直升機甲板連接件強度校核及疲勞分析

梁 晶，梁姝婷，萬 莉，李甲旺，白 杰

(天津修船技術研究所，天津 300456)

直升機甲板連接件強度校核及疲勞分析

梁 晶，梁姝婷，萬 莉，李甲旺，白 杰

(天津修船技術研究所，天津 300456)

船舶和海洋平臺所處的海洋環境十分復雜，直升機甲板結構的可靠性引起了越來越多研究人員的重視。為了安全起見，直升機甲板除了整體結構需要滿足規范要求外，局部結構也需深入分析研究。甲板連接件作為連接甲板和支撐框架的主要構件，其結構的可靠性直接影響著直升機平臺的安全。因此，針對這一問題，文章分析了連接件結構強度和疲勞壽命。

直升機甲板；連接件；結構強度；疲勞壽命

大型船舶和海洋工程結構為了滿足任務和工作的需要，一般都建有直升機甲板。直升機甲板除了承受自身重力等靜力載荷外，還承受著風載荷、冰雪載荷、慣性載荷、著陸載荷等動態載荷[1]。因此，直升機甲板除了整體結構需要滿足規范要求外，局部結構也需深入分析研究。近年來，直升機甲板的局部結構問題引起了越來越多科研工作人員的重視。目前國內外比較常用的甲板連接件如圖1所示。

直升機甲板連接件作為連接甲板和支撐框架的主要構件，它的安全性和可靠性直接關系著整體結構的使用壽命。本文依托30萬t深水FPSO生活模塊系統研發及產業化項目，采用直接計算法對甲板的連接件的強度和疲勞壽命進行分析，驗證了連接件的安全性和可靠性。

1 設計要求

1.1 設計指標

1)在對直升機甲板的整體結構強度進行校核的過程中，得到了連接件的載荷條件。在此載荷條件下，連接件的計算應力不應超過材料的規范許用應力。

2)在實際工作狀態下，直升機甲板處在長期的交變載荷作用下，因此有必要對連接件進行疲勞壽命分析，連接件需滿足25年的使用壽命。

1.2 設計參數

連接件的受力參數和加速度參數見表1～表2。

表1 連接件的受力參數

表2 連接件的加速度參數

連接件的材質主要包含2種，分別是6082-T6和S.S316，根據相關的資料，得到材料參數[2]，見表3。

表3 連接件的材料參數

2 連接件強度校核

2.1 有限元模型建立

依據連接件的幾何結構、材料和載荷工況，進行甲板連接結構的分析計算，建立包括甲板梁、連接件以及螺栓的整體模型。采用8節點六面體線性縮減積分單元C3D8R對計算模型進行有限元網格劃分，并進行網格穩定和敏感性測試。最終劃分的有限元模型網格數量為6.7萬，節點數量7.8萬，如圖2所示。

圖2 甲板連接件的有限元模型

2.2 連接件強度校核計算結果

連接件結構在3個方向作用下，產生錯動滑移，引起螺栓應力集中，并在接觸面處造成擠壓，連接件的應力結果見圖3、圖4、圖5。

圖3 連接件的總體應力結果

圖4 連接件上部結構的應力結果

圖5 連接件下部結構的應力結果

計算得到連接件結構最大應力，上部結構應力為149 MPa，下部結構應力為146 MPa。

根據《鋁合金結構設計規范》，連接件的安全系數采用1.25，其許用應力為[σ]=σs/1.25=220 MPa，σs為材料屈服強度。計算結果表明，連接件結構在3個方向載荷作用下，最大應力低于材料的規范許用應力，連接件的結構強度滿足要求。

3 連接件疲勞校核

本節主要對甲板連接件在交變載荷作用下的疲勞壽命進行分析計算，校核連接件的疲勞壽命是否滿足設計要求。

3.1 有限元模型建立

有限元模型的建立，如圖6所示。本節主要考慮結構在3個方向交變加速度作用下，甲板連接件的疲勞壽命。交變加速度分別為：ax=0.676 m/s2，ay=1.049 m/s2，az=1.617 m/s2。甲板的振動周期為9～12 s，后續疲勞計算以10 s為準。采用8節點六面體線性縮減積分單元C3D8R對計算模型進行有限元網格劃分，網格數量為14.5萬，節點數量18.2萬。

圖6 整體幾何模型

3.2 計算條件

1)S-N曲線。軟件既有材料Al_Alloy_UML_UTS200，其屈服強度和極限強度與6082-T6基本接近，在目前缺少試驗數據的情況下，采用Al_Alloy_UML_UTS200對連接件結構進行疲勞壽命計算[3]。

2)加速度譜(如圖7所示)。

圖7 加速度譜

甲板結構在3個方向上的加速度最大值：ax=0.676 m/s2，ay=1.049 m/s2，az=1.617 m/s2，構造常幅值載荷作為輸入條件，不考慮波形對疲勞的影響。

3.3 連接件疲勞損傷計算結果

在前述模型基礎上，約束工字梁處位移，在3個方向分別施加單位載荷，對3個方向的有限元計算結果分別施加對應載荷譜進行計算，并利用相對Miner線性疲勞損傷的方法確定疲勞損傷結果。

計算得到的損傷為：上部損傷為3.795e-9，即可以達到振動次數2.635e8次，使用時間83.6年。下部損傷為6.133e-9，即可以達到振動次數1.631e8次，使用時間51.7年。

疲勞壽命計算結果表明，連接件結構在給定的載荷作用下可以達到設計使用年限。

4 結束語

直升機甲板連接件作為固定直升機甲板的重要部件，它的可靠性和安全性影響著整個甲板的正常使用。本文經過直接計算分析，得出了連接件的結構強度和疲勞壽命滿足相關規范要求的結論。本文的分析結果為以后甲板連接點的結構優化設計研究，以及直升機甲板結構的降本增效具有不可替代的借鑒作用。

[1] 楊坤榮. FPSO的直升機平臺設計及建造研究[D]. 廣州：華南理工大學, 2015.

[2] 徐晗. 鋁合金螺栓連接節點性能研究[D]. 上海：同濟大學, 2012.

[3] 李靜斌. 鋁合金結構連接靜力強度的理論和試驗研究[D]. 上海：同濟大學, 2006.

少些塵土 再現碧藍天空

The marine environment for the ship and offshore platform is very complex,and the reliability of the helicopter deck structure has attacted more and more researchers' attention.In addition to the overall structural strength of the deck,it is necessary to study the local structure in detail.The connection is an integral part of the helicopter deck,and the reliability of the connection directly affects the safety of the structure.Therefore,in view of this problem,this paper analyzes the structural strength and fatigue life of the connection.

helicopter deck;connection;structural strength;fatigue life

梁晶(1981-)，女，遼寧錦州人，工程師，大學本科，主要從事船舶與海洋工程技術工作。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.014

2017-03-10