池建輝，許亮亮，黃明誠，薛江山

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

海洋工程船和設(shè)施，如鉆井船、鉆井平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸載單元（FPSO）和工程輔助船等，其作業(yè)特點(diǎn)決定了其甲板布置緊湊、空間緊張的特點(diǎn)，一般無法像油船和散貨船等運(yùn)輸船一樣給直升機(jī)平臺(tái)預(yù)留甲板空間。而為了保證安全，通用的離岸直升機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)規(guī)范《CAP 437》[1]等對(duì)直升機(jī)平臺(tái)的周圍布置也有明確的“無障礙化”要求（210°的無障礙區(qū)域和剩余150°的限制障礙區(qū)域），因此海工設(shè)施上的直升機(jī)平臺(tái)多采用高位懸挑布置，使用桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行支承。本文簡(jiǎn)單分析了在部分支承端采用鉸接優(yōu)化的靜力學(xué)效果，并著重對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果基于有限元分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 簡(jiǎn)化分析

1.1 懸挑型平臺(tái)的特點(diǎn)

直升機(jī)是離岸設(shè)施和海工作業(yè)船最便捷的物資補(bǔ)給和人員運(yùn)送方式，因此直升機(jī)平臺(tái)就成為許多海工設(shè)施上的標(biāo)準(zhǔn)配置。作為目前廣泛采用的桁架懸挑結(jié)構(gòu)（見圖1），其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約布置空間，滿足規(guī)范要求。但這種一端支承的布置方式，抽象成懸臂梁之后，與兩端固支的梁相比，雖然減少了一半的支承，但端部彎矩卻增大到4倍，如圖2所示。因此從受力效果來看，懸臂梁會(huì)帶來約束應(yīng)力較大的情況。

工程上對(duì)于需要懸挑的鋼結(jié)構(gòu)，可以選擇上部斜拉的方式，來緩解支承端下部的彎曲壓應(yīng)力，這也發(fā)揮了鋼材良好的抗拉性能。但是對(duì)于直升機(jī)平臺(tái)來說，規(guī)范所規(guī)定的無障礙區(qū)域決定了其無法在平臺(tái)上部增加構(gòu)件的特點(diǎn)，如圖3所示。

因此懸挑型直升機(jī)平臺(tái)都會(huì)面臨只能在底部支承和端部彎曲應(yīng)力較高的問題。

圖1 海工設(shè)施上廣泛采用的直升機(jī)平臺(tái)懸挑型布置

圖2 一端和兩端固支梁的彎矩剪力比較

圖3 直升機(jī)平臺(tái)上空的無障礙要求

1.2 懸挑平臺(tái)的優(yōu)化方向

支承結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化成有代表性的兩點(diǎn)支承加必要桁架的形式，如圖4左邊(I)所示。實(shí)際這樣的支承至少會(huì)有兩組，否則無法保證平臺(tái)的抗扭剛度，這里為了便于討論因而進(jìn)行了這樣的簡(jiǎn)化。支承端的端部截面是體現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)抗彎能力的部位，把整體結(jié)構(gòu)看成梁，根據(jù)下列梁彎曲應(yīng)力的計(jì)算公式，可以知道截面最大彎曲應(yīng)力和剖面模數(shù)W成反比：

經(jīng)典材料力學(xué)[2]已經(jīng)有過討論，對(duì)于截面積一定的梁，盡量將截面面積遠(yuǎn)離中性軸布置，可以增大剖面模數(shù)，提高梁的抗彎強(qiáng)度。顯然根據(jù)這一理論，最好的解決辦法是分別在盡量靠上和靠下的位置布置兩個(gè)支承，以增大端部的綜合剖面模數(shù)。一般來說，下端部的支承點(diǎn)需要考慮露天甲板布置、上層建筑強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置等因素，可以在布置允許的情況下?lián)卧谏蠈咏ㄖM量靠下的某層甲板位置；而上端部的支承點(diǎn)，根據(jù)圖3的說明，理論上最高的位置即為直升機(jī)甲板面的高度，因此把直升機(jī)甲板面與最高一層甲板（如羅經(jīng)甲板）做成一體是最有利的。如圖4右邊(II)所示。

