓管的靜強度分析，缺乏風(fēng)振響應(yīng)分析，文中以海洋石油163平臺直升機甲板為例，研究圓管支撐結(jié)構(gòu)的靜力和動力載荷輸入，通過有限元強度分析和理論經(jīng)驗公式計算對比靜力、風(fēng)載荷作用下直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，考慮風(fēng)振渦激效應(yīng)的準靜態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上提出了直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)的安全評估方法，探究了風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)整體安全的影響.

關(guān)鍵詞： 圓管支撐結(jié)構(gòu)；風(fēng)載荷；應(yīng)力分析；強度評估；渦激振動

中圖分類號：TU312+1；U674.38+1""" 文獻標(biāo)志碼：A""""" 文章編號：1673-4807（2024）01-007-06

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.01.002

收稿日期： 2022-06-27""" 修回日期： 2021-04-29

基金項目： 國家自然科學(xué)基金青年項目（52001144）

作者簡介： 王慶豐（1976—），男，教授，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計.E-mail：wang76910@163.com

引文格式： 王慶豐，洪旺，諸俊楷，等.海上移動平臺直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)安全評估［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，38（1）：7-12.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.01.002.

Safety assessment of helicopter deck tube support structuresfor offshore mobile platforms

WANG Qingfeng1， HONG Wang1， ZHU Junkai2， BAI Jian3

（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100）

（2. Zhenjiang Branch， Beijing Digital Yizhi Technology Development Co. Ltd.， Zhenjiang 212100， China）

（3.Drilling Technology Research Institute of Shengli Petroleum Co. Ltd. ， Dongying 257000）

Abstract：The pipe support structure is an important part of the deck design of offshore mobile platform helicopters. Due to the harsh sea environment， the overall structure is greatly affected by wind load. The safety assessment of the existing helicopter deck circular tube support structure mainly focuses on the static strength analysis of the circular tube， and lacks the wind-induced vibration response analysis. In this paper， the helicopter deck of offshore oil 163 platform is taken as an example to study the static and dynamic load input of the circular tube support structure. The force conditions of the circular tube support structure of the helicopter deck under static and wind loads are calculated and compared through the finite element strength analysis and the theoretical empirical formula. The quasi-static analysis considering the wind-induced vortex excitation effect is carried out. On this basis， the safety assessment method of the circular tube support structure of the helicopter deck is proposed， and the influence of wind load on the overall safety of the structure is explored.

Key words：tube support structure， wind load， stress analysis， strength evaluation， vortex induced vibration

海洋平臺在作業(yè)過程中，有時所經(jīng)歷的風(fēng)浪環(huán)境十分惡劣，結(jié)構(gòu)整體受風(fēng)載荷影響較大.圓管支撐結(jié)構(gòu)中長細比較大的桿件作為甲板中的薄弱環(huán)節(jié)在風(fēng)浪及自重的作用下會發(fā)生橫向渦激振動［1］，且風(fēng)載荷在平臺受到的外載荷中占很大比例，對平臺和海洋環(huán)境造成了極大的影響［2］，因此在安全評估階段，風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的作用應(yīng)予以充分考慮.文獻［3］總結(jié)了海洋平臺及其加強結(jié)構(gòu)強度校核時需要考慮的載荷包括結(jié)構(gòu)自重、甲板載荷和環(huán)境風(fēng)載荷.基于風(fēng)載荷對鋼制結(jié)構(gòu)的影響，文獻［4］研究了風(fēng)荷載作用下的懸挑腳手架力學(xué)性能與穩(wěn)定性，得出了不同風(fēng)荷載下最優(yōu)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案.基于風(fēng)振響應(yīng)，通過對高空鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的計算得出鋼結(jié)構(gòu)在高風(fēng)速下會出現(xiàn)較強的側(cè)風(fēng)渦共振［5］.在平臺設(shè)計規(guī)范方面，常用的有中國船級社（CCS）、美國船級社（ABS）、與挪威船級社（DNV）規(guī)范.文獻［2］對比了不同規(guī)范下風(fēng)載荷的計算差異，得出各規(guī)范在典型工況下的計算差值最大為20%.文獻［6］將上述規(guī)范進行了實例計算對比，總結(jié)了各個規(guī)范的差異和部分計算公式的局限性.文中以海洋石油163平臺為研究對象通過有限元仿真和理論公式計算結(jié)合的方式，探究了靜力與施加風(fēng)載荷狀態(tài)下的圓管支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值，并進行了風(fēng)振渦激的準靜態(tài)計算，并在此基礎(chǔ)上開展考慮風(fēng)振效應(yīng)的直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)安全評估方法研究.

