直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬振淼，朱伯華，張金寶，周 俊，于 洋

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬振淼，朱伯華，張金寶，周 俊，于 洋

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是控制生活模塊總體重量、降低建造成本、縮短建造周期的有效途徑。在對(duì)海洋平臺(tái)直升機(jī)甲板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，改變?cè)瓉?lái)導(dǎo)管架平臺(tái)直升機(jī)甲板H型鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，把生活模塊直升機(jī)甲板設(shè)計(jì)為板架式T型結(jié)構(gòu)，并基于BV規(guī)范，使用MSC.Patran/Nastran軟件進(jìn)行有限元校核。結(jié)果表明：在滿足同樣載荷強(qiáng)度要求的情況下，采用板架式T型結(jié)構(gòu)可降低直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)重量，減少焊接建造工作量，節(jié)省建造成本，縮短建造周期。

直升機(jī)甲板；板架式結(jié)構(gòu)；T型結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

伴隨全球工業(yè)化、城市化和現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)，能源需求日益增長(zhǎng)。本文所涉項(xiàng)目的油氣田位于我國(guó)浙江以東的東海陸架盆地中部的西湖凹陷油氣田群。根據(jù)原始設(shè)計(jì)計(jì)劃，該氣田群將建成1座4腿導(dǎo)管架綜合平臺(tái)，生活模塊位于該平臺(tái)上，其最頂層為直升機(jī)甲板。根據(jù)招標(biāo)文件，生活模塊的質(zhì)量有嚴(yán)格限制（即≤3%），對(duì)于總重僅有859t的基設(shè)質(zhì)量來(lái)說(shuō)，生活模塊只有25.77t的裕度，設(shè)計(jì)制造任務(wù)艱巨。在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是控制生活模塊總重、節(jié)省建造成本、縮短建造周期的有效途徑。原基本設(shè)計(jì)的生活模塊上的直升機(jī)甲板所用鋼料重約74t，占生活模塊總重的8.6%，具有很大的優(yōu)化空間。

1 直升機(jī)甲板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

生活模塊的總體輪廓見(jiàn)圖1a)，其主體由3層甲板和1層蓋板構(gòu)成，為減輕結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，通體使用支柱式桁架結(jié)構(gòu)支撐，縱艙壁和橫艙壁使用輕次圍壁結(jié)構(gòu)。生活模塊的內(nèi)部框架見(jiàn)圖1b)，整體通過(guò)4根柱腿與下部綜合平臺(tái)連接。

圖1 生活模塊

直升機(jī)甲板位于生活模塊的最頂層并向外伸出，為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，與生活模塊之間采用支柱式桁架結(jié)構(gòu)連接。導(dǎo)管架海洋平臺(tái)生活模塊的強(qiáng)橫梁和縱桁通常采用H型鋼（見(jiàn)圖2），為桁架式結(jié)構(gòu)（格構(gòu)化的一種梁式結(jié)構(gòu)），在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)常視之為桿單元。在原基本設(shè)計(jì)中，直升機(jī)甲板的強(qiáng)橫梁和縱桁也采用H型鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)直升機(jī)甲板所用鋼料重約74t。

圖2 桁架式（H型鋼）結(jié)構(gòu)

2 直升機(jī)甲板的受力特點(diǎn)分析

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

直升機(jī)甲板及其支撐結(jié)構(gòu)是根據(jù)歐直EC225機(jī)型設(shè)計(jì)的，該機(jī)型包含2個(gè)后輪和1個(gè)前輪，其主要參數(shù)見(jiàn)表1，著陸沖擊載荷保守地按照2個(gè)后輪先著陸計(jì)算。

表1 歐直EC225機(jī)型主要參數(shù)

2.2 受力特點(diǎn)分析

直升機(jī)甲板的受力特點(diǎn)不同于常規(guī)生活樓各層甲板。常規(guī)生活樓各層甲板僅承受均布面載荷，且載荷值較小，一般根據(jù)功能的不同，甲板可變載荷為2～10kN/m2不等，因此需要的甲板厚度較小，一般為5～7mm。但是，對(duì)于直升機(jī)甲板，除了要考慮一定的可變載荷（如規(guī)范要求為1kN/m2）之外，還需考慮直升機(jī)輪印載荷。通常直升機(jī)的最大起飛質(zhì)量為8～12t，輪印尺寸約為300mm×300mm，因此可能產(chǎn)生的對(duì)甲板板的局部壓力很大，故直升機(jī)甲板的板厚較大。以本文研究的生活模塊為例，各層平臺(tái)板厚6mm，直升機(jī)甲板板厚10mm。