圖4 兩點(diǎn)支承形式在受力上的優(yōu)化

圖5 直升機(jī)平臺(tái)與頂層甲板一體連接無法實(shí)現(xiàn)的一些情況

但是這種將直升機(jī)甲板和頂層甲板做成一體的方案，在實(shí)踐中不是特別通用，一般來說比較適合下端支承位置較高的情況，如主體型深較小的自升式平臺(tái)（如圖1左上所示），否則上端部連接強(qiáng)度過高，在設(shè)計(jì)上的冗余太大，沒有必要。另外從布置上考慮，這種方案占用了不必要的空間（現(xiàn)行規(guī)范要求直升機(jī)平臺(tái)要有一主兩副共三個(gè)逃生通道），而且頂層甲板不一定有足夠?qū)掗煹募装迕娣e，或無法合理連接（高度不相等，或直升機(jī)平臺(tái)存在一定角度等），如圖5所示。

1.3 上端部鉸接的優(yōu)化

以上討論表明，固定直升機(jī)平臺(tái)的甲板對(duì)緩解應(yīng)力是很有利的，但并不是所有布置形式都能將直升機(jī)甲板和海工設(shè)施頂層甲板做成一體，很多時(shí)候做成一體也沒有必要。那么，可以考慮另一種較為可行、經(jīng)濟(jì)的固定方式，即鉸接。

鉸接是一種約束X、Y、Z三個(gè)方向位移而不約束轉(zhuǎn)角的連接方式，在工程船上應(yīng)用較廣，如浮吊船的吊臂端與船體支承結(jié)構(gòu)即是用鉸接方式連接的。鉸接的優(yōu)點(diǎn)在于需要的布置空間相對(duì)較小，可以就近尋找強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，或者另行設(shè)計(jì)連接點(diǎn)，并且連接點(diǎn)不會(huì)引入彎矩。

圖6 平臺(tái)縱桁鉸接固定的一種做法

圖7 單點(diǎn)固支(A)、兩點(diǎn)固支(B)和上端鉸接(C)的簡(jiǎn)化布置

可以設(shè)想某鉆井船上依靠上層建筑布置的直升機(jī)平臺(tái)，將其甲板的縱桁端部鉸接固定（如圖 6所示），看看這種方式和普通的做法（即兩點(diǎn)剛性支承）相比有什么優(yōu)缺點(diǎn)，為了便于比較，同時(shí)引入單點(diǎn)剛性支承的方式作為對(duì)照組，如圖7所示。

這三種連接方式中，(B)和(C)都是超靜定問題，需要引入剛度方程求解，這里可以參考實(shí)際型材選用和載況，對(duì)三種形式分別建模，并進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，用有限元分析方法求1、2端部的支反力，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較[3]。

2 有限元分析

2.1 模型、邊界條件和載荷

圖8左上方是該直升機(jī)平臺(tái)的主要尺寸，甲板寬度 D=22.20m，最大直升機(jī)起飛質(zhì)量MTOM=12.834t，能供表1所列的兩種（或更輕型、更小型）直升機(jī)起降使用。其型材選用的合理性都是經(jīng)過驗(yàn)證的，它是模型(B)的原型。

表1 直升機(jī)平臺(tái)實(shí)例中能承載的直升機(jī)主要數(shù)據(jù)

簡(jiǎn)化起見，有限元模型里的甲板板用板單元（shell）模擬，網(wǎng)格尺寸等于縱骨間距，梁、縱骨和支撐圓管都用梁?jiǎn)卧╞eam）模擬。將模型(B)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改并加上約束，即可得到另外兩個(gè)不同支承方式的直升機(jī)平臺(tái)有限元模型(A)和(C)，如圖8所示。

為了針對(duì)鉸接效果進(jìn)行分析，且保證得到的結(jié)果具有較高可靠性，選擇惡劣并且沒有橫向力（Y方向）的工況進(jìn)行加載。對(duì)于橫向力的抵御，一般可以增加橫向布置的斜撐來做到，這里略去不討論。根據(jù)《CAP 437》[1]，降落載荷選取緊急降落（emergency landing）的情況。包括環(huán)境載荷在內(nèi)的所有載荷都簡(jiǎn)要列在表2里。

