某自升式平臺直升機甲板結(jié)構(gòu)評估

摘要：由于海洋平臺所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，一些不確定因素等往往對平臺人員的安全構(gòu)成極大的威脅。為了快速滿足上、下人員及救生、逃生的需要，一般都設(shè)有直升機甲板，可供直升機進(jìn)行起飛、降落和短暫的停留，而直升機甲板結(jié)構(gòu)的強度問題又關(guān)系到整個平臺的設(shè)計和安全。因此，針對這一問題，這篇文章以某自升式鉆井平臺為例，采用有限元分析軟件ANSYS，分別對直升機著陸時碰撞工況、直升機存放工況、甲板均布載荷工況進(jìn)行計算，以此來驗證結(jié)構(gòu)的可靠性。

關(guān)鍵詞：自升式平臺；直升機甲板；強度；評估

引言

直升機海上平臺，是指海上漂浮或固定的建筑物上供直升機降落和起飛的場地，包括移動鉆井平臺、移動采油平臺、柱穩(wěn)式平臺（即半潛式平臺和坐底式平臺）等，俗稱直升機甲板[3]。

直升機甲板的設(shè)計應(yīng)按照《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》進(jìn)行，且必須設(shè)置在安全區(qū)，一般設(shè)在船艏生活樓一側(cè)[4]。直升機甲板的設(shè)計為了滿足規(guī)范對無障礙物區(qū)域的要求，常常需要將飛機甲板伸出平臺之外，這就要求用桁架結(jié)構(gòu)來支撐。近年來，隨著海洋平臺的迅速發(fā)展，直升機甲板結(jié)構(gòu)的局部強度問題成為人們關(guān)注的焦點。

1 計算依據(jù)

1.1 平臺飛機甲板結(jié)構(gòu)

本直升飛機平臺甲板是典型的板梁組合結(jié)構(gòu)，平臺撐桿是桁架式結(jié)構(gòu)，由4排縱向主斜撐桿和7排橫向撐桿組成。飛機平臺甲板板厚為6、9mm。縱桁與橫梁為⊥■，縱骨為L125×80×8和L90×56×5，間距為500mm。撐桿尺寸主要為Φ273×10、Φ194×8和Φ159×7。

1.2 直升飛機參數(shù)

直升飛機型號為Bell-212，其主要參數(shù)：總長17.50m；總重5.08t；輪數(shù)3個；前后輪距離2.3m；橫向間距2.5m。

2 計算模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型有限元化

文章采用ANSYS進(jìn)行計算，將直升飛機甲板及其撐桿簡化為空間板梁組合結(jié)構(gòu)，并模擬了與直升飛機平臺相連的生活樓結(jié)構(gòu)及主甲板結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)有限元模型中，利用殼單元來模擬甲板板，梁單元來模擬甲板梁，管單元來模擬撐桿，飛機平臺與船體和生活樓處的連接簡化為剛性約束，有限元模型見圖1。參與計算的構(gòu)件重量由程序自動計算，并考慮了平臺下面的走道重量及龍須纜絞車等重量。

直升飛機甲板板采用Shell63單元，縱桁、橫梁、骨材采用BEAM188單元，撐桿采用PIPE16單元。

圖1直升飛機平臺計算模型圖

2.2 單元的材料特性

直升飛機平臺甲板結(jié)構(gòu)材料選用普通船用鋼CSB，骨材選用普通船用鋼 CSA。其材料特性為[2]：

彈性模量Ｅ＝2.06×105ＭPa；泊松比v=0.3；鋼材CSA、CSB的屈服強度?滓＝235.4MPa；鋼材密度?籽=7.85t/m3

3 強度計算

依據(jù)《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》（2005）第二篇第11章的要求，分別對直升機著陸時碰撞工況、直升機存放工況、甲板均布載荷工況進(jìn)行計算。下面以著陸工況為代表進(jìn)行計算。

3.1 直升機著陸工況

3.1.1 載荷[4]

（1）直升機垂直沖擊載荷：PH=1.75×直升機最大起飛重量＝1.75×5.08×9.8＝87.122kN

假定三輪同時著地，每個前輪沖擊載荷為19.167kN，每個后輪沖擊載荷為33.978kN，計算時均作為沖擊載荷施加。

（2）甲板均布載荷按0.5KN/m2考慮。

（3）結(jié)構(gòu)自重由程序自動施加。

3.1.2 計算結(jié)果

直升機著陸碰撞工況下，甲板縱桁、強橫梁及甲板撐桿等結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.10[4]，則其許用應(yīng)力為：[σ]=σs/1.10=214MPa。甲板板結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.0，其許用應(yīng)力為：[σ]=σs/1.0=235MPa

實際計算結(jié)果為：甲板板最大應(yīng)力為63.558MPa，甲板縱桁、強橫梁、骨材最大應(yīng)力為161.503MPa，甲板撐桿最大應(yīng)力為69.567MPa，均滿足規(guī)范要求。此工況下，飛機甲板最大垂向位移10.42mm，發(fā)生在甲板左側(cè)靠外處。

圖2～4是直升機甲板著陸工況的應(yīng)力云圖，分別是直升機平臺板、梁、撐桿單元的受力情況。從圖中可以看出，最大應(yīng)力均發(fā)生在直升機甲板和生活樓接觸點，這和實際情況完全相符。因此，這些部位的設(shè)計一定要格外關(guān)注，并且要適當(dāng)加強，來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。

3.2 計算結(jié)果校核

根據(jù)規(guī)范要求，主要構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)不超過許用值。直升機甲板平臺的最大許用應(yīng)力和設(shè)計應(yīng)力的比較如表1所示。從表中可以看到，三種工況的設(shè)計應(yīng)力均滿足最大許用應(yīng)力要求。

表1 最大許用應(yīng)力和設(shè)計應(yīng)力比較（MPa）

4 結(jié)束語

經(jīng)過計算，本平臺飛機甲板在直升機著陸、直升機存放以及甲板均布載荷的三種工況下，甲板的結(jié)構(gòu)強度均滿足規(guī)范要求。并且從分析的圖中我們可以找到受力最大的位置，這一點為以后研究結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供有力的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]黃如旭.自升式鉆井平臺上層建筑與直升機平臺結(jié)構(gòu)強度計算載荷分析[J].船海工程，2011，6，153~161.

[2]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009，117~119.

[3]中國民用航空總局.民用直升機海上平臺運行規(guī)定[S].1997，1~4.

[4]中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012，31~37.

作者簡介：吳南（1980-），男，遼寧營口人，本科學(xué)士學(xué)位、工程師，從事海洋石油移動平臺管理工作。