深海直升機(jī)平臺強(qiáng)度分析

肖敬發(fā)

應(yīng)用研究

深海直升機(jī)平臺強(qiáng)度分析

肖敬發(fā)

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 200082）

以某海上直升式鉆井平臺為例，對直升機(jī)平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分別對直升機(jī)正常降落工況，受惡劣環(huán)境影響下偏向降落工況，直升機(jī)著陸沖擊工況及直升機(jī)系留工況下的直升機(jī)平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，變形及重要節(jié)點(diǎn)的疲勞進(jìn)行了分析，整個(gè)計(jì)算采用Femap & NX.Nastran軟件生成有限元模型模擬工作情況并進(jìn)行有效分析，分析結(jié)果顯示直升機(jī)平臺和支撐結(jié)構(gòu)的安全性及承受能力非常優(yōu)越。

直升機(jī)平臺 自升式鉆井平臺 強(qiáng)度 有限元分析

0 引言

隨著海洋開發(fā)的越來越廣泛，作業(yè)范圍也在不斷的擴(kuò)大，作業(yè)環(huán)境也是越來越惡劣。自升式鉆井平臺在開采海上資源上占有非常重要的位置，自升式鉆井平臺不但有開采海洋資源的鉆井設(shè)備，同時(shí)還布置有平臺上人員的工作區(qū)及生活區(qū)。由于自升式鉆井平臺長期在海洋上工作，因此也設(shè)有供鉆井平臺上人員物資補(bǔ)給，救援以及逃生的直升機(jī)平臺，自升式鉆井平臺上除了鉆井工作區(qū)外，就是人員生活區(qū)。而鉆井工作區(qū)是非常危險(xiǎn)的區(qū)域，因此，直升機(jī)平臺的布置需要考慮安全性外，還需考慮直升機(jī)平臺合理性。

由于鉆井平臺的特殊性，因此，直升機(jī)平臺通常會設(shè)置在平臺的一端與生活區(qū)連接在一起，使得平臺上的人員不管是救援還是逃生都非常的方便。根據(jù)要求，本文直升機(jī)平臺搭載的是大型直升機(jī)，較傳統(tǒng)的直升機(jī)平臺有許多優(yōu)化的設(shè)計(jì)。下面將以某自升式海洋鉆井平臺上的超大型直升機(jī)平臺作為實(shí)例，詳細(xì)說明承載超大型直升機(jī)的直升機(jī)平臺強(qiáng)度分析過程及改進(jìn)后的強(qiáng)度變化，優(yōu)化后的直升機(jī)平臺是否滿足要求，為后續(xù)該類自升式鉆井平臺上的直升機(jī)平臺提供參考。

1 直升機(jī)平臺的說明及設(shè)計(jì)

自升式鉆井平臺上的直升機(jī)平臺是按照搭載SIKORSKY S92直升機(jī)來進(jìn)形設(shè)計(jì)。SIKORSKY S92直升機(jī)的最大起飛重量為12.834噸，總長度為20.88米，總高為5.47米，軸距為6.2米，輪距為3.18米，主旋翼直徑為17.17米。為了滿足SIKORSKY S92直升機(jī)的起降要求，該直升機(jī)平臺的甲板面為正八面鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，甲板結(jié)構(gòu)形式為縱骨架式。由于直升機(jī)平臺長寬都很大，整個(gè)直升機(jī)平臺底下的支撐采用了桁架式結(jié)構(gòu)?？紤]到直升機(jī)平臺的高度很高、直升機(jī)平臺底下支撐都為鋼管結(jié)構(gòu)、而鋼管支撐的跨度太大、直升機(jī)平臺的穩(wěn)定性以及平臺自身重量等因素，因此，在直升機(jī)平臺與上層建筑的中間增設(shè)了由大型工字梁組成的一個(gè)“門”型結(jié)構(gòu)。在“門”型結(jié)構(gòu)中間采用工字梁進(jìn)行“X”型加固，除了起到減小底下斜向支撐的跨距，還能夠保證整個(gè)直升機(jī)平臺的穩(wěn)定性，也使得整個(gè)直升機(jī)平臺的強(qiáng)度更好。直升機(jī)平臺底下的斜向支撐鋼管與上層建筑連接處也采用加大加厚型的高強(qiáng)度鋼板作為支撐件與上層建筑進(jìn)行線性連接，使支撐結(jié)構(gòu)背面加強(qiáng)更簡單，更方便，更有效，詳情見圖1。

圖1 直升機(jī)平臺及上層建筑完整模型

2 直升機(jī)平臺設(shè)計(jì)載荷及設(shè)計(jì)工況

根據(jù)直升式鉆井平臺所在的區(qū)域及工作性質(zhì)，按照相關(guān)的規(guī)定要求，整個(gè)直升式鉆井平臺主要受到的載荷有風(fēng)力載荷，基本載荷以及直升機(jī)上升與降落時(shí)的沖擊載荷。

