居住铺管船直升机平台结构强度的有限元分析

朱娜娜，李 亮

（南通欣通船舶与海洋工程设计有限公司 船体部，江苏 南通 226004）

0 引言

随着能源结构的改变和环保标准的严格，海洋资源的开发空间和利用规模正在不断扩大，与之相适应的海洋工程已成为近三十年来发展最迅速的工程之一。而连接海洋工程与岸上基地之间（运送技术人员，补给物资和设备输送等），除了海洋工程辅助船之外，最直接、最便捷的方法便是直升机运输。因此，直升机平台是目前海洋工程上常用来降落直升机的必要附属品。本文说明了某居住铺管船的直升机平台以其结构强度为重点，通过有限元计算软件FEMAP对其进行分析和计算，得到的综合应力直接用于评估结构能否满足屈服强度要求。[1]此海洋工程船可居住人数为300人，起吊能力为1 600吨，可驶往无限航区，入级ABS船级社。

1 有限元建模

1.1 直升机平台结构及其支撑部分模型

直升机平台位于某居住铺管船艏部，高于上层建筑，采用外伸甲板形式。平台为钢制焊接形式，形状为八边形，甲板布置与一般甲板结构相似，采用纵骨架式，骨材间距为600mm。结构属于板架结构，均采用普通钢。甲板板厚度为8mm，普通型材采用角钢L160×100×12，强框架则采用大小为T400×8+200×10的T材和大小为H220×220×14×14的工字钢，直升机甲板下支撑结构为圆管，并利用支撑在上层建筑的纵横舱壁以及外围壁处等组成三角桁架结构形式。与主船体连接的圆管支撑为主支撑，大小为Φ204×15，与平台连接的圆管支撑大小为Φ114×8，其他连接主辅支撑形成桁架结构的圆管大小为Φ166×10。其所服务直升机型号为Sikorsky S61N，重量9.3吨，查规范得此型号配对的直升机平台直径为22.2m。所建立模型为整个直升机平台甲板结构及其支撑结构部分，有限元模型如图1、2所示。其中，甲板、T材腹板等使用屈曲板单元模拟，T材面板采用杆元单元模拟。所有加强筋和支撑杆用梁单元模拟。此外，模型的细化程度会导致计算结果产生相应的变化，因为有限元计算越精细，计算所得的高峰值就越大。[2]所以，在使用FEMAP进行建模之前必须根据规范描述，合理选择当前模型所适合的网格大小，然后对需要建模的结构进行整体规划，才可着手建模。不可盲目按照传统的建模方法，从粗到细做一步算一步，这样会使模型凌乱甚至无法继续。本平台根据ABS相关规范的精度要求，其单元格大小取为300×300 mm。

1.2 边界条件

支撑管端部连接在船体相关舱壁或强构件处，有限元边界取线性约束，如图3所示。

图1 平台甲板、桁材和加强筋有限元模型

图2 支撑结构有限元模型

图3 约束条件

2 载荷与工况

2.1 载荷简述

直升机平台的设计载荷是海洋工程结构中相对较为复杂和繁琐的部分。为此，各个船级社都有专门针对直升机平台的规范，虽然存在不同的结构形式和不同的规范要求，但是载荷方式都大同小异。因本船入级ABS船级社，ABS对直升机平台没有特别要求，所以本文分析的平台主要通过综合考虑民航局CAP437和海工通用规范，进行载荷选取。

海洋工程受力分析通常将载荷分为三类：永久载荷，变载荷以及环境载荷。[3]其中永久载荷指在各种条件下矢量方向和值都不变的载荷，如飞机平台的自重、平台上的舾装件等；变载荷指在不同条件下矢量方向和值都会发生变化的载荷，对直升机平台而言，即为直升机降落在不同位置的着陆冲击负载，此外，还有紧急着陆时的冲击负载；环境载荷主要为风载荷，少数恶劣环境下，由于甲板积雪会有冰雪载荷。

关于施加载荷，一般情况下，直升机甲板整个平台的受力都要按照一样的来考虑，而计算时只需要挑出较弱的位置，主要为跨距偏大的地方或甲板边界位置。针对本文直升机平台而言，应力集中且比较大的区域

主要为直升机降落时对平台所产生的载荷，主要分布在甲板边界位置，在加载时应尽可能考虑直升机从各个可能的方向降落，因此载荷位置根据直升机平台的结构形式、大小以及降落方式来选取。

2.2 载荷分析

根据实际情况，笔者将载荷分为以下9种，分别以L0-L8表示，具体情况如下：

（1）L0为最大起飞重量，用MTOW表示，其值为9.3t。

（2）L1为普通着陆冲击负载。普通情况下，冲击系数为1.5，所以普通着陆冲击负载为1.5倍的最大起飞重量，其值为136.71kN。直升机着陆点设为2个单元格，则着陆冲击转换为均布载荷Lpj1计算如式（1）所示。

（3）L2为紧急着陆冲击负载。紧急情况下，冲击系数为2.5，所以普通着陆冲击负载为2.5倍的最大起飞重量，其值为227.85kN。直升机着陆点设为2个单元格，则紧急着陆冲击转换为均布载荷Lpj2计算如式（2）所示。相比普通着陆，紧急降落具有无预见性。因此，可能降落的区域比普通着陆要多，分析时必须考虑周全。

