孫元璋，歐書博，岳興華，鞏慶濤，郭信強(qiáng)

（1. 招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東 威海 264200；2. 中國船級社大連分社，遼寧 大連 116013；

0 引 言

自升式平臺[1]的艏部通常會設(shè)置供直升機(jī)起降和滿足平臺物資補(bǔ)給及人員更換等要求的直升機(jī)甲板，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]直接關(guān)系到人身安全和平臺能否正常工作等。

盡管中國船級社（China Classification Society, CCS）和美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）的相關(guān)規(guī)范[3-4]對自升式平臺上的直升機(jī)甲板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了相關(guān)要求，但英國民航局海洋平臺直升機(jī)區(qū)域規(guī)范（CAP 437）[5]的要求更嚴(yán)格。本文以我國自行設(shè)計和建造的某121.92 m自升式平臺為例，以CAP 437為參考，闡述直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的過程和方法，為直升機(jī)甲板的設(shè)計人員和使用人員提供借鑒。

通常情況下直升機(jī)甲板是由廠家直供的，在出廠前就已對其強(qiáng)度進(jìn)行校核，故本文所述直升機(jī)甲板自身和骨材的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不在有限元分析校核范圍內(nèi)，但其質(zhì)量包含在有限元模型中。

1 模型描述

1.1 材料及其屬性

自升式平臺的艏部布置有上層建筑和直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)，直升機(jī)甲板通過桁架支撐結(jié)構(gòu)與上層建筑相連。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型有限元分析時，上層建筑的甲板、艙壁和外板模擬為有限元板，直升機(jī)甲板的橫梁、桁材和次要扶強(qiáng)材模擬為有限元梁。圖1為計算用3D有限元模型，其中：支柱a和H型鋼b的結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa；直升機(jī)甲板桁材c的結(jié)構(gòu)采用鋁制6082-T6型號材料，屈服強(qiáng)度為250 MPa；直升機(jī)甲板梁d的結(jié)構(gòu)采用鋁制6005A-T6型號材料，屈服強(qiáng)度為215 MPa；上層建筑結(jié)構(gòu)采用普通低碳鋼，屈服強(qiáng)度為235 MPa。

圖1 計算用3D有限元模型

1.2 單元連接

1.2.1 板單元與梁單元的連接

在建模時，連接到上層建筑的直升機(jī)甲板支撐部分的結(jié)構(gòu)用有限元板模擬，而支撐結(jié)構(gòu)的主要部分用有限元梁模擬。這2種單元通過剛性連接支撐連接，其邊界剛度為[free, free, free, free, free, free, free]，這樣可使平面部分保持平整。

1.2.2 直升機(jī)甲板桁材間的連接

直升機(jī)甲板桁材間實際上是通過螺栓在其軸線方向上相互連接的，而模型中相關(guān)桁材的兩端是通過鉸鏈[fixed, fixed, fixed, 1 N·m, 1 N·m, 1 N·m]的方式模擬連接的，鉸接點可在x、y和z等3個方向上移動， 但任意方向都不能發(fā)生扭轉(zhuǎn)（3個方向的扭轉(zhuǎn)剛度取1N·m，而不是0，以防止整體模型的剛度矩陣為0）。

1.2.3 H型鋼與直升機(jī)甲板桁材的連接

H型鋼與直升機(jī)甲板桁材實際上是通過螺栓在垂直z方向上連接的，該連接通過點與點的連接方式模擬。點與點的連接方式通常會傳遞垂直載荷，水平剛度遠(yuǎn)小于垂直剛度，且在任意時刻不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

1.2.4 直升機(jī)甲板梁與桁材的連接

直升機(jī)甲板梁與桁材的連接與H型鋼與直升機(jī)甲板桁材的連接相似。模型中直升機(jī)甲板梁作為General Section 考慮，具體見表1和圖2。

表1 直升機(jī)梁剖面屬性

圖2 直升機(jī)甲板梁剖面

2 風(fēng)載荷

根據(jù)CCS和ABS的有關(guān)規(guī)范[3-4]，風(fēng)壓的計算式為

式(1)中：vk為風(fēng)速；Ch為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)。

在此次分析中，風(fēng)荷載是由密度為P×D（D為物體的特定尺寸）的線載荷施加的，風(fēng)速為100 kn的線載荷密度是風(fēng)速為70kn的線載荷密度的2.04倍。表2為風(fēng)速為70 kn時各部件風(fēng)載荷的線載荷密度。

表2 風(fēng)速為70kn時各部件風(fēng)載荷的線載荷密度

3 設(shè)計載荷

3.1 船級社要求

根據(jù)CCS的要求[3]，直升機(jī)平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)考慮甲板均布載荷工況、直升機(jī)著陸時碰撞工況和直升機(jī)存放工況等3 種工況。

