淺析海工設施懸挑型直升機平臺支承端的鉸接優化

2015-12-12 10:03:38池建輝許亮亮黃明誠薛江山

船舶標準化工程師 2015年4期

池建輝，許亮亮，黃明誠，薛江山

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

海洋工程船和設施，如鉆井船、鉆井平臺、浮式生產儲油卸載單元（FPSO）和工程輔助船等，其作業特點決定了其甲板布置緊湊、空間緊張的特點，一般無法像油船和散貨船等運輸船一樣給直升機平臺預留甲板空間。而為了保證安全，通用的離岸直升機平臺設計、建造和檢驗規范《CAP 437》[1]等對直升機平臺的周圍布置也有明確的“無障礙化”要求（210°的無障礙區域和剩余150°的限制障礙區域），因此海工設施上的直升機平臺多采用高位懸挑布置，使用桁架結構進行支承。本文簡單分析了在部分支承端采用鉸接優化的靜力學效果，并著重對實際應用效果基于有限元分析方法進行了驗證。

1 簡化分析

1.1 懸挑型平臺的特點

直升機是離岸設施和海工作業船最便捷的物資補給和人員運送方式，因此直升機平臺就成為許多海工設施上的標準配置。作為目前廣泛采用的桁架懸挑結構（見圖1），其優點是節約布置空間，滿足規范要求。但這種一端支承的布置方式，抽象成懸臂梁之后，與兩端固支的梁相比，雖然減少了一半的支承，但端部彎矩卻增大到4倍，如圖2所示。因此從受力效果來看，懸臂梁會帶來約束應力較大的情況。

工程上對于需要懸挑的鋼結構，可以選擇上部斜拉的方式，來緩解支承端下部的彎曲壓應力，這也發揮了鋼材良好的抗拉性能。但是對于直升機平臺來說，規范所規定的無障礙區域決定了其無法在平臺上部增加構件的特點，如圖3所示。

因此懸挑型直升機平臺都會面臨只能在底部支承和端部彎曲應力較高的問題。

圖1 海工設施上廣泛采用的直升機平臺懸挑型布置

圖2 一端和兩端固支梁的彎矩剪力比較

圖3 直升機平臺上空的無障礙要求

1.2 懸挑平臺的優化方向

支承結構可以簡化成有代表性的兩點支承加必要桁架的形式，如圖4左邊(I)所示。實際這樣的支承至少會有兩組，否則無法保證平臺的抗扭剛度，這里為了便于討論因而進行了這樣的簡化。支承端的端部截面是體現整體結構抗彎能力的部位，把整體結構看成梁，根據下列梁彎曲應力的計算公式，可以知道截面最大彎曲應力和剖面模數W成反比：

經典材料力學[2]已經有過討論，對于截面積一定的梁，盡量將截面面積遠離中性軸布置，可以增大剖面模數，提高梁的抗彎強度。顯然根據這一理論，最好的解決辦法是分別在盡量靠上和靠下的位置布置兩個支承，以增大端部的綜合剖面模數。一般來說，下端部的支承點需要考慮露天甲板布置、上層建筑強結構位置等因素，可以在布置允許的情況下撐在上層建筑盡量靠下的某層甲板位置；而上端部的支承點，根據圖3的說明，理論上最高的位置即為直升機甲板面的高度，因此把直升機甲板面與最高一層甲板（如羅經甲板）做成一體是最有利的。如圖4右邊(II)所示。

圖4 兩點支承形式在受力上的優化

圖5 直升機平臺與頂層甲板一體連接無法實現的一些情況

但是這種將直升機甲板和頂層甲板做成一體的方案，在實踐中不是特別通用，一般來說比較適合下端支承位置較高的情況，如主體型深較小的自升式平臺（如圖1左上所示），否則上端部連接強度過高，在設計上的冗余太大，沒有必要。另外從布置上考慮，這種方案占用了不必要的空間（現行規范要求直升機平臺要有一主兩副共三個逃生通道），而且頂層甲板不一定有足夠寬闊的甲板面積，或無法合理連接（高度不相等，或直升機平臺存在一定角度等），如圖5所示。