1" 直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)概述

海洋石油163平臺在艏部布置直升機甲板與上層建筑，其中直升機甲板采用混合骨架式結(jié)構(gòu)，并且由分布在甲板中心線兩側(cè)的主桁架支撐，各主桁架的上下桁架分別與上層建筑和主船體甲板相連.直升機甲板圓管支撐結(jié)構(gòu)示意如圖1.

直升機甲板作業(yè)工況主要分為甲板均布載荷工況、直升機著陸碰撞工況和直升機存放工況.CCS規(guī)范中［7］對直升機甲板強度提供了明確的載荷、工況和應(yīng)力標(biāo)準，其中存放工況下直升機甲板的垂直與水平慣性力較大，同時環(huán)境載荷所需考慮的情況對比于其他兩種工況更為惡劣，選擇在存放工況下研究風(fēng)載荷與平臺自身載荷對支撐結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用影響.

2" 圓管支撐結(jié)構(gòu)強度理論及數(shù)值模擬方法

2.1" 強度校核標(biāo)準

在分析直升機甲板支撐桿件強度時，對比其在不同載荷作用下圓管結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力與抗彎抗壓UC值.根據(jù)CCS規(guī)范［7］，對于同時承受軸向壓縮和彎曲組合作用的圓管桿件，屈曲強度校核為其最關(guān)鍵的校核因素，計算應(yīng)力應(yīng)滿足公式要求.

當(dāng)σa［σa］≤0.15時，UC值表達式為：

σa［σa］+σby2［σby］2+σbz2［σbz］2≤1.0（1）

當(dāng)σa［σa］≥0.15時，UC值表達式為：

σa［σa］+Cmyσby（1－σaσ′ey）［σby］2+Cmzσbz（1－σaσ′ez）［σbz］2≤1.0（2）

式中：σa為軸向應(yīng)力；［σa］為軸向臨界應(yīng)力；Cmy，Cmz，為y軸、z軸的修正系數(shù)；σby，σbz為桿件關(guān)于橫截面y軸和z軸的計算彎曲應(yīng)力；［σby］，［σbz］為桿件關(guān)于橫截面y軸和z軸的許用彎曲拉伸應(yīng)力；σ′ey，σ′ez為由安全系數(shù)劃分構(gòu)件x向和y向的歐拉應(yīng)力.文中依據(jù)上述規(guī)范中圓管結(jié)構(gòu)抗壓、抗彎理論公式，基于Ansys軟件與excel表格 編寫了提取桿件UC值程序，用于圓管形立柱，輸出結(jié)果包括，圓管桿件編號、長度、軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、UC值.

2.2" 靜力風(fēng)載荷

風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)的作用包括順風(fēng)向平均風(fēng)載荷和脈動風(fēng)載荷，以及渦旋脫落導(dǎo)致的橫向脈動風(fēng)載荷，其中脈動風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向隨時間、空間變化，有明顯的紊亂性和隨機性，且周期較短，性質(zhì)相當(dāng)于動力作用.文中選取平均風(fēng)載荷進行分析，平均風(fēng)載荷的風(fēng)速、風(fēng)向，不隨著時間變化而變化，并且周期較長，本質(zhì)相當(dāng)于靜力作用［8］.因此選取平均風(fēng)載荷，便于和靜力分析結(jié)果進行對比.

根據(jù)實際情況取海拔10 m風(fēng)速70 kn為存放工況下平臺作業(yè)的風(fēng)速.實驗測試表明，在非標(biāo)準條件下風(fēng)速風(fēng)壓換算，風(fēng)速沿高度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)變化［9］，即：

v（z）vs=zzsα（3）

vs=vpzzsα（4）

式中：v（z）為海平面高度z處的風(fēng)速；zs為圓管結(jié)構(gòu)參考高度，對應(yīng)實際的高度為10 m；vs為zs處風(fēng)速；α為指數(shù)，α的理論值取0.13，根據(jù)上式，可算出不同高度位置的理論風(fēng)速.