3.1.1 甲板均布載荷工況

在該工況下，考慮整個甲板區(qū)域上面覆蓋2 kN/m2的均布載荷。

3.1.2 直升機(jī)著陸時碰撞工況

1) 直升機(jī)正常降落時的垂直沖擊載荷為 1.50倍最大起飛重量，均勻分布在直升機(jī)著陸時著地的輪印上（一般假定兩輪同時著地）。若無實際輪印尺寸資料，輪印尺寸可取0.30 m×0.30 m。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)按其受力最不利的直升機(jī)著地位置考慮。當(dāng)直升機(jī)平臺的起降甲板為上層建筑或甲板室頂甲板，且其下部處所（如控制室、船員住室等）有人活動時，上述垂直沖擊載荷為1.75倍最大起飛重量。

2) 考慮直升機(jī)平臺結(jié)構(gòu)自重。

3) 必要時，考慮0.5 kN/m2的均布載荷，以考慮雪、冰及其他環(huán)境載荷。

3.1.3 直升機(jī)存放工況

1) 承受最大起飛重量的機(jī)輪載荷，其著地承載面積可按直升機(jī)撞擊工況中的假定求取。

2) 考慮直升機(jī)平臺結(jié)構(gòu)自重。

3) 必要時，考慮0.5 kN/m2的均布載荷，以考慮雪、冰及其他環(huán)境載荷。

4) 考慮在可存放的相應(yīng)環(huán)境條件下，直升機(jī)和直升機(jī)平臺結(jié)構(gòu)因平臺運動和傾斜而產(chǎn)生的靜載荷和動載荷。若無合適的參考資料，水平慣性力和垂直慣性力可取存放的直升機(jī)和直升機(jī)平臺結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)載荷的0.5 倍。

本文不考慮因平臺運動而產(chǎn)生的慣性載荷，因為實際運營中直升機(jī)在平臺浮動時不會著陸或停放在飛機(jī)坪上。

3.2 CAP 437的要求

根據(jù)CAP 437的要求[5]，直升機(jī)甲板設(shè)計載荷工況應(yīng)包括直升機(jī)停放、直升機(jī)常規(guī)降落和直升機(jī)應(yīng)急降落等3種。

在直升機(jī)甲板上的任何位置都要施加載荷，以便為每個結(jié)構(gòu)元件給出最嚴(yán)重的載荷條件。此外，若適用，其他類型的裝載（如雪、貨物和加油設(shè)備等）可能需在結(jié)構(gòu)分析中考慮。

3.2.1 直升機(jī)停放載荷

根據(jù)CAP 437第三章第五節(jié)的要求[5]，在直升機(jī)停放工況下需同時施加以下載荷：

1）結(jié)構(gòu)自重；

2）機(jī)輪在著陸甲板上任意位置處的載荷，為1.0倍最大起飛重量；

3）直升機(jī)甲板均布載荷，2.0 kN/m2；

4）風(fēng)載荷（100 kn）。

3.2.2 直升機(jī)正常降落載荷

根據(jù)CAP 437第三章第四節(jié)的要求[5]，在直升機(jī)正常降落工況下需同時施加以下載荷：1) 結(jié)構(gòu)自重；

2) 機(jī)輪在著陸甲板上任意位置處的載荷，為1.95倍最大起飛重量；

3) 直升機(jī)甲板均布載荷，0.5 kN/m2；

4) 風(fēng)載荷（70 kn）；

5) 起落架之間0.5倍最大起飛重量的水平載荷，按比例施加在最危險的方向上。

3.2.3 直升機(jī)應(yīng)急降落載荷

根據(jù)CAP 437第三章第四節(jié)的要求[5]，在直升機(jī)應(yīng)急降落工況下需同時施加以下載荷：

1) 結(jié)構(gòu)自重；

2) 機(jī)輪在著陸甲板上任意位置處的載荷，為3.25倍最大起飛重量；

3) 直升機(jī)甲板均布載荷，0.5 kN/m2；

4) 風(fēng)載荷（70 kn）；

5) 起落架之間0.5倍最大起飛重量的水平載荷，按比例施加在最危險的方向上。

從以上要求中不難看出，CAP 437[5]對設(shè)計工況的要求比船級社更嚴(yán)格，不僅多出1個直升機(jī)應(yīng)急降落工況，而且對直升機(jī)機(jī)輪沖擊載荷的要求更嚴(yán)格。

