直升机甲板的直接强度校核

郭 磊

（意大利船级社（中国）有限公司 上海200052）

直升机甲板的直接强度校核

郭 磊

（意大利船级社（中国）有限公司 上海200052）

［摘 要］直升机甲板是很多船型上重要的结构设施，文中根据意大利船级社规范的相关规定，对一艘海工船的直升机甲板进行结构强度方面的校核，为今后直升机甲板的相关规范审图和设计提供有价值的参考。

［关键词］直升机甲板；结构强度校核

引 言

直升机甲板作为一个特殊装置被装配到很多船舶上，关于其强度校核，不同的船级社有不同的规范要求，本文根据意大利船级社的相关规范对一艘海工船的直升机甲板进行了有限元的直接强度校核。

1 直升机甲板的位置和尺寸

本文所研究的直升机甲板的位置如图1所示。此直升机甲板长18 m、宽18 m、高15.8 m，其结构尺寸为：板厚 14 mm；普通扶强材L150×90×9；主要支撑构件 T-350×9+150×12。所有结构材料均为普通钢。

图1 直升机甲板的位置

2 直升机甲板载荷及受力分析

根据意大利船级社（RINA）规范Part F Ch.13 Sec.16的相关规定，直升机甲板的板材、普通扶强材以及主要支撑构件（PSM）要承受降落载荷、上浪压力以及由于加速度和风产生的载荷。

对于本文讨论的直升机甲板，因其位于船尾，位置非常高，故只考虑直升机降落载荷以及由加速度和风产生的载荷。

此直升机甲板搭载的直升机的质量WH=5.3 t，直升机甲板受到直升机的降落载荷和相应的重力及惯性力和风载的作用。直升机的降落载荷在规范中有比较明确的规定，即FCR= 0.75WH。

关于自身的重力及惯性力，参见表1。

表1 静水力和惯性力

已知：WP=68.54 t、AH=314.02 m2、AHX=47.71 m2、AHY=31.48 m2，实际估算的直升机甲板的重心坐标为（7.47 m，0，14.83 m）。经过计算，求得加速度ax1=1.823 m/s2、ay2=3.638 m/s2、az1=3.876 m/s2、 az2= 0 m/s2，从而得到如表2的静水力和惯性力值。

表2 静水力和惯性力值

3 有限元模型

有限元模型如图2所示。

图2 直升机甲板有限元模型

直升机甲板板材采用板壳单元（Shell）建模，甲板普通扶强材和主要支撑构件用梁单元（Beam）建模，支撑甲板的工字钢梁也用梁单元（Beam）建模。

3.1 腐蚀余量

结构有限元模型考虑腐蚀余量，腐蚀余量参考RINA Rule Pt.B Ch.4 Sec.2进行扣除。

3.2 校核衡准

校核衡准参考RINA Rule Pt.B Ch.7及Part F Ch.13 Sec.16， 如表3和表4所示。安全系数γm和γR分别取1.02和1.05。

表3 板壳单元校核衡准MPa

表4 梁单元校核衡准MPa

3.3 载荷工况

（1）工况 1： 迎浪工况

将直升机甲板的重力以及此工况的FW，X和FW，Z以加速度的形式施加在模型上；此外将直升机的降落载荷施加在甲板上。

（2）工况 2： 横浪工况

将直升机甲板的重力以及此工况的FW，Y以加速度的形式施加在模型上；此外将直升机的降落载荷施加在甲板上。

4 有限元计算结果及分析

4.1 迎浪工况

将3.3中在迎浪工况下的载荷施加到直升机甲板有限元模型上，计算得出如图3 -图7所示的结果。

图3 直升机甲板变形图

图4 直升机甲板Von Mises应力分布图

图5 直升机甲板剪应力分布图

图6 直升机甲板纵骨弯曲应力分布图

图7 直升机甲板强横梁及支撑梁弯曲应力分布图

从计算结果看出，直升机甲板的变形并不大，甲板的Von Mises应力和剪应力都比较小，甲板纵骨由于降落载荷的作用，弯曲应力相对较大。

4.2 横浪工况

将3.3节中横浪工况下的载荷施加到直升机甲板有限元模型上，计算求得如图8 -图12所示的结果。

图8 直升机甲板变形图

图9 直升机甲板Von Mises应力分布图

图10 直升机甲板剪应力分布图

图11 直升机甲板纵骨弯曲应力分布图

图12 直升机甲板强横梁及支撑梁弯曲应力分布图

从计算结果看出，直升机甲板的变形相对于迎浪状态增大，甲板的Von Mises应力和剪应力都比较小。甲板纵骨由于降落载荷的作用，弯曲应力相对较大。

综合两种工况可以看出，甲板板材的最大Von Mises应力为24.8 N/mm2、最大剪应力为13.7 N/mm2；梁单元的最大弯曲应力为166 N/mm2。上述结果均满足规范要求。

5 结 论

本文用施加加速度的方法模拟实际的惯性力，从有限元分析结果可以得出以下结论：

（1）甲板由于有普通扶强材和主要支撑构件的支撑，从分析结果看，应力水平并不高，一般从审图的角度，只要满足规范中的一般要求即可。

（2）从板壳单元（Shell）和梁单元（Shell）的分析结果来看，惯性力并不是对结构影响最大的因素，而直升机的降落载荷才是其决定因素，从审图的角度，一般情况下应主要校核降落载荷情况下的结构尺寸。

（3）从模型结果的变形可以看出， 直升机平台下部支撑结构抵抗x方向惯性加速度的能力要强于y方向；今后的设计应对y方向的结构适当加强。

（4）相关的规范缺少关于变形量大小的规定，设计者应在设计时适当把握变形的尺度。

［参考文献］

［1］ 刘兵山， 黄聪. Patran从入门到精通［M］. 北京： 中国水利水电出版社， 2003.

［2］ RINA. Rules for the Classification of Ships 2014［R］. 2014.

［3］ 张谭龙， 高学静， 王寿军. 半潜起重平台的直升机平台结构设计及强度分析［J］. 船舶， 2013（3）：48-53.

［4］ 叶邦全. 直升机甲板设施［J］. 船舶， 2010（6）：62-67.

［5］ 吴南， 周炳. 某自升式平台直升机甲板结构评估［J］.科技创新与应用， 2013（26）：116.

［中图分类号］U663.6

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0062-05

［收稿日期］2014-12-22；［修回日期］2015-01-12

［作者简介］郭 磊（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶结构审图及结构强度分析。

Direct structural verifi cation of helicopter deck

GUO Lei

(Italy Classifi cation Society (RINA), Shanghai, 200052)

Abstract：A helicopter deck is a very important facility for many types of vessels. According to the RINA Rules，this paper performs the structural strength verifi cation of a helicopter deck on an offshore ship， which can provide the valuable reference for the relevant structural plan approval and the design of a helicopter deck in the futuxe.

Keywords：helicopter deck； structural strength verifi cation