1.3 上端部鉸接的優化

以上討論表明，固定直升機平臺的甲板對緩解應力是很有利的，但并不是所有布置形式都能將直升機甲板和海工設施頂層甲板做成一體，很多時候做成一體也沒有必要。那么，可以考慮另一種較為可行、經濟的固定方式，即鉸接。

鉸接是一種約束X、Y、Z三個方向位移而不約束轉角的連接方式，在工程船上應用較廣，如浮吊船的吊臂端與船體支承結構即是用鉸接方式連接的。鉸接的優點在于需要的布置空間相對較小，可以就近尋找強結構進行連接，或者另行設計連接點，并且連接點不會引入彎矩。

圖6 平臺縱桁鉸接固定的一種做法

圖7 單點固支(A)、兩點固支(B)和上端鉸接(C)的簡化布置

可以設想某鉆井船上依靠上層建筑布置的直升機平臺，將其甲板的縱桁端部鉸接固定（如圖 6所示），看看這種方式和普通的做法（即兩點剛性支承）相比有什么優缺點，為了便于比較，同時引入單點剛性支承的方式作為對照組，如圖7所示。

這三種連接方式中，(B)和(C)都是超靜定問題，需要引入剛度方程求解，這里可以參考實際型材選用和載況，對三種形式分別建模，并進行相應簡化，用有限元分析方法求1、2端部的支反力，對結果進行比較[3]。

2 有限元分析

2.1 模型、邊界條件和載荷

圖8左上方是該直升機平臺的主要尺寸，甲板寬度 D=22.20m，最大直升機起飛質量MTOM=12.834t，能供表1所列的兩種（或更輕型、更小型）直升機起降使用。其型材選用的合理性都是經過驗證的，它是模型(B)的原型。

表1 直升機平臺實例中能承載的直升機主要數據

簡化起見，有限元模型里的甲板板用板單元（shell）模擬，網格尺寸等于縱骨間距，梁、縱骨和支撐圓管都用梁單元（beam）模擬。將模型(B)進行簡單修改并加上約束，即可得到另外兩個不同支承方式的直升機平臺有限元模型(A)和(C)，如圖8所示。

為了針對鉸接效果進行分析，且保證得到的結果具有較高可靠性，選擇惡劣并且沒有橫向力（Y方向）的工況進行加載。對于橫向力的抵御，一般可以增加橫向布置的斜撐來做到，這里略去不討論。根據《CAP 437》[1]，降落載荷選取緊急降落（emergency landing）的情況。包括環境載荷在內的所有載荷都簡要列在表2里。

其中最大起飛質量 MTOM 取的是 Sikorsky S92A型直升機的12.834t，按其降落輪距3.18m把降落載荷平均分配給選定的兩個降落點，如圖9所示。

圖9 直升機平臺實例的落點示意圖

2.2 分析結果

三個模型的甲板板組合應力（von Mises stress）的分布如圖10所示，圓管在下端部支撐點（即圖7中的1端部）的支反力、應力的大小匯總在表3和圖11里。

對比圖10中的A和B，可以看出，增加一個支承端能非常有效地緩解甲板應力向圓管連接點集中的情況，從數值上來看該區域的最大應力減小了約50%，是非常可觀的，這能在一定程度上反映進行至少兩點支承的必要性。再對比A和C，可以看出增加鉸接端的辦法也大幅緩解了應力峰值，整體效果上并不比B差，并且相對于B來說并沒有增加圓管構件，材料上更為經濟。不過鉸接帶來的鉸接端應力升高的現象也值得注意。

從表3的數據可以看出，模型A在下端部支撐點產生了非常大的彎曲應力2190MPa，遠超普通鋼材的屈服應力。通過圖11可以直觀地對比三個模型的應力情況，模型B和C都把彎曲應力降低到了非常小的值，這充分說明進行至少兩點支承的必要性。而對比B和C的應力值，可以發現C的受力情況全面優于B，這說明高位鉸接優化的方向是有利的。