2.3 直升機(jī)著陸位置分析

直升機(jī)甲板為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)19.5m，寬18.5m，正常情況下直升機(jī)應(yīng)停靠在甲板中心位置（見(jiàn)圖3a），這也是理想的著陸位置[1]。然而，由于直升機(jī)甲板的面積相對(duì)于整個(gè)直升機(jī)來(lái)說(shuō)較小，極限情況下直升機(jī)的2個(gè)后輪可能剛好落在甲板邊緣。圖3b)給出直升機(jī)可能著陸的8個(gè)不同位置，其中包括可能對(duì)甲板結(jié)構(gòu)最不利的極限情況。

圖3 直升機(jī)著陸位置

3 直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原直升機(jī)甲板的強(qiáng)橫梁和縱桁采用圖2所示的桁架式（H型鋼）結(jié)構(gòu)，在承受載荷時(shí)，由于直升機(jī)甲板板和H型鋼的翼板僅通過(guò)翼板的2個(gè)端部連接，直升機(jī)甲板板不能作為有效的帶板參與構(gòu)件的彎曲。在建造過(guò)程中，直升機(jī)甲板板與H型鋼翼板的2個(gè)端部采用角焊縫連接；H型鋼與H型鋼對(duì)接時(shí)，腹板采用角焊縫連接，其上下2個(gè)面板須采用對(duì)接焊縫連接，焊接工作量較大。在鋼材采購(gòu)時(shí)，H型鋼作為標(biāo)準(zhǔn)型材，采購(gòu)價(jià)較高（達(dá)9000元/t），且需求量較大。

但是，若采用圖4所示的板架式T型結(jié)構(gòu)，則直升機(jī)甲板板可作為構(gòu)件的有效帶板（貢獻(xiàn)強(qiáng)度），相當(dāng)于節(jié)省了H型鋼上翼板的質(zhì)量，可降低結(jié)構(gòu)的總重。T型材由板材拼接而成，鋼板采購(gòu)價(jià)約為5000元/t，T型材腹板和面板可使用自動(dòng)角焊機(jī)快速焊接，且T型材腹板采用角焊縫連接直升機(jī)甲板板；T型材與T型材對(duì)接時(shí)，腹板采用角焊縫連接，面板采用對(duì)接焊縫連接。該方式相當(dāng)于節(jié)省了上翼板之間的焊接工作。另外，由于進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，T型材的總長(zhǎng)度較H型鋼總長(zhǎng)度有所減少，相應(yīng)的焊接建造工作得到一定的減少。

因此，在建造直升機(jī)甲板過(guò)程中考慮使用板架式T型結(jié)構(gòu)代替原有的桁架式H型鋼結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)將其考慮為面單元。

圖4 板架式T型結(jié)構(gòu)

4 直升機(jī)甲板板架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

根據(jù)2013年法國(guó)船級(jí)社（Bureau Verites，BV）《鋼制船舶入級(jí)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱BV規(guī)范）[2]，對(duì)采用板架式T型結(jié)構(gòu)的直升機(jī)甲板的詳細(xì)節(jié)點(diǎn)和主要支撐構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4.1 結(jié)構(gòu)模型

采用MSC.Patran/Nastran軟件[3]進(jìn)行有限元分析，直升機(jī)甲板、支撐件及主要梁結(jié)構(gòu)均包含在有限元模型中。采用板梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，其中，甲板板、主要支撐構(gòu)件的腹板和面板采用面單元，加強(qiáng)筋和管支撐采用梁?jiǎn)卧唧w單元格劃分見(jiàn)圖5a)。

根據(jù)生活模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)模型的邊界條件放在生活樓與綜合平臺(tái)相連接的4個(gè)柱腿上（見(jiàn)圖5b））。

圖5 有限元分析模型

4.2 載荷條件

對(duì)于直升機(jī)甲板，其所受的載荷主要來(lái)自于直升機(jī)著陸時(shí)的輪印壓力載荷和普通的可變分布載荷，其中輪印壓力載荷又分為正常著陸載荷和緊急著陸載荷2種[4]，分布載荷按規(guī)范的要求取1.0kN/m2，這對(duì)直升機(jī)甲板來(lái)說(shuō)取值相對(duì)保守。

4.2.1 正常著陸輪印載荷

根據(jù)BV規(guī)范第9章第10節(jié)“4.1.1”的規(guī)定，直升機(jī)著陸載荷通過(guò)2個(gè)后輪傳遞到直升機(jī)甲板上，正常著陸載荷可通過(guò)式(1)計(jì)算得到，即

式(1)中：Wmtow為直升機(jī)最大起飛質(zhì)量。

4.2.2 緊急著陸輪印載荷

根據(jù)BV規(guī)范第9章第10節(jié)“4.2.1”規(guī)定，直升機(jī)緊急著陸載荷通過(guò)2個(gè)后輪傳遞到直升機(jī)甲板上，緊急著陸載荷可通過(guò)式(2)計(jì)算得到，即

