SEU直升机平台结构规范研究与强度校核

陈佳欣 陈 裴 符家恒

（1.上海船舶研究设计院，上海201203；2.上海振华重工集团（股份）有限公司，上海200125）

SEU直升机平台结构规范研究与强度校核

陈佳欣1陈 裴1符家恒2

（1.上海船舶研究设计院，上海201203；2.上海振华重工集团（股份）有限公司，上海200125）

直升机甲板平台承载海上人员起降、救生、逃生及货物转移功能，其结构安全性至关重要。以某平台为例，详细介绍了直升机甲板平台结构设计的不同形式及优缺点，并着重对比分析英国民用航空局CAP437规范、挪威船级社规范（DNV）和美国船级社规范（ABS）对直升机甲板结构强度设计要求的异同。之后设计出满足各主流规范的通用组合工况，并施加到模型中，采用SACS软件进行有限元强度分析和比较，来验证结构可靠性。该研究成果为后续直升机平台设计提供有力借鉴。

自升式平台；直升机平台；规范研究；工况选择；强度校核

Abstract:Helicopter platform played an essential role in ensuring safety of the offshore crew in respects of taking-off and landing，life-saving，escaping and freight transportation.A typical jack-up platform was taken as an example.Firstly，a detailed introduction of different types and the corresponding pros and cons of the helicopter platform structure was given.Secondly，a comparison was presented to find out the difference and similarity of the mainstream criteria and rules （CAP437，DNV rules，and ABS rules） relevant to helicopter platform.Then，a series of combination loading cases which generally satisfied the rules were designed and applied to model.SACS software was used for the finite element analysis and comparison.The results can provide reference for the forward design and optimization of helicopter platform.

Keywords:jack-up platform；helicopter platform；rules research；load case selection；strength checking

0 前言

海洋工程装备是海上油气开发的基础设施和海上油气生产的作业基地。该产业已被广泛认可为高端装备制造业。从保有量看，目前浅水平台仍占大部分，其中自升式平台因其突出的作业稳定性，成为大陆架海域油气开采的主要产品。

海洋平台的物资补给、人员起降、救生及逃生需要通过直升机平台来完成，近年来直升机平台的安全问题越来越受到关注。直升机平台一般设置在船首生活楼一侧且伸出于平台之外，由桁架结构支撑，与上层建筑相连。为保证足够安全，直升机平台需能承受环境载荷、自身重量，还要考虑直升机起飞、降落、存放等不同工况下的极限载荷。本文以某典型400英尺（1英尺=0.304 8 m）自升式平台的直升机平台为研究对象，重点对英国民用航空局CAP437规范、挪威船级社（DNV）规范和美国船级社（ABS）规范中关于直升机平台结构设计部分进行分析，比较不同规范的基本载荷和组合工况设计。在规范研究的基础上，设计出能满足各规范的组合工况并进行强度分析，找出危险区域，为今后直升机平台的设计和建造提供参考。

1 直升机平台形式对比

直升机平台的主要分为直升机甲板（即着陆表面）和支撑结构两大部分。直升机甲板经过多年的发展出现了木制、钢制和铝制的三种材质的甲板面。在海上安装作业出现的初期，硬木（如樟木）被用于英国海上安装平台的直升机甲板。之后，海上平台以及船舶发展出几种金属结构的直升机甲板。主要有如下几种：

1）首先是传统的钢板结构。一般钢制直升机甲板采用桁架板格的形式，甲板梁采用T型材，加强筋为角钢，图1为纵骨架式甲板平面结构图。

2）上世纪80年代，铝制直升机甲板在北海兴起。通常铝制甲板由多个支架或箱型结构（Plank）组成，彼此连锁相嵌，并与支撑桁材螺栓连接，最终组装成一个饼状（Pancake）的结构。几种典型的铝制直升机甲板梁截面及连接形式可见图2。

3）前两种甲板除了配备灭火系统外本身不具备灭火功能，之后出现了一种新型的被动式灭火直升机甲板。它可以由铝或钢制成，甲板表面留有通孔，使得液体得以流入下面的排水托盘。目前被动式灭火直升机甲板有两种，一种是开孔的甲板面下填充网状材料，这种设计可以起到阻燃的作用（见图3）；另一种是在防火直升机甲板开孔表面下配有泡沫喷射系统，可以熄灭已经燃烧的燃油（见图4）。

