某大型巡邏船直升機庫系留座拉力試驗支撐結構有限元分析

谷維青 朱石清 李文治 甘霖 毛鵬

摘? 要：本文介紹了在配備有直升機機庫的船舶進行系留座拉力試驗的方法，并通過某萬噸巡邏船拉力試驗實例，重點對試驗中涉及的船體支撐結構受力情況進行有限元建模和分析，驗證其可行性和安全性。

關鍵詞：系留座;拉力試驗;支撐結構;有限元方法

中圖分類號：U667.2? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The method of tension test of the mooring bed on the ship equipped with helicopter hangar is introduced，and through the tension test of a 10000t maritime patrol vessel， the finite element modeling and analysis of the force situation of the hull support structure involved in the test are carried out to verify its feasibility and safety

Key words： Mooring bed; Tension test; Support structure; Finite element method

1 前言

我司在建產品10000t大型海事巡邏船（見圖1），是集海事巡航和救助功能于一體的深遠海平臺，設有直升機起降平臺、機庫和綜合指揮室。在6級海況下直升機可以起降（具備夜間起降能力）且可以在起降平臺系留，在9級海況下大型直升機可以在機庫存放。

為了確保直升機保障系統的安全有效性，需要在船舶建造階段對直升機保障系統進行試驗，其中包括直升機系統系泊試驗，而系留座的拉力試驗是系泊試驗的重要部分，是整個保障系統試驗的基礎。由于機庫內空間的限制，在做拉力試驗時需要借助機艙頂部橫梁做支撐，為了確保試驗中船體的安全性，需要對支撐結構受力進行有限元分析。本文以該大型海事巡邏船為例，介紹機庫系留座的拉力試驗及支撐結構的受力分析。

2 系留座拉力試驗簡介

系留座拉力試驗是為了檢驗直升機保障系統各部件安裝的正確性、完整性和工作可靠性，驗證其性能指標是否符合設計要求，為直升機甲板系留效用試驗、直升機接地演示試驗、直升機甲板系留沖洗及干燥試驗等提供安全基礎。

常規的系留座拉力試驗包括：

2.1 系留設備完整性和接口正確性檢查

（1）檢查系留座、系留索具、高位系留環的尺寸規格、數量等成套性，以及外觀是否完整無缺損，將檢驗結果填入《系留設備試驗記錄表》（見表1）：

（2）按照系留座布置圖（見圖2），檢查：系留座數量、位置安裝是否符合要求;系留座需焊接牢靠，安裝后與甲板平齊;系留索具的兩頭應分別與直升機模型的系留環和船的系留座正確連接，且裝、拆方便，并將檢查結果填入《系留設備試驗記錄表》。

2.2 系留座安裝強度檢查

（1）拉力機應處于良好工作狀態，系留座與試驗夾具連接固定可靠，系留座表面與拉力方向成一定夾角，使整套設施處于試驗狀態;

（2）測試人員就位，起動拉力機將試驗負荷逐漸拉至最大使用載荷9.9t，保持5分鐘;卸載后用千分尺測量系留座底面板上十字桿變形量，應不產生明顯變形;檢查系留座與船體間的焊縫是否產生裂紋，若符合要求可繼續下一步加力試驗，否則立即停止試驗;

（3）將試件裝好，重新起動拉力機將試件逐步拉至1.25倍最大使用載荷12.375t，保持5分鐘;卸載后，測量系留座面板十字桿不應產生塑性變形，檢查系留座與船體間的焊縫是否產生裂紋;

（4）將試驗結果填入《系留設備試驗記錄表》。

2.3 適用性檢查

直升機模型（Z-9模型）在機庫停放位置時，先粗調好系留索具，然后把系留索具一頭與直升機模型上的系留環連接，另一頭與船上的系留座連接;調節微調機構，使系留索拉緊，檢查系留索具的適用性;對直升機模型上的每一系留環進行試驗，對全套系留索具逐一檢查其適用性和可靠性，將檢驗結果填入《系留設備試驗記錄表》。

3 支撐結構受力分析

在機庫進行系留座安裝強度檢驗時，為了操作方便采用葫蘆吊、測力機、索具連接機庫頂部橫梁及系留座來施加拉力（見圖3）。隨著抽選的系留座位置不同，系留座表面與拉力方向形成不同的α角，通過拉近葫蘆吊保證施加給系留座的拉力大小達到要求的數值，保持一定時間后，檢查系留座的系留性能及安裝強度。