當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運動遇到阻斷時，將對阻塞物產(chǎn)生壓力［10］，即風(fēng)壓，風(fēng)壓P為［6］：

P=0.613×10－3V2（5）

式中：V為設(shè)計風(fēng)速.作用于桿件上的風(fēng)作用力為：

F=ChCsSP（6）

式中：Ch為受風(fēng)桿件的高度系數(shù)，圓管桿件整體高度處于15～30 m，故取值1.2；Cs為受風(fēng)桿件形狀系數(shù)，桿件為圓柱形故取值0.5；S為受風(fēng)桿件的正投影面積；P為受風(fēng)桿件受到風(fēng)壓，kPa.直升機甲板結(jié)構(gòu)所受風(fēng)載荷均勻作用于圓管支撐結(jié)構(gòu)受風(fēng)桁架上，算得風(fēng)作用力F后可以直接將風(fēng)載荷轉(zhuǎn)化為靜力施加于桿件，計算出風(fēng)載荷作用下桿件的強度變化.

2.3" 風(fēng)激振動安全評估準則

當(dāng)風(fēng)經(jīng)過各種斷面形狀的管狀結(jié)構(gòu)時，在其斷面背后都有可能發(fā)生旋渦的交替脫落，產(chǎn)生交替變化的渦激振力而引起的結(jié)構(gòu)振動稱為渦激振動.本文在平臺存放工況下取海拔10 m風(fēng)速70 kn作為環(huán)境載荷，相比平臺實際作業(yè)風(fēng)速已有一定余量，故文中不考慮沿著風(fēng)向的脈動載荷，只考慮橫向渦激振動.進行風(fēng)激振動安全評估時，需要確定各圓管的尺寸及長度信息，在強度計算后方可對圓管支撐結(jié)構(gòu)各桿件進行風(fēng)激振動校核［11］.根據(jù)DNV［12］規(guī)范，校核方法為計算衰減風(fēng)速Vr，當(dāng)衰減風(fēng)速小于4.7 m/s時，桿件通過橫向激振校核，Vr計算公式為：

Vr=uFvD（7）

式中：u為桿件工作高度的風(fēng)速；Fv為桿件的自振頻率；D為桿件直徑.根據(jù)規(guī)范［9］，圓管支撐桿件自振頻率Fv與兩端約束系數(shù)C的關(guān)系式，公式如下：

Fv=C2πEIWL4（8）

式中：C為桿件的約束系數(shù)；E為彈性模量；I為桿件慣性矩；W為桿件長度系數(shù)；L為桿件長度.其中約束系數(shù)C參考DNV［12］規(guī)范中的標(biāo)準數(shù)值，在桿件兩端固定的情況下，取標(biāo)準值為22.4.在風(fēng)激振動校核后，如果存在不滿足風(fēng)激振動安全評估準則的圓管結(jié)構(gòu)，需要選出不滿足的桿件對風(fēng)激動力載荷進行進一步的研究.

2.4" 模態(tài)分析

模態(tài)分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)自身的剛度和質(zhì)量有關(guān)［13］，因此模態(tài)計算的準確與否的關(guān)鍵在于剛度與質(zhì)量的定義，結(jié)構(gòu)模態(tài)微分方程可表示為：

（K-ω2M）{i}=0（9）

式中：K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；ω為固有圓周頻率；{i}為結(jié)構(gòu)在以i階固有頻率振動時所具有的振型.對式（9）進行求解可得到ωi，即i階固有圓周頻率，公式為：

fi=ωi2π（10）

模態(tài)分析得到fi，描述所計算結(jié)構(gòu)的固有頻率.

2.5" 動態(tài)載荷分析

在穩(wěn)定性分析過程中，平臺動力方法因子是評價動態(tài)效應(yīng)的一個重要指標(biāo)，用其說明動態(tài)響應(yīng)相對于靜態(tài)響應(yīng)的強弱程度.一般來說，結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析主要有兩種方法［4］頻域法和時域法.其中時域法是直接將風(fēng)載荷時程作用于結(jié)構(gòu)上，可以分析結(jié)構(gòu)的非線性動力問題.本文采用時域法與準靜態(tài)法相結(jié)合的方法來考慮風(fēng)激振動力.