（4）L3为侧向负载，其值为45.57 kN，转换为点载荷为5 696.25 N。

（5）L4为直升机平台自重，该载荷由FEMAP软件自动计算。

（6）L5为工作条件风载，其方向与侧向负载方向相同。由规范查取无限航区作业工况风速最大值为36 m/s，则风压计算如式（3）所示，风载计算如式（4）所示。其中，V：风速，m/s；f：系数，取 0.611；Ch：高度系数，取1.1；Cs：形状系数，取1.3，A为暴露的横截面积，即所有纵向桁材和支撑构件的侧投影面积，值为57.32m2。

（7）L6为自存条件风载，其方向与侧向负载方向相同。由规范查取无限航区自存工况风速最大值为51.5 m/s，则风压P计算如式（5）所示，风载F计算如式（6）所示。

（8）L7为附加载荷，主要为冰雪载荷等，其值为500 N/m2。

（9）L8为直升机最大集货载荷，甲板均布载荷2 010N/m2。此载荷针对于货物直升机，即货物直升机装载前，所有货物平铺在直升机平台上，等待搬运。

2.3 选取不同载荷的组合工况

飞机平台上的载荷不可能单独存在，所以此直升机平台所受载荷工况应按照以上各类载荷进行组合选取。选取时应注意考虑实际情况，既要考虑周全，又要使组合工况从简。比如在直升机平台自存条件下，便不需要考虑直升机升降的冲击载荷，但由于自存条件下的船体横摇，又会有侧向负载等。本平台组合工况共29种，分别以LC1-LC29表示，其具体情况如下：

（1）正常着陆工况。在该工况下，共有LC1-LC12十二种组合工况，其载荷组成相同，均为1.3×L1+L3+L4+L5+L7，其中1.3静载荷响应系数。但不同的是载荷L1作用于十二种不同的着陆地点，形成了这十二种组合工况。

（2）紧急着陆工况。在该工况下，共有LC13-LC26十四种组合工况，其载荷组成相同，均为1.3×L2+L3+L4+L5+L7，其中1.3静载荷响应系数。但不同的是载荷L2作用于十四种不同的着陆地点，形成了这十四种组合工况。

（3）作业工况。在该工况下，有LC27这一种组合工况，其载荷组成为L4+L5+L7。

（4）自存工况。在该工况下，有LC28这一种组合工况，其载荷组成为L0+L3+L4+L6+L7。

（5）货物直升机工况。在该工况下，有LC29这一种组合工况，其载荷组成为L4+L8。

3 应力横准系数

同载荷设计一样，对于直升机平台最大应力值的校核标准，也区别于普通海洋工程结构计算。具体原因有两种。

（1）直升机平台有紧急迫降这一特殊工况，但并非海上常见工况，不会产生结构疲劳，这一类特殊工况应力横准系数为1。

（2）直升机平台载荷包含局部载荷和均布载荷，局部载荷横准系数为1.25，均布载荷横准系数较大，为1.67。因此包含均布载荷的工况校核系数都为1.67。

综上所述，此平台的组合工况相应的应力横准值有三种，对于LC1-LC12以及LC28，其许用应力σ1如式（7）所示；对于LC13-LC26，其许用应力σ2如式（8）所示；对于LC27及LC29，其许用应力σ3如式（9）所示；

4 结果分析

通过对以上各组合工况，分别对已经建立的模型进行加载和运算分析，对比软件计算出的最大值和应力横准值，小于应力横准值即可。所有组合工况计算结果统计如表1所示。

表1 所有组合工况计算结果统计

下面以LC5为例，应用FEMAP有限元软件对其材料受力情况进行分析，甲板板、骨材腹板的板单元应力如图4所示，型材面板的杆元轴应力和支撑管的梁单元综合应力如图5所示。

图4 甲板板、骨材腹板的板单元应力

图5 型材面板的杆元轴应力和支撑管的梁单元综合应力

从有限元分析结果可以看出，受力最大的位置和实际情况基本相符。直升机平台直接受力的是甲板，同时支撑管也会因甲板受压而产生明显的应力集中，因为直升机甲板的结构受力类似于悬臂梁受力状况，受力最大的部位就是根部，所以这些部位相当重要，需要适当加强以此满足强度要求。因此，设计时不能仅仅加强甲板而忽视力的传递，应在避免应力集中的同时，又能为结构节省材料。

5 结束语

如今直升机运输已成为海洋工程必不可少的运输方式，直升机平台的结构形式也越来越受到海工设计者的重视。但近年来海洋工程船还是频发直升飞机平台裂缝现象，并且这些裂缝的产生一般都不是在正常作业中，而是在拖航或者避港状态下产生，原因就是对直升机平台所可能遇到的工况分析不足。我们在设计初期需要先针对不同类型进行比对确定结构尺寸，如果经验不足，可以根据一些其他船级社规范来粗略计算结构大小，如DNV船级社规范。本文通过有限元软件FEMAP，分别对直升机平台的建模、载荷、横准等做了介绍，并全面分析了直升机平台可能遇到的载荷，以适应各种工况下的强度要求，使直升机平台不再是海工装备中最为薄弱的一环。

[1]傅永华.有限元分析基础 [M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[2]孙丽萍.船舶结构有限元分析[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2003.

[3]孙东昌.海洋自升式移动平台设计与研究[M].上海:上海交通大学出版社,2005.