由于在機庫做拉力試驗時需要采用頂部橫梁作為拉力支撐點，因此機庫頂甲板局部會受到高強度的拉應力，在試驗前需要對其受力進行分析，保證試驗的安全性。根據試驗的連接方式，可以得到橫梁的受力圖（見圖4），橫梁受拉力F的作用（F大小等于施加給系留座的拉力），產生向下的分力F1及水平的分力F2，因此機庫頂甲板會受到向下的F1拉應力及水平的F2分力作用，其中：

經與船東商討確認，試驗時對系留座的拉力只要保證大小要求，拉力與系留座表面所成的角度α可采用豎直或近似豎直的狀態，其所得結果可以被認可，因此對于F的水平分力F2可以忽略不計。當α等于90°時，F1大小等于F，此時機庫頂甲板受到向下最大的拉力，相當于垂直狀態拉系留座（如圖5），因此可用這種極限狀態對頂甲板進行有限元建模和受力計算。

4 有限元計算模型

4.1 船體模型

機庫頂甲板長20.8m、寬12m，肋位區間為FR58～FR90;甲板板架主要由梁拱甲板、縱桁、強橫梁、橫梁組成。其中，甲板板厚8mm、縱桁腹板8mm*300mm、縱桁面板10mm*140mm、強橫梁腹板10mm*450mm、強橫梁面板12mm*120mm、橫梁BP100*6。機庫頂甲板模型，如圖6所示：

4.2 有限元模型

為消除計算時邊界條件造成的影響，本次計算將機庫頂甲板結構圖建立三維有限元模型，按照甲板、縱桁、橫梁的設計尺寸、板厚、截面等取值。其中：甲板、橫梁和縱桁腹板、縱桁面板采用四節點板單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡;橫向球扁鋼采用梁單元，梁單元考慮各構件的實際截面和偏心;網格劃分采用50mm左右單元（見圖7）。

5 載荷工況及應力標準

5.1 載荷工況

根據設計要求，系留座應滿足10t拉力的工作要求，舾裝專業要求取1.25 倍的系數，實取13t拉力。本次計算對系留座施加F=13×9.8= 127.4KN的力進行強度校核;另外，經施工現場確認試驗時機庫頂甲板面上沒有安裝大重量設備及壓鐵等，因此設計載荷可以忽略甲板面的外力影響。

本次試驗，采用A型吊碼，吊碼焊在T型橫梁面板上與背面的橫梁腹板板厚對齊，拉力經過吊碼傳遞到結構上，可近似認為拉力是線載荷作用在橫梁面板上;同時認為拉力F五等分后作用在五個節點上，即F1=127.4/5=25.48KN。由于機庫頂甲板的對稱性以及橫梁的相似性，并結合試驗中預估的吊碼所在橫梁的位置，本次計算選取四分之一板架中的6條橫梁共24處進行校核（如圖8所示），標號為奇數的位置作用力施加在十字接頭位置，標號為偶數的位置作用力施加在間隔橫梁的中部位置，即每根橫梁對應四個典型位置。

5.2 約束

考慮到模型區域選取較大，邊界條件對計算影響不大，且實船上機庫頂板四周邊界均有圍壁，模型計算時將甲板四周邊界取為固定約束。

5.3應力衡準

板單元的應力計算結果，包括各個節點及參考點上的的（σx、σy、τ）及σe等，采用Mises等效應力。參照CCS《鋼質海船入級規范》（2018）許用應力的相關要求，支撐結構的計算應力不大于表2的許用應力值：

5.4 應力校核

通過計算，得到各工況下對應的最大等效應力值和剪應力值，見表2所列。從表2看出：各工況下等效應力最大值為157.8Mpa<211.5Mpa，剪應力最大值為69.1Mpa<122.11Mpa，滿足要求。因此本次利用橫梁做支撐進行的系留座拉力試驗對機庫頂甲板的影響是在安全范圍內，試驗可按要求進行。

6 結束語

經過有限元建模和計算分析，確認了本次機庫系留座拉力試驗是安全可行的，可以按要求進行試驗。本文分析中，由于明確了試驗中拉力方向近似豎直，因此可以忽略拉力在水平方向的分力，如果實驗中拉力方向非近似豎直，則需要對水平分力做各工況下的分析;另外，在工況的選擇上由于該船試驗前已經預估了吊碼位置，所以只針對吊碼位置做了典型位置受力分析，若吊碼位置有變動或者不確定，則需要增加施力點分析，分析方法類似。

參考文獻

[1] 中國船級社.鋼質海船入級規范2018 [M].北京： 人民交通出版社，2018：131-133.