中大型公務船直升機甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計

宋揚

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

直升機具有適應性強、操作便利等特點，在各類型公務船上得到廣泛應用，有效提升了公務船的探查、補給、救援和轉(zhuǎn)運能力。直升機甲板主要供直升機起飛、降落、停機或調(diào)運、系留，直升機在惡劣海況下著陸時對直升機甲板的沖擊載荷較大，其結(jié)構(gòu)的安全性是設(shè)計直升機甲板時應重點考慮的因素之一。

該文以某大型公務船為例，探究中大型公務船直升機甲板布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

1 直升機甲板布置

中大型公務船外形威武雄壯，船中處一般布置有大型上層建筑，其縱向重心偏首，如將直升機甲板布置在船首位置，會使船舶首傾更加明顯；雖然可以通過增加尾部壓載來調(diào)整浮態(tài)，但會增加整船重量，影響船舶的經(jīng)濟性和續(xù)航力。另一方面，直升機甲板布置在首部增加了駕駛室的盲區(qū)范圍，直升機在船首降落對駕駛室的視線會產(chǎn)生較大干擾，不利于船舶的安全行駛。

因此，更推薦將艏樓甲板向尾部延伸并布置為直升機甲板以供直升機起飛、降落，其有以下幾個方面的優(yōu)勢：

（1）改善中大型公務船的首傾現(xiàn)象，對船體的浮態(tài)和穩(wěn)性有一定益處；

（2）艏樓甲板向尾延伸可以增加尾部區(qū)域的總縱強度和船體剛度，改善尾部船體結(jié)構(gòu)振動響應，提高船體舒適性；

（3）相比于主甲板，將艏樓甲板設(shè)置為直升機甲板可以減輕尾部上浪對直升機起降時的影響，減弱海水對相關(guān)船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的腐蝕效應，減少船舶日常保養(yǎng)工作量并提高設(shè)備的使用壽命，同時對尾部系泊和帶纜作業(yè)的影響也可以降至最低；

（4）將尾部艏樓甲板設(shè)置為直升機甲板時，著陸沖擊載荷以及甲板骨材、桁材的彎曲許用應力值無需考慮額外的安全系數(shù)，有利于減輕船體結(jié)構(gòu)重量。

2 直升機甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計

該船直升機甲板劃分為露天起降區(qū)和機庫系留區(qū)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計思路有所差異。

2.1 露天起降區(qū)

該區(qū)域?qū)⒊惺苤鄙龣C降落時的垂直沖擊載荷，多家船級社對直升機甲板降落區(qū)的最小板厚和甲板骨材最小剖面模數(shù)有明確規(guī)定，詹蓉[2]等通過理論計算和對比多家船級社相關(guān)規(guī)定后發(fā)現(xiàn)：

一般情況下板格寬度對板厚影響較大，板厚與板格寬度呈線性關(guān)系，板格寬度越小，板厚也越小；在相同板格寬度下，板格長度對甲板板厚的影響很小；加密骨材能夠顯著減小甲板板厚，但并不能減小骨材尺寸。

因此，首先應根據(jù)露天強力甲板的相關(guān)要求對起降區(qū)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，再對直升機著陸范圍內(nèi)的甲板板進行加厚處理，滿足規(guī)范的最小板厚要求，并對著陸范圍內(nèi)的縱骨做加密處理，中間縱骨尺寸不得減小，考慮到施工空間的要求，將骨材間距取為325mm，其甲板平面如圖1 所示。

圖1 露天起降區(qū)甲板平面示意圖

2.2 機庫系留區(qū)

該區(qū)域主要承受直升機固定時的系留載荷，相對起降區(qū)其承力較小，同時機庫屬于遮蔽區(qū)域，其甲板板厚可適當減小，但必須滿足最小板厚和最小剖面模數(shù)的要求，另外需考慮直升機從露天起降區(qū)移動到機庫的路徑，在其路徑范圍內(nèi)做加密縱骨設(shè)計。

3 直升機甲板結(jié)構(gòu)直接計算強度評估

對于直升機甲板結(jié)構(gòu)，各船級社均要求進行直接計算，接下來依據(jù)中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進行強度評估，此次僅選取更危險的露天起降區(qū)工況進行評估，機庫系留區(qū)強度評估可參考露天起降區(qū)進行。

3.1 直升機主要參數(shù)

