基于CAP 437的自升式平臺上直升機甲板強度分析

孫元璋，歐書博，岳興華，鞏慶濤，郭信強

（1. 招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東 威海 264200；2. 中國船級社大連分社，遼寧 大連 116013；

0 引 言

自升式平臺[1]的艏部通常會設置供直升機起降和滿足平臺物資補給及人員更換等要求的直升機甲板，其結構強度[2]直接關系到人身安全和平臺能否正常工作等。

盡管中國船級社（China Classification Society, CCS）和美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）的相關規范[3-4]對自升式平臺上的直升機甲板的結構強度提出了相關要求，但英國民航局海洋平臺直升機區域規范（CAP 437）[5]的要求更嚴格。本文以我國自行設計和建造的某121.92 m自升式平臺為例，以CAP 437為參考，闡述直升機甲板結構強度分析的過程和方法，為直升機甲板的設計人員和使用人員提供借鑒。

通常情況下直升機甲板是由廠家直供的，在出廠前就已對其強度進行校核，故本文所述直升機甲板自身和骨材的結構強度不在有限元分析校核范圍內，但其質量包含在有限元模型中。

1 模型描述

1.1 材料及其屬性

自升式平臺的艏部布置有上層建筑和直升機甲板結構，直升機甲板通過桁架支撐結構與上層建筑相連。在進行結構模型有限元分析時，上層建筑的甲板、艙壁和外板模擬為有限元板，直升機甲板的橫梁、桁材和次要扶強材模擬為有限元梁。圖1為計算用3D有限元模型，其中：支柱a和H型鋼b的結構采用高強度鋼，屈服強度為355MPa；直升機甲板桁材c的結構采用鋁制6082-T6型號材料，屈服強度為250 MPa；直升機甲板梁d的結構采用鋁制6005A-T6型號材料，屈服強度為215 MPa；上層建筑結構采用普通低碳鋼，屈服強度為235 MPa。

圖1 計算用3D有限元模型

1.2 單元連接

1.2.1 板單元與梁單元的連接

在建模時，連接到上層建筑的直升機甲板支撐部分的結構用有限元板模擬，而支撐結構的主要部分用有限元梁模擬。這2種單元通過剛性連接支撐連接，其邊界剛度為[free, free, free, free, free, free, free]，這樣可使平面部分保持平整。

1.2.2 直升機甲板桁材間的連接

直升機甲板桁材間實際上是通過螺栓在其軸線方向上相互連接的，而模型中相關桁材的兩端是通過鉸鏈[fixed, fixed, fixed, 1 N·m, 1 N·m, 1 N·m]的方式模擬連接的，鉸接點可在x、y和z等3個方向上移動， 但任意方向都不能發生扭轉（3個方向的扭轉剛度取1N·m，而不是0，以防止整體模型的剛度矩陣為0）。

1.2.3 H型鋼與直升機甲板桁材的連接

H型鋼與直升機甲板桁材實際上是通過螺栓在垂直z方向上連接的，該連接通過點與點的連接方式模擬。點與點的連接方式通常會傳遞垂直載荷，水平剛度遠小于垂直剛度，且在任意時刻不會發生扭轉。

1.2.4 直升機甲板梁與桁材的連接

直升機甲板梁與桁材的連接與H型鋼與直升機甲板桁材的連接相似。模型中直升機甲板梁作為General Section 考慮，具體見表1和圖2。

表1 直升機梁剖面屬性

圖2 直升機甲板梁剖面

2 風載荷

根據CCS和ABS的有關規范[3-4]，風壓的計算式為

式(1)中：vk為風速；Ch為高度系數；Cs為形狀系數。

在此次分析中，風荷載是由密度為P×D（D為物體的特定尺寸）的線載荷施加的，風速為100 kn的線載荷密度是風速為70kn的線載荷密度的2.04倍。表2為風速為70 kn時各部件風載荷的線載荷密度。

表2 風速為70kn時各部件風載荷的線載荷密度

3 設計載荷

3.1 船級社要求

根據CCS的要求[3]，直升機平臺結構的設計應考慮甲板均布載荷工況、直升機著陸時碰撞工況和直升機存放工況等3 種工況。

3.1.1 甲板均布載荷工況

在該工況下，考慮整個甲板區域上面覆蓋2 kN/m2的均布載荷。

3.1.2 直升機著陸時碰撞工況

1) 直升機正常降落時的垂直沖擊載荷為 1.50倍最大起飛重量，均勻分布在直升機著陸時著地的輪印上（一般假定兩輪同時著地）。若無實際輪印尺寸資料，輪印尺寸可取0.30 m×0.30 m。結構構件的設計應按其受力最不利的直升機著地位置考慮。當直升機平臺的起降甲板為上層建筑或甲板室頂甲板，且其下部處所（如控制室、船員住室等）有人活動時，上述垂直沖擊載荷為1.75倍最大起飛重量。

2) 考慮直升機平臺結構自重。

3) 必要時，考慮0.5 kN/m2的均布載荷，以考慮雪、冰及其他環境載荷。

3.1.3 直升機存放工況

1) 承受最大起飛重量的機輪載荷，其著地承載面積可按直升機撞擊工況中的假定求取。

2) 考慮直升機平臺結構自重。

3) 必要時，考慮0.5 kN/m2的均布載荷，以考慮雪、冰及其他環境載荷。

4) 考慮在可存放的相應環境條件下，直升機和直升機平臺結構因平臺運動和傾斜而產生的靜載荷和動載荷。若無合適的參考資料，水平慣性力和垂直慣性力可取存放的直升機和直升機平臺結構自重相應載荷的0.5 倍。