3.3 設(shè)計基本載荷工況

設(shè)計基本載荷工況如下：

1) 結(jié)構(gòu)自重，以及因人行道和樓梯等雜鋼材的重量而增加的10%自重；

2) 均布載荷；

3) 風(fēng)載荷（如表2所示）；

4)z方向的機(jī)輪沖擊載荷（最大起飛重量為125.859 kN）；

5) 水平載荷（最大起飛重量為125.859 kN）。

由于直升機(jī)的停放和降落具有隨機(jī)性，尤其是直升機(jī)緊急降落工況，通常情況下直升機(jī)停放或降落在梁結(jié)構(gòu)端部連接處和直升機(jī)甲板邊緣且梁結(jié)構(gòu)僅有單邊支撐的工況更危險，經(jīng)與船級社審圖工程師溝通確認(rèn)，選取15處典型位置（見圖3）模擬真實情況。因平臺及直升機(jī)甲板自身的對稱性，直升機(jī)典型位置僅選取左舷，右舷結(jié)果與之相似，具體方向和位置見圖3。

圖3 直升機(jī)典型位置

3.4 設(shè)計組合載荷工況

根據(jù)直升機(jī)設(shè)計的 3種計算工況，按基本載荷組合原則，直升機(jī)在不同位置處的組合載荷工況共有46種。

1) 工況100（LC100）：整體分布載荷（僅包含結(jié)構(gòu)自重和甲板均布載荷，該工況是船級社要求的，可看作直升機(jī)停放的一個特例）。

2) 工況201（LC201）～工況215（LC215）：直升機(jī)停放（分別對應(yīng)圖3中的P1～P15）。

3) 工況301（LC301）～工況315（LC315）：直升機(jī)正常降落（分別對應(yīng)圖3中的P1～P15）。4) 工況401（LC401）～工況415（LC415）：直升機(jī)應(yīng)急降落（分別對應(yīng)圖3中的P1～P15）。

當(dāng)各工況只考慮靜載荷時，主要支撐構(gòu)件等梁單元的安全系數(shù)為1.67；當(dāng)考慮組合荷載時，主要支撐構(gòu)件等梁單元的安全系數(shù)為1.25。此外，應(yīng)根據(jù)美國石油協(xié)會海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造工作應(yīng)力設(shè)計法的推薦做法[6]的要求，對管狀接頭進(jìn)行沖剪校核。

4 計算結(jié)果

分別對46種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析計算[4-8]，各單元構(gòu)件計算結(jié)果、最危險工況及其發(fā)生位置見表3～表6。

表3 直升機(jī)甲板支柱和H型鋼支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

表4 管狀節(jié)點沖剪校核

表5 上層建筑和連接處板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

表6 直升機(jī)甲板桁材和梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

由表3～表6可知：當(dāng)直升機(jī)應(yīng)急降落在直升機(jī)甲板45°邊緣處（圖3中的P4處）時，直升機(jī)甲板相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)及管狀節(jié)點受力最危險；當(dāng)直升機(jī)應(yīng)急降落在直升機(jī)甲板中線且靠近上層建筑一側(cè)邊緣處（圖3中的P2處）時，上層建筑受力最危險，具體見圖4。

圖4 強(qiáng)度校核圖

5 結(jié) 語

本文結(jié)合實例分析，以更嚴(yán)格的CAP 437[5]為標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種適用于自升式平臺直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的計算原理和分析方法，主要得到以下結(jié)論：

1) 自升式平臺直升機(jī)甲板強(qiáng)度分析是平臺設(shè)計階段的重要內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到平臺、直升機(jī)及其人員的安全。因此，設(shè)計人員在設(shè)計直升機(jī)甲板及支撐結(jié)構(gòu)時，不僅要滿足規(guī)范的一般要求，而且要滿足更嚴(yán)格的CAP 437[5]的要求，并以最接近真實的工況為例進(jìn)行強(qiáng)度校核，從而最大限度地保證其安全性。

2) 從板單元和梁單元的分析結(jié)果來看，直升機(jī)應(yīng)急降落工況下的直升機(jī)沖擊載荷和起落架之間0.5倍最大起飛重量的水平載荷按比例施加在最危險的方向上的水平載荷對結(jié)構(gòu)影響最大。

3) 平臺結(jié)構(gòu)最危險的位置是上層建筑與直升機(jī)甲板相關(guān)支撐構(gòu)件的連接處、直升機(jī)甲板45°邊緣處H型鋼及圓形支柱的管狀節(jié)點。因此，在直升機(jī)甲板和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和強(qiáng)度校核中，不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度問題，尤其要重點關(guān)注連接處結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的管狀節(jié)點是否滿足沖剪要求。