因此，對(duì)于直升機(jī)可能著陸的8個(gè)位置（01～ 08）的載荷情況進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 載荷情況

4.3 材料許用應(yīng)力分析

直升機(jī)甲板采用高強(qiáng)度鋼制造，其屈服極限（最小）為345MPa[5]。根據(jù)BV規(guī)范第9章第10節(jié)“5.4.3”的規(guī)定，正常著陸情況下的許用應(yīng)力與緊急著陸情況下的許用應(yīng)力是不同的，許用應(yīng)力可通過(guò)式(3)和式(4)計(jì)算得到，即

式(3)和式(4)中：γm為不確定性的材料安全系數(shù)，取值為1.02；γR為不確定性的阻力安全系數(shù)，正常著陸情況下γR=1.4，緊急著陸情況下γR=1.0；Ry為材料屈服極限，345MPa。

由此，確定著陸區(qū)域的許用應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 著陸區(qū)域的許用應(yīng)力 MPa

根據(jù)BV規(guī)范第9章第10節(jié)“5.4.2”的規(guī)定，正應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ通過(guò)有限元計(jì)算校核條件為

4.4 屈服強(qiáng)度校核

對(duì)8個(gè)位置的正常著陸情況和緊急著陸情況進(jìn)行有限元分析，表4給出所有載荷情況下的最大應(yīng)力，其中在位置01處著陸時(shí)的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力都是最大的，其應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖6和圖7。

表4 不同位置及載荷情況下的最大應(yīng)力

分析結(jié)果表明，所有情況下的應(yīng)力都小于材料許用應(yīng)力，因此采用板架式T型結(jié)構(gòu)的直升機(jī)甲板的強(qiáng)度對(duì)于EC225型直升機(jī)而言是安全的。

圖6 位置01處正常著陸情況應(yīng)力分布

圖7 位置01處緊急著陸情況應(yīng)力分布

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在生活模塊直升機(jī)甲板的建造過(guò)程中，強(qiáng)橫梁和縱桁的設(shè)計(jì)制造采用板架式T型結(jié)構(gòu)代替原桁架式（H型鋼）結(jié)構(gòu)，并根據(jù)規(guī)范對(duì)直升機(jī)甲板強(qiáng)度進(jìn)行校核，在滿足相同強(qiáng)度要求的情況下，直升機(jī)甲板鋼料質(zhì)量由原來(lái)的74.0t降到了66.5t，其中T型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較原H型鋼結(jié)構(gòu)減少了8.9t。由原來(lái)采購(gòu)H型鋼轉(zhuǎn)變?yōu)椴少?gòu)鋼板，節(jié)省了鋼材采購(gòu)成本，且減少了生產(chǎn)過(guò)程中焊接生產(chǎn)的工時(shí)，為企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] WCC UK. Offshore helicopter landing areas-guidance on standard: CAP437[S]. UK: Civil Aviation Authority, 2008.

[2] Bureau Verites. Rules for the classification of steel ships: BV NR467: 2013[S]. France: Bureau Veritas, 2013.

[3] 劉兵山，黃聰. Patran從入門(mén)到精通[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社，2003.

[4] 黃如旭，劉剛，黃一，等. 自升式鉆井平臺(tái)上層建筑與直升機(jī)平臺(tái)強(qiáng)度計(jì)算載荷分析[J]. 船舶工程，2011, 40 (6): 153-156.

[5] API. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design: API RP 2A[S]. USA: American Petroleum Institute, 2002.

Design Optimization of Helicopter Deck Structure

MA Zhen-miao，ZHU Bo-hua，ZHANG Jin-bao，ZHOU Jun，YU Yang
(Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

Structure design optimization is an effective way to control the overall weight of living quarter, reduce construction cost and shorten construction cycle. Based on the analysis of the structure characteristics and force characteristics of the helicopter deck on offshore platform, the original design of H shape steel truss for the helicopter deck in the living quarter of jack-up platform is changed into T shape plate structures, and the finite element analysis according to BV rules is performed with MSC.Patran/Nastran. The result shows that the adoption of T shape plate structure can reduce the weight of helicopter deck structure on the premise of meeting same strength requirements,decrease welding work, save construction cost, and shorten the construction cycle.

helicopter deck; plate structure; T shape structure; design optimization

U661.43

A

2095-4069 (2017) 05-0034-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.006

2016-07-18

江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司基礎(chǔ)科研重大項(xiàng)目（14-LQ2-3000-0013）

馬振淼，男，高級(jí)工程師，1982年生。2005年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事船舶設(shè)計(jì)與管理工作。