2.1 風(fēng)力載荷

根據(jù)鉆井平臺工作所在的環(huán)境，整個(gè)直升機(jī)平臺的設(shè)計(jì)，風(fēng)力荷載應(yīng)根據(jù)ABS MODU規(guī)范3.1.3/1.3[2]要求（最新版本）計(jì)算，風(fēng)速每秒43.4米，風(fēng)壓計(jì)算如下：

P = f×V×C×C

式中：常系數(shù)，取0.611；風(fēng)速取43.3 m/s；C高度系數(shù)；C形狀系數(shù)

直升飛機(jī)在靜止水面以上的高度為 40 m，高度系數(shù)C取1.2，直升機(jī)平臺單獨(dú)的結(jié)構(gòu)形狀，比如梁；形狀系數(shù)C取 1.5，根據(jù)上述風(fēng)壓計(jì)算公式，設(shè)計(jì)風(fēng)壓取2071 N/m2。

對于直升機(jī)及支撐結(jié)構(gòu)側(cè)邊的投影面面積為154 m2，前區(qū)以投影面面積的60%作為有效面積。

A=1540.6=92.4 m2

A=1600.6=96.0 m2

風(fēng)力：F=P×A=207192.4=191.36 kN

F=P×=2071×96.0=198.81 kN

直升機(jī)的形狀系數(shù)：Cs=1

其中計(jì)算了直升機(jī)在降落時(shí)每個(gè)車輪的水平分量和直升機(jī)降落時(shí)由于受風(fēng)時(shí)的傾覆力矩的垂直分量。直升機(jī)的其中一個(gè)輪子將固定，另一個(gè)輪子將釋放。

式中：側(cè)面積AL=46.7 m2，正面面積AF=17.3 m2。

同時(shí)也考慮到直升機(jī)位于直升機(jī)平臺上方2米的側(cè)面重心位置，以及兩個(gè)輪子之間的距離為3.18米(正面)至8.20米(側(cè)面)，垂直力的計(jì)算公式如下：

表1：輪子上的風(fēng)力

2.2 基本載荷

根據(jù)CAP437[3]的基本載荷要求，基本載荷包括直升機(jī)平臺的自身重量，甲板上的設(shè)備重量，其它專業(yè)的重量，直升機(jī)最大起飛重量，正常著陸沖擊載荷，緊急著陸沖擊載荷，橫向載荷，風(fēng)載荷，總附加載荷等，其中直升機(jī)平臺自身的結(jié)構(gòu)重量取自于模型重量，甲板設(shè)備重量及其它專業(yè)重量取自于統(tǒng)計(jì)重量，整個(gè)直升機(jī)平臺的總重量為160.30噸，直升機(jī)最大起飛重量為12.834噸(MTOW)，正常著陸沖擊載荷為1.5 MTOW，緊急著陸沖擊載荷2.5 MTOW，橫向載荷為0.5 MTOW，風(fēng)載荷為43.4 m/s，總附加荷載為0.5 kN/m2，均勻分布置于直升機(jī)平臺上面。

2.3 沖擊載荷

由于海上情況復(fù)雜，考慮到直升機(jī)著陸位置的隨機(jī)性和支撐結(jié)構(gòu)的相似性，在緊急著陸條件下選取了7個(gè)典型位置，在正常著陸和裝載條件下選取了1個(gè)典型位置（見圖2）。

這架直升機(jī)裝備有三個(gè)著陸裝置。在裝載條件下，所有著陸裝置著陸。但是，在著陸條件下保守的考慮，垂直力和水平力需要用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別表示兩個(gè)后著陸裝置。

根據(jù)CAP437[3]，正常著陸沖擊載荷應(yīng)為1.5，緊急著陸沖擊載荷應(yīng)為2.5。在正常著陸和緊急著陸情況下，應(yīng)給予額外的響應(yīng)系數(shù)1.3。同時(shí)施加0.5xMTOW（最大起飛重量）的橫向荷載。

2.4 設(shè)計(jì)工況

2.4.1 基本工況

根據(jù)CAP437[3]的要求，直升機(jī)平臺的基本載荷工況可以分為7種，每種工況的詳情都將匯總到表2中，詳見表2。

表2 基本載荷工況

2.4.2 組合工況

圖2 隨機(jī)著陸位置

根據(jù)表2中的基本載荷可以組合成18種組合工況，分別為正常著陸組合工況，緊急著陸工況，直升機(jī)存放組合工況。其中正常著陸組合工況根據(jù)著陸的方向不同可以組合為2種組合工況；緊急著陸工況根據(jù)緊急著陸的位置，方向的不同，可以組合成14種組合工況；存放組合工況，根據(jù)直升機(jī)存放的方向不同，可以組合成2種組合工況。

3 構(gòu)件安全系數(shù)

