某大型巡逻船直升机库系留座拉力试验支撑结构有限元分析

谷维青 朱石清 李文治 甘霖 毛鹏

摘  要：本文介绍了在配备有直升机机库的船舶进行系留座拉力试验的方法，并通过某万吨巡逻船拉力试验实例，重点对试验中涉及的船体支撑结构受力情况进行有限元建模和分析，验证其可行性和安全性。

关键词：系留座;拉力试验;支撑结构;有限元方法

中图分类号：U667.2             文献标识码：A

Abstract： The method of tension test of the mooring bed on the ship equipped with helicopter hangar is introduced，and through the tension test of a 10000t maritime patrol vessel， the finite element modeling and analysis of the force situation of the hull support structure involved in the test are carried out to verify its feasibility and safety

Key words： Mooring bed; Tension test; Support structure; Finite element method

1 前言

我司在建产品10000t大型海事巡逻船（见图1），是集海事巡航和救助功能于一体的深远海平台，设有直升机起降平台、机库和综合指挥室。在6级海况下直升机可以起降（具备夜间起降能力）且可以在起降平台系留，在9级海况下大型直升机可以在机库存放。

为了确保直升机保障系统的安全有效性，需要在船舶建造阶段对直升机保障系统进行试验，其中包括直升机系统系泊试验，而系留座的拉力试验是系泊试验的重要部分，是整个保障系统试验的基础。由于机库内空间的限制，在做拉力试验时需要借助机舱顶部横梁做支撑，为了确保试验中船体的安全性，需要对支撑结构受力进行有限元分析。本文以该大型海事巡逻船为例，介绍机库系留座的拉力试验及支撑结构的受力分析。

2 系留座拉力试验简介

系留座拉力试验是为了检验直升机保障系统各部件安装的正确性、完整性和工作可靠性，验证其性能指标是否符合设计要求，为直升机甲板系留效用试验、直升机接地演示试验、直升机甲板系留冲洗及干燥试验等提供安全基础。

常规的系留座拉力试验包括：

2.1 系留设备完整性和接口正确性检查

（1）检查系留座、系留索具、高位系留环的尺寸规格、数量等成套性，以及外观是否完整无缺损，将检验结果填入《系留設备试验记录表》（见表1）：

（2）按照系留座布置图（见图2），检查：系留座数量、位置安装是否符合要求;系留座需焊接牢靠，安装后与甲板平齐;系留索具的两头应分别与直升机模型的系留环和船的系留座正确连接，且装、拆方便，并将检查结果填入《系留设备试验记录表》。

2.2 系留座安装强度检查

（1）拉力机应处于良好工作状态，系留座与试验夹具连接固定可靠，系留座表面与拉力方向成一定夹角，使整套设施处于试验状态;

（2）测试人员就位，起动拉力机将试验负荷逐渐拉至最大使用载荷9.9t，保持5分钟;卸载后用千分尺测量系留座底面板上十字杆变形量，应不产生明显变形;检查系留座与船体间的焊缝是否产生裂纹，若符合要求可继续下一步加力试验，否则立即停止试验;

（3）将试件装好，重新起动拉力机将试件逐步拉至1.25倍最大使用载荷12.375t，保持5分钟;卸载后，测量系留座面板十字杆不应产生塑性变形，检查系留座与船体间的焊缝是否产生裂纹;

（4）将试验结果填入《系留设备试验记录表》。

2.3 适用性检查

直升机模型（Z-9模型）在机库停放位置时，先粗调好系留索具，然后把系留索具一头与直升机模型上的系留环连接，另一头与船上的系留座连接;调节微调机构，使系留索拉紧，检查系留索具的适用性;对直升机模型上的每一系留环进行试验，对全套系留索具逐一检查其适用性和可靠性，将检验结果填入《系留设备试验记录表》。

3 支撑结构受力分析

在机库进行系留座安装强度检验时，为了操作方便采用葫芦吊、测力机、索具连接机库顶部横梁及系留座来施加拉力（见图3）。随着抽选的系留座位置不同，系留座表面与拉力方向形成不同的α角，通过拉近葫芦吊保证施加给系留座的拉力大小达到要求的数值，保持一定时间后，检查系留座的系留性能及安装强度。