图1 直升机甲板平面

图2 典型铝制直升机甲板梁截面及连接形式

图3 第一种被动式灭火直升机甲板形式［1］

图4 典型第二种被动式灭火直升机甲板形式

在具体的海工项目中，需要从重量、价格、安装、维护、安全性等各方面多加考虑来选择。3种直升机甲板优缺点的比较见表1。

表1 不同形式直升机甲板优缺点分析［1］

直升机平台支撑结构将直升机甲板托起并和平台或船体的主要结构相连，需要传递直升机着陆、环境载荷、重力等各种载荷。直升机甲板支撑结构的材料同样可以为钢制或铝制，当支架为钢制而上部为铝制平台时，需要考虑两者连接处的绝缘以及防腐蚀的要求。支撑结构剖面形式的选择除了要满足结构强度的要求，也需考虑到支撑结构可能会作为排水结构等其他用途。

2 直升机平台相关规范及基本载荷定义

2.1 直升机平台相关规范

直升机平台涉及平台工作人员生命、财产安全，海洋环境等问题，相关的各国际组织、船级社以及行业协会等都对海洋平台直升机平台的布置、结构安全、消防、逃生等提出了严格的要求。直升机平台常用的设计准则与规范主要包括：

1）英国民用航空局：CAP 437 Offshore Helicopter Landing Area-Guidance on Standards；

2）挪威船级社：DNV-OS-E401直升机甲板，并参考了DNV船规的有关规定；

3）美国船级社：ABS海上移动式钻井平台（MODU）建造与入级规范；

4）中国船级社：CCS海上移动平台入级规范；

5）美国钢结构协会：AISC ASD规范；

6）美国石油协会：API-2L海上固定式平台规划、设计和建造直升机场推荐做法。

如今新造的平台，几乎都要求满足英国民用航空局的CAP 437规定，而美国钢结构协会（AISC）针对的是钢制结构，较为宽泛，美国石油协会API规范仅适用于固定式平台，如导管架平台。其他规范则需根据船舶入级的要求。下文将着重对比英国民用航空局CAP 437规范，美国船级社（ABS）以及挪威船级社（DNV）对自升式平台直升机甲板的结构设计的不同要求。

2.2 基本载荷［2-4］

各规范对组合工况的定义都建立在基本载荷的基础上。下面将对基本载荷逐个进行分析，并将对比三种规范对基本载荷的定义，对比结果见表2。

1）平台结构自重。各规范对平台自重的定义没有明显区别，可根据模型结构估算。保守起见，需考虑10%的增量代表油漆、肘板、焊接、舾装件等重量。

2）均布载荷。上层建筑甲板均布载荷可以体现每种工作状态和迁移状态时所有上建区域的最大设计均布载荷。载荷大小根据甲板载荷图确定。直升机平台甲板均布载荷不同规范有不同定义。根据英国民用航空（CAP 437）规范，直升机甲板均布载荷在直升机降落工况时考虑为0.5 kN/m2；在直升机存放工况时考虑为2 kN/m2。ABS规范在均布载荷工况中定义了直升机甲板均布载荷为2.01 kN/m2。另外，DNV和ABS都对存放工况下的冰载荷有额外的规定，以均布载荷的形式施加在直升机平台上。

3）风载荷。直升机平台通常位于上层建筑较高的楼层，波浪载荷和海流载荷对它的影响甚微，仅需考虑风载荷。一般正常着陆情况考虑为作业情况下的风载荷，而直升机存放工况则考虑为平台风暴自存情况下的风载荷，而CAP 437规范在平台作业工况和风暴工况下的风都规定为为百年一遇的风载荷，具体风速见表2。

表2 基本载荷工况对比

4）惯性载荷。平台拖航时的纵倾、横摇和垂荡运动引起的载荷为惯性载荷。一般保守地取纵倾和横摇为幅度15°，周期10 s的运动引起的惯性载荷，垂荡引起的惯性载荷则取120%的结构重力。