準靜態(tài)法通常考慮放大效應(yīng)［14］，具體分為兩個步驟：① 建立分析結(jié)構(gòu)模型，進行動態(tài)載荷分析；② 將動載荷和環(huán)境產(chǎn)生的外部載荷帶入有限元模型，分析模型的安全性.

在第2個步驟中用靜力代替了環(huán)境產(chǎn)生的動態(tài)載荷，因此該分析過程稱為準靜態(tài)分析，采用單自由度計算，動力放大因子為：

DAF=1（1－Ω2）2+2δΩ）2（11）

式中：Ω為圓管結(jié)構(gòu)固有周期Tn與風(fēng)載荷周期T的比值；δ為系統(tǒng)阻尼比，是結(jié)構(gòu)動力學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的阻尼形式，通常取值0.01～0.05.算取動力放大因子后，第2步進行慣性載荷的計算，計算公式為：

Fi=（DAF－1）×（Fmax－Fmin）×0.5（12）

式中：Fi為施加于圓管重心并與風(fēng)載荷垂直的風(fēng)激振動力：Fmax為最大風(fēng)激動力載荷（或為結(jié)構(gòu)橫向最大剪力）；Fmin為最小風(fēng)激動力載荷（或為結(jié)構(gòu)橫向向最小剪力），帶入風(fēng)激振動力于模型重心計算.

3" 有限元計算分析

3.1" ANSYS有限元計算分析

直升機甲板支撐結(jié)構(gòu)選用3種不同尺寸的圓管桿件，尺寸分別為168×7、219×8和323.9×11，屬于API無縫鋼管中X52低碳鋼級，該材料最小屈服強度為359 MPa，彈性模量E=2.06×105 MPa.

將直升機甲板及其支撐桿件簡化為板、梁、桿組合結(jié)構(gòu)，在ANSYS軟件中，定義船長方向為x軸，船寬方向為y軸，利用shell181單元模擬板材，beam188單元模擬梁、骨材、撐管，將直升機甲板邊緣及斜撐端部簡化為鉸支約束，直升機甲板三維有限元模型及邊界約束如圖2、3.

3.2" 靜力計算結(jié)果

施加甲板均布載荷0.5 kN/m2，將直升機與龍須吊鉤重量轉(zhuǎn)化為0.238 kN/m2均布于甲板與圓管支撐結(jié)構(gòu)端部，根據(jù)規(guī)范［6］在存放工況下，直升機與平臺結(jié)構(gòu)由于運動和傾斜產(chǎn)生的靜動載荷，水平慣性力可取存放的直升機和平臺結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)載荷的0.5倍，考慮平臺自身受到船寬方向的0.5倍自重慣性力.通過靜力計算，在直升機存放工況下，其應(yīng)力與變形如圖4.

圓管支撐結(jié)構(gòu)于第二層斜撐處產(chǎn)生最大應(yīng)力為33.0 MPa；最大變形位移為6.29 mm，發(fā)生于斜撐頂端與甲板交界處.表1列出的是存放工況下桿件的最大應(yīng)力與位移分布數(shù)值.采用文中所提理論及數(shù)值模擬方法，所得部分桿件校核結(jié)果如表2.

3.3" 風(fēng)載荷作用下結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果

提取存放工況下圓管支撐結(jié)構(gòu)相應(yīng)節(jié)點的反作用力，并將其作為邊界約束條件帶入SACS.將計算所得風(fēng)載荷作用力，詳見表3，在SACS軟件中對圓管桿件施加，進行風(fēng)載荷分析.計算結(jié)果如圖5.圓管支撐桿件風(fēng)激振動校核結(jié)果如表4.

當(dāng)衰減風(fēng)速小于4.7 m/s時桿件通過橫向激振，從校核結(jié)果可以看出在強度滿足要求的情況下，仍然存在不滿足風(fēng)激振動校核要求的圓管結(jié)構(gòu).

