基于CAP 437的自升式平臺(tái)上直升機(jī)甲板強(qiáng)度分析

孫元璋，歐書(shū)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(guó)船級(jí)社大連分社，遼寧 大連 116013；

0 引 言

自升式平臺(tái)[1]的艏部通常會(huì)設(shè)置供直升機(jī)起降和滿(mǎn)足平臺(tái)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(tái)能否正常工作等。

盡管中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society, CCS）和美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping, ABS）的相關(guān)規(guī)范[3-4]對(duì)自升式平臺(tái)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(guó)民航局海洋平臺(tái)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(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的某121.92 m自升式平臺(tái)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(guò)程和方法，為直升機(jī)甲板的設(shè)計(jì)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(duì)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(tái)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(guò)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(shí)，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(jì)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(hào)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(hào)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(jì)算用3D有限元模型

1.2 單元連接

1.2.1 板單元與梁?jiǎn)卧倪B接

在建模時(shí)，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(guò)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(shí)際上是通過(guò)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(guò)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(diǎn)可在x、y和z等3個(gè)方向上移動(dòng)， 但任意方向都不能發(fā)生扭轉(zhuǎn)（3個(gè)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(shí)際上是通過(guò)螺栓在垂直z方向上連接的，該連接通過(guò)點(diǎn)與點(diǎn)的連接方式模擬。點(diǎn)與點(diǎn)的連接方式通常會(huì)傳遞垂直載荷，水平剛度遠(yuǎn)小于垂直剛度，且在任意時(shí)刻不會(huì)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(jiàn)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(jì)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(shí)各部件風(fēng)載荷的線載荷密度。

表2 風(fēng)速為70kn時(shí)各部件風(fēng)載荷的線載荷密度

3 設(shè)計(jì)載荷

3.1 船級(jí)社要求

根據(jù)CCS的要求[3]，直升機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮甲板均布載荷工況、直升機(jī)著陸時(shí)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(gè)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(shí)碰撞工況

1) 直升機(jī)正常降落時(shí)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(shí)著地的輪印上（一般假定兩輪同時(shí)著地）。若無(wú)實(shí)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(jì)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(tái)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(dòng)時(shí)，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(tái)結(jié)構(gòu)自重。

3) 必要時(shí)，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(tái)結(jié)構(gòu)自重。

3) 必要時(shí)，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(tái)結(jié)構(gòu)因平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和傾斜而產(chǎn)生的靜載荷和動(dòng)載荷。若無(wú)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(tái)結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)載荷的0.5 倍。

本文不考慮因平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性載荷，因?yàn)閷?shí)際運(yùn)營(yíng)中直升機(jī)在平臺(tái)浮動(dòng)時(shí)不會(huì)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(jì)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(gè)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(lèi)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(shí)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(shí)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(xiǎn)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(shí)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(xiǎn)的方向上。

從以上要求中不難看出，CAP 437[5]對(duì)設(shè)計(jì)工況的要求比船級(jí)社更嚴(yán)格，不僅多出1個(gè)直升機(jī)應(yīng)急降落工況，而且對(duì)直升機(jī)機(jī)輪沖擊載荷的要求更嚴(yán)格。

3.3 設(shè)計(jì)基本載荷工況

設(shè)計(jì)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(xiǎn)，經(jīng)與船級(jí)社審圖工程師溝通確認(rèn)，選取15處典型位置（見(jiàn)圖3）模擬真實(shí)情況。因平臺(tái)及直升機(jī)甲板自身的對(duì)稱(chēng)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(jiàn)圖3。

圖3 直升機(jī)典型位置

3.4 設(shè)計(jì)組合載荷工況

根據(jù)直升機(jī)設(shè)計(jì)的 3種計(jì)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(jí)社要求的，可看作直升機(jī)停放的一個(gè)特例）。

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

當(dāng)各工況只考慮靜載荷時(shí)，主要支撐構(gòu)件等梁?jiǎn)卧陌踩禂?shù)為1.67；當(dāng)考慮組合荷載時(shí)，主要支撐構(gòu)件等梁?jiǎn)卧陌踩禂?shù)為1.25。此外，應(yīng)根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法的推薦做法[6]的要求，對(duì)管狀接頭進(jìn)行沖剪校核。

4 計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)46種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析計(jì)算[4-8]，各單元構(gòu)件計(jì)算結(jié)果、最危險(xiǎn)工況及其發(fā)生位置見(jiàn)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(diǎn)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(shí)，直升機(jī)甲板相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)及管狀節(jié)點(diǎn)受力最危險(xiǎn)；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(shí)，上層建筑受力最危險(xiǎn)，具體見(jiàn)圖4。

圖4 強(qiáng)度校核圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)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(tái)直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的計(jì)算原理和分析方法，主要得到以下結(jié)論：

1) 自升式平臺(tái)直升機(jī)甲板強(qiáng)度分析是平臺(tái)設(shè)計(jì)階段的重要內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到平臺(tái)、直升機(jī)及其人員的安全。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)直升機(jī)甲板及支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要滿(mǎn)足規(guī)范的一般要求，而且要滿(mǎn)足更嚴(yán)格的CAP 437[5]的要求，并以最接近真實(shí)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?jiǎn)卧姆治鼋Y(jié)果來(lái)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(xiǎn)的方向上的水平載荷對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大。

3) 平臺(tái)結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)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(diǎn)。因此，在直升機(jī)甲板和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核中，不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度問(wèn)題，尤其要重點(diǎn)關(guān)注連接處結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的管狀節(jié)點(diǎn)是否滿(mǎn)足沖剪要求。