直升机甲板连接件强度校核及疲劳分析

梁 晶，梁姝婷，万 莉，李甲旺，白 杰

(天津修船技术研究所，天津 300456)

直升机甲板连接件强度校核及疲劳分析

梁 晶，梁姝婷，万 莉，李甲旺，白 杰

(天津修船技术研究所，天津 300456)

船舶和海洋平台所处的海洋环境十分复杂，直升机甲板结构的可靠性引起了越来越多研究人员的重视。为了安全起见，直升机甲板除了整体结构需要满足规范要求外，局部结构也需深入分析研究。甲板连接件作为连接甲板和支撑框架的主要构件，其结构的可靠性直接影响着直升机平台的安全。因此，针对这一问题，文章分析了连接件结构强度和疲劳寿命。

直升机甲板；连接件；结构强度；疲劳寿命

大型船舶和海洋工程结构为了满足任务和工作的需要，一般都建有直升机甲板。直升机甲板除了承受自身重力等静力载荷外，还承受着风载荷、冰雪载荷、惯性载荷、着陆载荷等动态载荷[1]。因此，直升机甲板除了整体结构需要满足规范要求外，局部结构也需深入分析研究。近年来，直升机甲板的局部结构问题引起了越来越多科研工作人员的重视。目前国内外比较常用的甲板连接件如图1所示。

直升机甲板连接件作为连接甲板和支撑框架的主要构件，它的安全性和可靠性直接关系着整体结构的使用寿命。本文依托30万t深水FPSO生活模块系统研发及产业化项目，采用直接计算法对甲板的连接件的强度和疲劳寿命进行分析，验证了连接件的安全性和可靠性。

1 设计要求

1.1 设计指标

1)在对直升机甲板的整体结构强度进行校核的过程中，得到了连接件的载荷条件。在此载荷条件下，连接件的计算应力不应超过材料的规范许用应力。

2)在实际工作状态下，直升机甲板处在长期的交变载荷作用下，因此有必要对连接件进行疲劳寿命分析，连接件需满足25年的使用寿命。

1.2 设计参数

连接件的受力参数和加速度参数见表1～表2。

表1 连接件的受力参数

表2 连接件的加速度参数

连接件的材质主要包含2种，分别是6082-T6和S.S316，根据相关的资料，得到材料参数[2]，见表3。

表3 连接件的材料参数

2 连接件强度校核

2.1 有限元模型建立

依据连接件的几何结构、材料和载荷工况，进行甲板连接结构的分析计算，建立包括甲板梁、连接件以及螺栓的整体模型。采用8节点六面体线性缩减积分单元C3D8R对计算模型进行有限元网格划分，并进行网格稳定和敏感性测试。最终划分的有限元模型网格数量为6.7万，节点数量7.8万，如图2所示。

图2 甲板连接件的有限元模型

2.2 连接件强度校核计算结果

连接件结构在3个方向作用下，产生错动滑移，引起螺栓应力集中，并在接触面处造成挤压，连接件的应力结果见图3、图4、图5。

图3 连接件的总体应力结果

图4 连接件上部结构的应力结果

图5 连接件下部结构的应力结果

计算得到连接件结构最大应力，上部结构应力为149 MPa，下部结构应力为146 MPa。

根据《铝合金结构设计规范》，连接件的安全系数采用1.25，其许用应力为[σ]=σs/1.25=220 MPa，σs为材料屈服强度。计算结果表明，连接件结构在3个方向载荷作用下，最大应力低于材料的规范许用应力，连接件的结构强度满足要求。

3 连接件疲劳校核

本节主要对甲板连接件在交变载荷作用下的疲劳寿命进行分析计算，校核连接件的疲劳寿命是否满足设计要求。

3.1 有限元模型建立

有限元模型的建立，如图6所示。本节主要考虑结构在3个方向交变加速度作用下，甲板连接件的疲劳寿命。交变加速度分别为：ax=0.676 m/s2，ay=1.049 m/s2，az=1.617 m/s2。甲板的振动周期为9～12 s，后续疲劳计算以10 s为准。采用8节点六面体线性缩减积分单元C3D8R对计算模型进行有限元网格划分，网格数量为14.5万，节点数量18.2万。

图6 整体几何模型

3.2 计算条件

1)S-N曲线。软件既有材料Al_Alloy_UML_UTS200，其屈服强度和极限强度与6082-T6基本接近，在目前缺少试验数据的情况下，采用Al_Alloy_UML_UTS200对连接件结构进行疲劳寿命计算[3]。

2)加速度谱(如图7所示)。

图7 加速度谱

甲板结构在3个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，构造常幅值载荷作为输入条件，不考虑波形对疲劳的影响。

3.3 连接件疲劳损伤计算结果

在前述模型基础上，约束工字梁处位移，在3个方向分别施加单位载荷，对3个方向的有限元计算结果分别施加对应载荷谱进行计算，并利用相对Miner线性疲劳损伤的方法确定疲劳损伤结果。

计算得到的损伤为：上部损伤为3.795e-9，即可以达到振动次数2.635e8次，使用时间83.6年。下部损伤为6.133e-9，即可以达到振动次数1.631e8次，使用时间51.7年。

疲劳寿命计算结果表明，连接件结构在给定的载荷作用下可以达到设计使用年限。

4 结束语

直升机甲板连接件作为固定直升机甲板的重要部件，它的可靠性和安全性影响着整个甲板的正常使用。本文经过直接计算分析，得出了连接件的结构强度和疲劳寿命满足相关规范要求的结论。本文的分析结果为以后甲板连接点的结构优化设计研究，以及直升机甲板结构的降本增效具有不可替代的借鉴作用。

[1] 杨坤荣. FPSO的直升机平台设计及建造研究[D]. 广州：华南理工大学, 2015.

[2] 徐晗. 铝合金螺栓连接节点性能研究[D]. 上海：同济大学, 2012.

[3] 李静斌. 铝合金结构连接静力强度的理论和试验研究[D]. 上海：同济大学, 2006.

少些尘土 再现碧蓝天空

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，辽宁锦州人，工程师，大学本科，主要从事船舶与海洋工程技术工作。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.014

2017-03-10