由于在机库做拉力试验时需要采用顶部横梁作为拉力支撑点，因此机库顶甲板局部会受到高强度的拉应力，在试验前需要对其受力进行分析，保证试验的安全性。根据试验的连接方式，可以得到横梁的受力图（见图4），横梁受拉力F的作用（F大小等于施加给系留座的拉力），产生向下的分力F1及水平的分力F2，因此机库顶甲板会受到向下的F1拉应力及水平的F2分力作用，其中：

经与船东商讨确认，试验时对系留座的拉力只要保证大小要求，拉力与系留座表面所成的角度α可采用竖直或近似竖直的状态，其所得结果可以被认可，因此对于F的水平分力F2可以忽略不计。当α等于90°时，F1大小等于F，此时机库顶甲板受到向下最大的拉力，相当于垂直状态拉系留座（如图5），因此可用这种极限状态对顶甲板进行有限元建模和受力计算。

4 有限元计算模型

4.1 船体模型

机库顶甲板长20.8m、宽12m，肋位区间为FR58～FR90;甲板板架主要由梁拱甲板、纵桁、强横梁、横梁组成。其中，甲板板厚8mm、纵桁腹板8mm*300mm、纵桁面板10mm*140mm、强横梁腹板10mm*450mm、强横梁面板12mm*120mm、横梁BP100*6。机库顶甲板模型，如图6所示：

4.2 有限元模型

为消除计算时边界条件造成的影响，本次计算将机库顶甲板结构图建立三维有限元模型，按照甲板、纵桁、横梁的设计尺寸、板厚、截面等取值。其中：甲板、横梁和纵桁腹板、纵桁面板采用四节点板单元，在连接或变化较大处采用少量三角形单元过渡;横向球扁钢采用梁单元，梁单元考虑各构件的实际截面和偏心;网格划分采用50mm左右单元（见图7）。

5 载荷工况及应力标准

5.1 载荷工况

根据设计要求，系留座应满足10t拉力的工作要求，舾装专业要求取1.25 倍的系数，实取13t拉力。本次计算对系留座施加F=13×9.8= 127.4KN的力进行强度校核;另外，经施工现场确认试验时机库顶甲板面上没有安装大重量设备及压铁等，因此设计载荷可以忽略甲板面的外力影响。

本次试验，采用A型吊码，吊码焊在T型横梁面板上与背面的横梁腹板板厚对齐，拉力经过吊码传递到结构上，可近似认为拉力是线载荷作用在横梁面板上;同时认为拉力F五等分后作用在五个节点上，即F1=127.4/5=25.48KN。由于机库顶甲板的对称性以及横梁的相似性，并结合试验中预估的吊码所在横梁的位置，本次计算选取四分之一板架中的6条横梁共24处进行校核（如图8所示），标号为奇数的位置作用力施加在十字接头位置，标号为偶数的位置作用力施加在间隔横梁的中部位置，即每根横梁对应四个典型位置。

5.2 约束

考虑到模型区域选取较大，边界条件对计算影响不大，且实船上机库顶板四周边界均有围壁，模型计算时将甲板四周边界取为固定约束。

5.3应力衡准

板单元的应力计算结果，包括各个节点及参考点上的的（σx、σy、τ）及σe等，采用Mises等效应力。参照CCS《钢质海船入级规范》（2018）许用应力的相关要求，支撑结构的计算应力不大于表2的许用应力值：

5.4 应力校核

通过计算，得到各工况下对应的最大等效应力值和剪应力值，见表2所列。从表2看出：各工况下等效应力最大值为157.8Mpa<211.5Mpa，剪应力最大值为69.1Mpa<122.11Mpa，满足要求。因此本次利用横梁做支撑进行的系留座拉力试验对机库顶甲板的影响是在安全范围内，试验可按要求进行。

6 结束语

经过有限元建模和计算分析，确认了本次机库系留座拉力试验是安全可行的，可以按要求进行试验。本文分析中，由于明確了试验中拉力方向近似竖直，因此可以忽略拉力在水平方向的分力，如果实验中拉力方向非近似竖直，则需要对水平分力做各工况下的分析;另外，在工况的选择上由于该船试验前已经预估了吊码位置，所以只针对吊码位置做了典型位置受力分析，若吊码位置有变动或者不确定，则需要增加施力点分析，分析方法类似。

参考文献

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范2018 [M].北京： 人民交通出版社，2018：131-133.