直升機甲板的直接強度校核

郭 磊

（意大利船級社（中國）有限公司 上海200052）

直升機甲板的直接強度校核

郭 磊

（意大利船級社（中國）有限公司 上海200052）

［摘 要］直升機甲板是很多船型上重要的結構設施，文中根據意大利船級社規范的相關規定，對一艘海工船的直升機甲板進行結構強度方面的校核，為今后直升機甲板的相關規范審圖和設計提供有價值的參考。

［關鍵詞］直升機甲板；結構強度校核

引 言

直升機甲板作為一個特殊裝置被裝配到很多船舶上，關于其強度校核，不同的船級社有不同的規范要求，本文根據意大利船級社的相關規范對一艘海工船的直升機甲板進行了有限元的直接強度校核。

1 直升機甲板的位置和尺寸

本文所研究的直升機甲板的位置如圖1所示。此直升機甲板長18 m、寬18 m、高15.8 m，其結構尺寸為：板厚 14 mm；普通扶強材L150×90×9；主要支撐構件 T-350×9+150×12。所有結構材料均為普通鋼。

圖1 直升機甲板的位置

2 直升機甲板載荷及受力分析

根據意大利船級社（RINA）規范Part F Ch.13 Sec.16的相關規定，直升機甲板的板材、普通扶強材以及主要支撐構件（PSM）要承受降落載荷、上浪壓力以及由于加速度和風產生的載荷。

對于本文討論的直升機甲板，因其位于船尾，位置非常高，故只考慮直升機降落載荷以及由加速度和風產生的載荷。

此直升機甲板搭載的直升機的質量WH=5.3 t，直升機甲板受到直升機的降落載荷和相應的重力及慣性力和風載的作用。直升機的降落載荷在規范中有比較明確的規定，即FCR= 0.75WH。

關于自身的重力及慣性力，參見表1。

表1 靜水力和慣性力

已知：WP=68.54 t、AH=314.02 m2、AHX=47.71 m2、AHY=31.48 m2，實際估算的直升機甲板的重心坐標為（7.47 m，0，14.83 m）。經過計算，求得加速度ax1=1.823 m/s2、ay2=3.638 m/s2、az1=3.876 m/s2、 az2= 0 m/s2，從而得到如表2的靜水力和慣性力值。

表2 靜水力和慣性力值

3 有限元模型

有限元模型如圖2所示。

圖2 直升機甲板有限元模型

直升機甲板板材采用板殼單元（Shell）建模，甲板普通扶強材和主要支撐構件用梁單元（Beam）建模，支撐甲板的工字鋼梁也用梁單元（Beam）建模。

3.1 腐蝕余量

結構有限元模型考慮腐蝕余量，腐蝕余量參考RINA Rule Pt.B Ch.4 Sec.2進行扣除。

3.2 校核衡準

校核衡準參考RINA Rule Pt.B Ch.7及Part F Ch.13 Sec.16， 如表3和表4所示。安全系數γm和γR分別取1.02和1.05。

表3 板殼單元校核衡準MPa

表4 梁單元校核衡準MPa

3.3 載荷工況

（1）工況 1： 迎浪工況

將直升機甲板的重力以及此工況的FW，X和FW，Z以加速度的形式施加在模型上；此外將直升機的降落載荷施加在甲板上。

（2）工況 2： 橫浪工況

將直升機甲板的重力以及此工況的FW，Y以加速度的形式施加在模型上；此外將直升機的降落載荷施加在甲板上。

4 有限元計算結果及分析

4.1 迎浪工況

將3.3中在迎浪工況下的載荷施加到直升機甲板有限元模型上，計算得出如圖3 -圖7所示的結果。

圖3 直升機甲板變形圖

圖4 直升機甲板Von Mises應力分布圖

圖5 直升機甲板剪應力分布圖

圖6 直升機甲板縱骨彎曲應力分布圖

圖7 直升機甲板強橫梁及支撐梁彎曲應力分布圖

從計算結果看出，直升機甲板的變形并不大，甲板的Von Mises應力和剪應力都比較小，甲板縱骨由于降落載荷的作用，彎曲應力相對較大。

4.2 橫浪工況

將3.3節中橫浪工況下的載荷施加到直升機甲板有限元模型上，計算求得如圖8 -圖12所示的結果。

圖8 直升機甲板變形圖

圖9 直升機甲板Von Mises應力分布圖

圖10 直升機甲板剪應力分布圖

圖11 直升機甲板縱骨彎曲應力分布圖

圖12 直升機甲板強橫梁及支撐梁彎曲應力分布圖

從計算結果看出，直升機甲板的變形相對于迎浪狀態增大，甲板的Von Mises應力和剪應力都比較小。甲板縱骨由于降落載荷的作用，彎曲應力相對較大。

綜合兩種工況可以看出，甲板板材的最大Von Mises應力為24.8 N/mm2、最大剪應力為13.7 N/mm2；梁單元的最大彎曲應力為166 N/mm2。上述結果均滿足規范要求。

5 結 論

本文用施加加速度的方法模擬實際的慣性力，從有限元分析結果可以得出以下結論：

（1）甲板由于有普通扶強材和主要支撐構件的支撐，從分析結果看，應力水平并不高，一般從審圖的角度，只要滿足規范中的一般要求即可。

（2）從板殼單元（Shell）和梁單元（Shell）的分析結果來看，慣性力并不是對結構影響最大的因素，而直升機的降落載荷才是其決定因素，從審圖的角度，一般情況下應主要校核降落載荷情況下的結構尺寸。

（3）從模型結果的變形可以看出， 直升機平臺下部支撐結構抵抗x方向慣性加速度的能力要強于y方向；今后的設計應對y方向的結構適當加強。

（4）相關的規范缺少關于變形量大小的規定，設計者應在設計時適當把握變形的尺度。

［參考文獻］

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［中圖分類號］U663.6

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0062-05

［收稿日期］2014-12-22；［修回日期］2015-01-12

［作者簡介］郭 磊（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶結構審圖及結構強度分析。

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