3.4" 模態(tài)分析結(jié)果

文中重點研究各桿的橫向振動，而非整體桁架模態(tài)與風(fēng)振的耦合效應(yīng)，所以選取橫向激振不通過的兩根桿件進行動模態(tài)分析，并定義兩根桿件上的節(jié)點為模態(tài)分析的主節(jié)點，確定主節(jié)點后保留其平動自由度，忽略其轉(zhuǎn)動自由度.圖6為模態(tài)分析結(jié)果.

對照校核表格，發(fā)現(xiàn)一階模態(tài)結(jié)果3與結(jié)果9的分析頻率與表格中平臺自振頻率一致.

圓管支撐結(jié)構(gòu)承受風(fēng)載荷作用，并在圓管支撐結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生橫向的力與力矩，既要考慮平臺自身的載荷，還要考慮環(huán)境載荷所帶來的外部載荷.當(dāng)產(chǎn)生自振時，結(jié)構(gòu)很可能會造成破壞，平臺動力放大系數(shù)不能忽視.

3.5" 風(fēng)激等效激振力計算結(jié)果

載入橫向激振不通過的2、5號桿件于Star-CCM中進行CFD三維模擬計算，網(wǎng)格計算模型如圖7.

進行CFD計算時輸入風(fēng)速值為平臺存放工況下海拔10 m風(fēng)速70 kn，且設(shè)置為恒定風(fēng)速.考慮平臺受到y(tǒng)方向的水平慣性力以及平臺在y方向的建筑遮蔽率低對風(fēng)速影響較小，選取y軸正方向為輸入風(fēng)速方向.計算所得圓管剪力時程曲線如圖8.

由結(jié)構(gòu)橫向剪力時程曲線可以得出，圓管桿件在受到風(fēng)作用力的一瞬間剪力起伏較大，此時桿件所受的風(fēng)激等效激振力最大，隨著CFD仿真時間增加，計算結(jié)果達到穩(wěn)態(tài).本結(jié)構(gòu)屬于中高頻率運動故δ系統(tǒng)阻尼比取值0.02，圓管的固有周期利用SACS的模態(tài)分析求得為分別為0.026、0.052 s.Fmax與Fmin值由CFD計算結(jié)果得出分別為88.810、-121.658 N；246.054、-140.734 N.Fmax與Fmin風(fēng)載荷作用周期T分別為0.03、0.05 s.動力放大因子DAF由公式算得分別為3.98、10.92.風(fēng)激等效激振力Fi最終算得分別為312.9、1 914.56 N與Fmax一同施加于2號、5號桿件及與2號、5號桿件平行的桿件，作用位置為桿件重心，方向豎直向下.結(jié)算結(jié)果如圖9.3種不同載荷下圓管桿件所受應(yīng)力數(shù)值對比如表5.

4" 結(jié)論

（1） 在直升機甲板存放工況下的圓管支撐結(jié)構(gòu)變形相對較小，圓管的Von Mises應(yīng)力遠小于許用值，且大部分桿件抗壓抗彎UC值均小于0.1，說明平臺自身慣性力對結(jié)構(gòu)應(yīng)力有一定的影響，但仍需考慮靜壓風(fēng)載荷與風(fēng)振慣性力的耦合作用，從直升機甲板工作環(huán)境角度，應(yīng)當(dāng)考慮實際作用地點環(huán)境載荷對圓管支撐結(jié)構(gòu)的影響.

（2） 在存放工況的基礎(chǔ)上帶入橫向風(fēng)載荷作用力后，典型桿件的彎曲應(yīng)力提升明顯，軸向應(yīng)力較靜力分析結(jié)果也有小幅度增加，UC值增加明顯提升至0.15以上.

（3） 在同時考慮了存放工況載荷、靜力風(fēng)載荷與風(fēng)激等效激振力后，典型桿件的彎曲應(yīng)力較前兩次計算結(jié)果大幅提升，UC值提升至0.45以上，綜合UC值均小于1.0表明考慮了風(fēng)激等效激振力作用后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍小于規(guī)范要求的許用值，原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案有一定的安全裕度.文中給出的安全評估方法可供考慮風(fēng)振效應(yīng)的實際工程參考.

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