根據(jù)MODU規(guī)范 3.2.2/3.3[2]要求，組合荷載下各構(gòu)件都具有相應(yīng)的安全系數(shù)，根據(jù)直升機(jī)平臺及組成部份，所有安全系數(shù)匯總?cè)绫?。

表3 組合荷載安全系數(shù)

4 分析結(jié)果

自升式鉆井平臺上的直升機(jī)平臺分析是由Femap & NX.Nastran軟件生成有限元模型并進(jìn)行計(jì)算處理完成。該平臺均采用高強(qiáng)度鋼制成，其中直升機(jī)平臺甲板板、直升機(jī)甲板梁及直升機(jī)平臺支撐結(jié)構(gòu)板都是采用AH36的高強(qiáng)度鋼制作，許用應(yīng)力為355 MPa；而直升機(jī)平臺支撐管結(jié)構(gòu)均采用ABS-X52高強(qiáng)度鋼管制作，許用應(yīng)力為359 MPa，與直升面平臺連接的上層建筑由ABS-A級鋼板制用，許用應(yīng)力為235 MPa。

直升機(jī)平臺在進(jìn)行分析時(shí)，鋼材的彈性模量取2.05×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。在對直升機(jī)平臺的這18種組合工況進(jìn)行分析中發(fā)現(xiàn)，直升機(jī)平臺甲板最大屈服應(yīng)力出現(xiàn)在緊急著陸 (Y方向 pos1)組合工況下，平臺甲板最大屈服應(yīng)力達(dá)到220 MPa；直升機(jī)平臺梁的最大復(fù)合應(yīng)力出現(xiàn)在緊急著陸(Y方向 pos4，pos5)組合工況下，平臺梁的最大復(fù)合應(yīng)力為312 MPa；直升機(jī)平臺支撐梁的最大復(fù)合應(yīng)力出現(xiàn)在緊急著陸 (X方向 pos5)組合工況下，平臺支撐梁的最大屈服應(yīng)力為196 MPa；直升機(jī)平臺管支撐最大復(fù)合應(yīng)力出現(xiàn)在緊急著陸(X方向 pos1，pos6)組合工況下，平臺管支撐最大復(fù)合應(yīng)力為98 MPa；與直升機(jī)平臺支撐連接的上層建筑板材最大的屈服應(yīng)力出現(xiàn)在緊急著陸 (Y方向 pos6)組合工況下，上層建筑板材最大的屈服應(yīng)力為179 MPa。

根據(jù)結(jié)果顯示，本文中的直升機(jī)平臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，各構(gòu)件均有一定的安全余量。

5 結(jié)論

本文通過有限元三維模型分析法，對自升式鉆井平臺上的直升面平臺做了全面的分析，對受力的狀況有了全面的了解，分析結(jié)果顯示：

1）直升機(jī)平臺可以通過增加桁架的數(shù)量，減小桁架截面尺寸等方法來減重量以及提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)也能夠使力有效的分散，避免力的集中；

2）直升機(jī)平臺的甲板板及直升機(jī)平臺梁的分析結(jié)果來看，直升機(jī)緊急降落時(shí)的組合工況下直升機(jī)沖擊載荷在(Y方向 pos1)位置與(Y方向 pos4，pos5)位置時(shí)，直升機(jī)沖擊載荷對結(jié)構(gòu)影響最大；

3）直升機(jī)平臺的支撐管結(jié)構(gòu)與上層建筑連接處的節(jié)點(diǎn)尤其重點(diǎn)關(guān)注，連接處結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的支撐管節(jié)點(diǎn)是否滿足沖剪要求。

綜上所述，本文中的直升機(jī)平臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，對該類的自升式鉆井平臺的直升機(jī)平臺的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] ABS. Rules for building and classing offshore installations 2018: ABS 82-2018[S]. Houston: American Bureau of Shipping, 2018.

[2] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units 2018:ABS 6 CORR-2018[S]. Houston: American Bureau of Shipping, 2018.

[3] Safety Regulation Group. Standards for offshore helicopter landing areas: CAP 437[M]. Gatwick: Civil Aviation Authority, 2016.

[4] ABS. Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structures 2018:ABS 126 NOTICE 3-2018[S]. Houston: American Bureau of Shipping, 2018.

[5] Safety Regulation Group. CAP 437: standards for offshore helicopter landing areas[M]. Gatwick: Civil Aviation Authority, 2008.

[6] 唐靜靜, 范欽珊. 工程力學(xué)(靜力學(xué)和材料力學(xué))[M]. 第3版. 北京: 高等教育出版社, 2017.

Strength analysis of deep-sea helideck

Xiao Jingfa

(Jiangnan Shipyard Group Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

U674

A

1003-4862（2023）09-0014-04

2023-04-10

肖敬發(fā)（1983-），男，本科，中級工程師，主要從事船舶結(jié)構(gòu)及舾裝設(shè)計(jì)。 E-mail: xiao7099@126.com