5）直升机载荷。直升机以一前两后的轮胎布置着陆，而直升机着陆时，后两个轮胎先与甲板碰撞接触，所以在计算直升机着陆载荷时，考虑最大垂直和水平力仅施加于后两个轮胎在甲板上对应的位置。直升机着陆的碰撞作用点一般选取典型的多个位置，载荷一般考虑为直升机最大起飞质量（MTOM）的倍数，不同规范对于倍数的定义不同。

3 直升机平台强度计算实例

3.1 建立有限元模型

本文参照的SEU的直升机平台为纵骨架式结构，甲板结构为近似的正八边形。直升机甲板位于上层建筑的最高层高度，支撑结构与下一层甲板及主甲板相连。由于SACS主要针对梁系的受力进行校核，因而模型中甲板梁定义为考虑了带板的等效梁（见图5）。由于本文主要考查的对象是直升机平台支撑结构，所以各种载荷仅加载于直升机甲板的梁上，甲板面板仅作为甲板梁的带板，而不考虑板局部强度的作用。若要考查甲板板及小筋的强度可以另作校核。为了让模型更准确地表现出连接处力的传递，上建各层及舷侧外板也以板的形式建出，且边界设置在主甲板以下，为使计算更为保守，固定形式为铰支。

图5 直升机平台模型

3.2 载荷工况选取与说明

根据前文的描述，可以计算出本文参照的SEU的直升机平台各项基本载荷。直升机平台和上层建筑的自重和均布载荷都可按基本载荷的描述定义。本文平台考虑停靠的直升机型号为Sikorsky S-92。根据CAP 437提供的数据，Sikorsky S-92型直升机的最大起飞质量（MTOM）为12.8 t，直升机两后轮间距为3.2 m。在加载风载荷时要考虑遮蔽效应，风沿X正方向时，直升机甲板被上建挡住，这个方向的风载荷不予考虑。根据风载荷分析报告，以风速为100 kn（即51.5 m/s）为例，作用在上建和直升机平台上的风载荷见表3。另外，根据规范规定的惯性载荷计算方法，算出的惯性加速度结果见表4，表中数值表示重力的倍数。

表3 风载荷kN

表4 惯性加速度汇总 一个重力加速度g

需要注意的是CAP 437规范对结构谐响应定义了1.3的放大系数，这个不体现在基本载荷中，但在着陆组合工况时需要把直升机着陆碰撞载荷放大1.3倍。由于飞机可能降落在平台上的不同位置，本文选取了6个典型位置A～F（见图6）来考察不同作用点的结果。

不同规范对直升机平台的载荷组合工况有不同的要求。英国民用航空局CAP 437将直升机平台工况主要分为着陆工况和存放工况，其中着陆工况又分为普通着陆载荷和紧急着陆载荷；美国船级社ABS主要规定了3个组合工况，分别是甲板均布载荷工况、直升机着陆工况和存放工况；挪威船级社DNV对海洋平台的直升机平台载荷的定义参照了船规，需要考虑着陆工况和存放工况。各规范组合工况及对应基本载荷工况的系数见表5。

图6 直升机典型着陆点

对比各种组合工况，可以看出对于着陆工况，CAP 437的紧急着陆工况较ABS规范严格，而DNV规范中规定着陆工况需考虑平台的惯性载荷，故无法判断DNV的着陆工况和CAP 437的紧急着陆工况哪个更严格，所以LC12和LC21工况都需考虑。对比三种规范的存放工况，可以发现CAP437的存放LC13为最为严格和保守。另外ABS的纯均布载荷工况LC31独立于其他工况也要单独考虑。

经过分析，若要设计3种规范都适用的工况时，可以建立LC12、LC21、LC13和LC31四个组合工况（见表5中加粗工况）。另外，在不考虑运动惯性力的情况下，可以增加不同着陆点的存放工况。

3.3 校核准则

本文结构的安全程度通过比较不同组合工况下最大实际应力与许用应力的比值 （Unity Check，UC值）来评估见式（1）。通常UC值不大于1时结构安全。

式中：σact——结构实际应力，MPa；

σ——许用应力，MPa；

σy——最小屈服应力，MPa；

n——安全系数

由于各规范使用的设计方法不同，对许用应力和最小屈服应力之间系数关系的定义或有不同，ASD方法使用安全系数（Safety Factor）定义，LRFD方法则采用阻力因子（Resistance Factor），可看作安全系数的倒数。本文将用安全系数来校核结构强度结果，不同工况下各规范的安全系数见表6“规范校核准则”。