該船配備的直升機最大起飛重量為13t，后兩輪間距4.3m，后輪與前輪間距6.57m，每個輪印尺寸為370mmX182mm，直升機系留索具破斷載荷67.5kN。

3.2 露天起降區(qū)強度校核

3.2.1 計算工況

（1）甲板均布載荷工況（LC1）：整個甲板區(qū)域上覆蓋2 kN/m2的均布載荷。

（2）直升機著陸沖擊工況：①直升飛機正常降落時的垂直沖擊載荷；②考慮雪或其它環(huán)境所施加的0.5kN/m2的均布載荷；③直升機甲板結(jié)構(gòu)自重。選取四種不利的直升飛機著地位置（跨度大的強梁、縱桁、縱骨上以及兩縱骨中間），分四種子工況（LC21、LC22、LC23、LC24）進行計算。

（3）直升機露天系留工況（LC3）：①承受最大起飛重量的輪印載荷；②考慮雪或其它環(huán)境所施加的0.5kN/m2的均布載荷；③直升機甲板結(jié)構(gòu)自重；④直升機和直升機甲板結(jié)構(gòu)由于船舶運動而產(chǎn)生的慣性力,水平慣性力和垂直慣性力取為直升機和直升機甲板結(jié)構(gòu)自重相應載荷的0.5 倍；⑤直升機系留索具破斷載荷。

3.2.2 有限元模型

選取露天起降區(qū)直升機甲板結(jié)構(gòu)作為研究對象，運用MSC 的PATRAN/NASTRAN 通用軟件進行有限元分析評估。模型縱向范圍為FR-8 強框架至FR32 強框架，橫向范圍為整個直升機甲板，垂向范圍從直升機甲板延伸到下一層主甲板。甲板采用板單元，強橫梁腹板、縱桁腹板采用板單元，縱骨、強橫梁面板、縱桁面板、支柱采用梁單元，單元大小為縱骨間距，并作適當細化。舷側(cè)及尾部下支撐采用剛固的邊界條件，甲板前端及支柱下端采用簡支的邊界條件，其有限元模型如圖2 所示。

圖2 露天起降區(qū)直升機甲板結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2.3 計算載荷

3.2.3.1 著陸輪印載荷

根據(jù)規(guī)范，直升機降落時通過其主輪組作用在甲板板上的垂直沖擊載荷為1.5 倍最大起飛重量（假定后輪同時著地），兩個后輪輪印上的壓力如公式1 所示。

式中：P—直升機最大起飛重量，t；

S—直升機著陸時的單個輪印面積，mm2。

3.2.3.2 系留輪印載荷

直升機系留時輪印共同承受其最大起飛重量，每個輪印上的壓力如公式2 所示。

式中：P—直升機最大起飛重量，t；

S—直升機著陸時的單個輪印面積，mm2。

3.2.4 強度衡準

該船直升機甲板區(qū)域全部使用普通鋼，其屈服強度為235MPa，根據(jù)《鋼制海船入級規(guī)范》，直升機甲板結(jié)構(gòu)的許用彎曲應力衡準如表1 所列，許用剪切應力衡準如表2 所列。

表1 許用彎曲應力衡準

表2 許用剪切應力衡準

3.2.5 計算結(jié)果

通過有限元分析，可得到各工況下起降區(qū)直升機甲板結(jié)構(gòu)的最大彎曲應力和最大剪切水平，其計算結(jié)果如表3 所列。

表3 露天起降區(qū)有限元計算結(jié)果

由表3 可知，露天起降區(qū)船體結(jié)構(gòu)在各工況下的最大彎曲應力和最大剪切應力均小于許用應力，滿足規(guī)范要求，最大彎曲應力和剪切應力出現(xiàn)在甲板縱骨處。

4 結(jié)論

通過對某大型公務船直升機甲板布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析研究，可得出以下結(jié)論：

（1）針對其船型特點，中大型公務船更適合在尾部布置直升機甲板，對船舶穩(wěn)性、浮態(tài)、經(jīng)濟性和操縱性都更有利；

（2）在保證施工空間的基礎(chǔ)上，采用加密骨材的方式可以有效減少直升機甲板的板厚，但必須滿足規(guī)范最小板厚的要求，另外從有限元評估結(jié)果來看骨材的剖面模數(shù)和剪切面積是設(shè)計人員重點關(guān)注的船體構(gòu)件。