其中最大起飛質(zhì)量 MTOM 取的是 Sikorsky S92A型直升機(jī)的12.834t，按其降落輪距3.18m把降落載荷平均分配給選定的兩個(gè)降落點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 直升機(jī)平臺(tái)實(shí)例的落點(diǎn)示意圖

2.2 分析結(jié)果

三個(gè)模型的甲板板組合應(yīng)力（von Mises stress）的分布如圖10所示，圓管在下端部支撐點(diǎn)（即圖7中的1端部）的支反力、應(yīng)力的大小匯總在表3和圖11里。

對(duì)比圖10中的A和B，可以看出，增加一個(gè)支承端能非常有效地緩解甲板應(yīng)力向圓管連接點(diǎn)集中的情況，從數(shù)值上來看該區(qū)域的最大應(yīng)力減小了約50%，是非常可觀的，這能在一定程度上反映進(jìn)行至少兩點(diǎn)支承的必要性。再對(duì)比A和C，可以看出增加鉸接端的辦法也大幅緩解了應(yīng)力峰值，整體效果上并不比B差，并且相對(duì)于B來說并沒有增加圓管構(gòu)件，材料上更為經(jīng)濟(jì)。不過鉸接帶來的鉸接端應(yīng)力升高的現(xiàn)象也值得注意。

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，模型A在下端部支撐點(diǎn)產(chǎn)生了非常大的彎曲應(yīng)力2190MPa，遠(yuǎn)超普通鋼材的屈服應(yīng)力。通過圖11可以直觀地對(duì)比三個(gè)模型的應(yīng)力情況，模型B和C都把彎曲應(yīng)力降低到了非常小的值，這充分說明進(jìn)行至少兩點(diǎn)支承的必要性。而對(duì)比B和C的應(yīng)力值，可以發(fā)現(xiàn)C的受力情況全面優(yōu)于B，這說明高位鉸接優(yōu)化的方向是有利的。

圖10 模型A（左）、B（中）、C（右）的甲板板組合應(yīng)力分布

表3 下端部支撐點(diǎn)支反力和應(yīng)力匯總

2.3 銷子尺寸設(shè)計(jì)

通過有限元計(jì)算讀出C模型鉸接點(diǎn)的支反力，據(jù)此可以驗(yàn)算所需的銷子尺寸（直徑 d）是否在可行的范圍之內(nèi)。

假設(shè)直升機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)使用的鋼材是HT36的高強(qiáng)鋼，屈服強(qiáng)度為σy=355MPa，鉸接端單個(gè)眼板處的最小接觸板厚（計(jì)及復(fù)板，即 doubler plate）為t=60mm。為了得到有工程意義的結(jié)論，將抗壓強(qiáng)度的利用率控制在0.6、剪切強(qiáng)度的利用率控制在0.4以下。

讀取的單個(gè)鉸接點(diǎn)支反力：

圖11 下端部支撐點(diǎn)支反力和應(yīng)力對(duì)比圖

首先考慮剪切應(yīng)力：

其次考慮接觸壓應(yīng)力：

由此可以看出，鉸接處銷子的直徑至少取88mm，這在工程上是可行的。

3 結(jié)論

懸挑型直升機(jī)平臺(tái)進(jìn)行至少上下兩點(diǎn)支承是必要的，而上端部進(jìn)行高位鉸接能在有限的布置空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的受力效果，經(jīng)過簡(jiǎn)單的分析也驗(yàn)證了它的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，鉸接可以與B類型支承方式結(jié)合起來，作為直升機(jī)平臺(tái)的輔助性連接，以減小鉸接處的施工難度，增加整體可靠性。

[1]CAP 437.Offshore Helicopter Landing Areas -Guidance on Standards[S].UK: Civil Aviation Authority,2008.

[2]金忠謀,等.材料力學(xué)(I)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2005(3).

[3]盛振邦, 劉應(yīng)中.船舶原理(上)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社, 2004.