由于本文采用SACS软件计算，评估时选用的校核准则来自美国钢结构规范（AISC）。SACS软件默认静态工况的安全系数为1.67，所以实际计算时还需要调整不同工况对应的许用应力，以体现不同的安全系数。在软件计算中需对各工况对应的许用应力进行放大（输入各工况对应AMOD值）。

表5 组合工况对比

表6 校核准则

3.4 结果分析与讨论

计算结果UC值见图7。经过计算可以发现，直升机平台最大UC值出现在存放工况下，且发生在甲板面直升机存放位置下对应的桁材，由Z向的弯曲应力过大引起。这是由于存放工况需要考虑直升机所受的横向风力和惯性力，虽然着陆工况下垂向的碰撞载荷大于存放工况，但其着陆点的水平载荷是小于存放工况的。本文建立的模型很保守，并未考虑甲板板的刚度和甲板上纵骨的作用。如果进行详细建模，横向桁材的应力将会分担给平台甲板板和相关纵骨。在以往的论文［5-7］中也可以看出，最大应力并非出现在甲板桁材，而是作为甲板板的局部应力出现在直升机着陆处。因而本文简化的模型可以在基本设计阶段考察平台整体结构特性。

其次，直升机甲板边缘桁材和直升机平台下水平支撑的最大UC值都出现在紧急着陆工况下，这是由于紧急着陆的冲击载荷通过纵横桁材传递开；甲板下斜撑结构的最大UC值则一般出现在存放工况下，这是由于斜撑受风力和惯性力的作用影响较大。支撑结构的UC值一般小于0.65，结构安全。各区域的结构最大UC值在各种工况内都有分布，这说明工况设计较为合理。

图7 结果UC值

另外，平台结构的最大位移出现在最前端，这是由于直升机平台为大型悬臂结构，自重较大，且前端无支撑。

4 结语

1）本文对3种目前直升机平台设计应用较为广泛的规范进行研究，并设计出通用的组合工况，最大限度地融合了各规范的特点并且较为合理，为以后的直升机平台设计特别是基本设计工况选择提供了依据。同时以一典型自升式平台的直升机平台为目标，考虑本文所指出的几个组合工况进行结构强度校核，结果合理安全。

2）根据结果，直升机平台支撑结构的关键区域是与生活楼连接处的支撑结构和直接承受直升机降落冲击载荷的平台甲板区域。今后设计中还需对此关键区域详细建模分析。

3）直升机平台支撑结构抵抗横向惯性加速度的能力要弱于纵向，今后设计时应对横向结构适当加强。

4）直升机平台的相关规范仅对结构的强度有要求，而缺少对变形量的要求，结构的变形量还需设计者自己把握。

［1］HSE.Offshore Helideck Design Guidelines［S］.2004.

［2］CAP437 Offshore Helicopter Landing Areas-Guidance on Standards［S］.2013.

［3］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units，Part 3 Hull Construction and Equipment［S］.2014.

［4］DNV.Offshore Standards DNV-OS-E401 Helicopter Decks［S］.2012.

［5］唐文献，朱文，张建，等.自升式钻井平台直升机平台强度分析与优化设计［J］.船舶工程，2013（6）：98-101.

［6］黄如旭，刘刚，黄一，等.自升式钻井平台上层建筑与直升机平台结构强度计算载荷分析［J］.船海工程，2011（6）：153-156.

［7］郭磊.直升机甲板的直接强度校核［J］.船舶，2015（3）：62-66.

Research on Rules and Structural Strength Checking of the Helicopter Platform of a Self-Elevated Unit

CHEN Jia-xin1CHEN Pei1FU Jia-heng2

（1.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China；2.Shanghai Zhenhua Port Machinery Company Limited，Shanghai 200125，China）

U674.38+1

A

1001－4624（2017）01－0068－07

2016-11-15；

2017-03-10

陈佳欣（1989—），女，助理工程师，从事船舶与海洋工程结构设计工作。

陈 裴（1983—），女，工程师，从事船舶结构设计工作。

符家恒（1985—），男，工程师，从事船舶与海洋工程结构设计工作。