本文不考慮因平臺運動而產生的慣性載荷，因為實際運營中直升機在平臺浮動時不會著陸或停放在飛機坪上。

3.2 CAP 437的要求

根據CAP 437的要求[5]，直升機甲板設計載荷工況應包括直升機停放、直升機常規降落和直升機應急降落等3種。

在直升機甲板上的任何位置都要施加載荷，以便為每個結構元件給出最嚴重的載荷條件。此外，若適用，其他類型的裝載（如雪、貨物和加油設備等）可能需在結構分析中考慮。

3.2.1 直升機停放載荷

根據CAP 437第三章第五節的要求[5]，在直升機停放工況下需同時施加以下載荷：

1）結構自重；

2）機輪在著陸甲板上任意位置處的載荷，為1.0倍最大起飛重量；

3）直升機甲板均布載荷，2.0 kN/m2；

4）風載荷（100 kn）。

3.2.2 直升機正常降落載荷

根據CAP 437第三章第四節的要求[5]，在直升機正常降落工況下需同時施加以下載荷：1) 結構自重；

2) 機輪在著陸甲板上任意位置處的載荷，為1.95倍最大起飛重量；

3) 直升機甲板均布載荷，0.5 kN/m2；

4) 風載荷（70 kn）；

5) 起落架之間0.5倍最大起飛重量的水平載荷，按比例施加在最危險的方向上。

3.2.3 直升機應急降落載荷

根據CAP 437第三章第四節的要求[5]，在直升機應急降落工況下需同時施加以下載荷：

1) 結構自重；

2) 機輪在著陸甲板上任意位置處的載荷，為3.25倍最大起飛重量；

3) 直升機甲板均布載荷，0.5 kN/m2；

4) 風載荷（70 kn）；

5) 起落架之間0.5倍最大起飛重量的水平載荷，按比例施加在最危險的方向上。

從以上要求中不難看出，CAP 437[5]對設計工況的要求比船級社更嚴格，不僅多出1個直升機應急降落工況，而且對直升機機輪沖擊載荷的要求更嚴格。

3.3 設計基本載荷工況

設計基本載荷工況如下：

1) 結構自重，以及因人行道和樓梯等雜鋼材的重量而增加的10%自重；

2) 均布載荷；

3) 風載荷（如表2所示）；

4)z方向的機輪沖擊載荷（最大起飛重量為125.859 kN）；

5) 水平載荷（最大起飛重量為125.859 kN）。

由于直升機的停放和降落具有隨機性，尤其是直升機緊急降落工況，通常情況下直升機停放或降落在梁結構端部連接處和直升機甲板邊緣且梁結構僅有單邊支撐的工況更危險，經與船級社審圖工程師溝通確認，選取15處典型位置（見圖3）模擬真實情況。因平臺及直升機甲板自身的對稱性，直升機典型位置僅選取左舷，右舷結果與之相似，具體方向和位置見圖3。

圖3 直升機典型位置

3.4 設計組合載荷工況

根據直升機設計的 3種計算工況，按基本載荷組合原則，直升機在不同位置處的組合載荷工況共有46種。

1) 工況100（LC100）：整體分布載荷（僅包含結構自重和甲板均布載荷，該工況是船級社要求的，可看作直升機停放的一個特例）。

2) 工況201（LC201）～工況215（LC215）：直升機停放（分別對應圖3中的P1～P15）。

3) 工況301（LC301）～工況315（LC315）：直升機正常降落（分別對應圖3中的P1～P15）。4) 工況401（LC401）～工況415（LC415）：直升機應急降落（分別對應圖3中的P1～P15）。

當各工況只考慮靜載荷時，主要支撐構件等梁單元的安全系數為1.67；當考慮組合荷載時，主要支撐構件等梁單元的安全系數為1.25。此外，應根據美國石油協會海上固定平臺規劃、設計和建造工作應力設計法的推薦做法[6]的要求，對管狀接頭進行沖剪校核。

4 計算結果

分別對46種工況下的結構強度進行有限元分析計算[4-8]，各單元構件計算結果、最危險工況及其發生位置見表3～表6。

表3 直升機甲板支柱和H型鋼支撐結構強度校核

表4 管狀節點沖剪校核

表5 上層建筑和連接處板結構強度校核

表6 直升機甲板桁材和梁結構強度校核

由表3～表6可知：當直升機應急降落在直升機甲板45°邊緣處（圖3中的P4處）時，直升機甲板相關支撐結構及管狀節點受力最危險；當直升機應急降落在直升機甲板中線且靠近上層建筑一側邊緣處（圖3中的P2處）時，上層建筑受力最危險，具體見圖4。

圖4 強度校核圖

5 結 語

本文結合實例分析，以更嚴格的CAP 437[5]為標準，提出了一種適用于自升式平臺直升機甲板結構強度分析的計算原理和分析方法，主要得到以下結論：

1) 自升式平臺直升機甲板強度分析是平臺設計階段的重要內容，其結構強度直接影響到平臺、直升機及其人員的安全。因此，設計人員在設計直升機甲板及支撐結構時，不僅要滿足規范的一般要求，而且要滿足更嚴格的CAP 437[5]的要求，并以最接近真實的工況為例進行強度校核，從而最大限度地保證其安全性。

2) 從板單元和梁單元的分析結果來看，直升機應急降落工況下的直升機沖擊載荷和起落架之間0.5倍最大起飛重量的水平載荷按比例施加在最危險的方向上的水平載荷對結構影響最大。

3) 平臺結構最危險的位置是上層建筑與直升機甲板相關支撐構件的連接處、直升機甲板45°邊緣處H型鋼及圓形支柱的管狀節點。因此，在直升機甲板和支撐結構的設計和強度校核中，不僅要關注結構自身的強度問題，尤其要重點關注連接處結構和支撐結構的管狀節點是否滿足沖剪要求。