直升机平台结构设计规范比较

詹 蓉1， 雷雨雨， 甘 露

(1中国船舶及海洋工程设计研究院, 上海 200011； 2.上海船舶工艺研究所, 上海 200023)

0 引 言

直升机具有优良的机动性能，在船舶与海洋领域得到广泛应用，直升机平台成为舰船及海工装备等海上结构物的重要组成部分。直升机平台主要供直升机起飞、降落、停机或调运、系留，其结构强度对整个舰面系统的安全性十分重要。各船级社规范、规则对直升机平台结构设计都有明确的要求，一些规范、规则还给出了直升机平台结构设计的经验公式。本文主要通过力学理论计算分析及算例比较，对部分船级社中直升机平台结构设计要求进行差异分析和总结。

1 规范、规则概述

目前,各国船级社规范、规则对直升机平台结构设计的载荷及校核方法均有明确规定。

对于与主船体甲板连续的直升机平台，通常涉及的相关规范、规则主要有：

(1) 钢质海船入级规范(CCS)；

(2) 舰船直升机舰面系统通用要求(GJB)；

(3) 海军舰船入级规范规则(LR)。

对于海洋工程独立式直升机平台，常用的相关规范、规则主要有：

(1) CAP437海上直升机着陆区标准指南(英国民用航空局)；

(2) 海上移动平台入级与建造规范(CCS)；

(3) 移动式近海钻井装置建造和入级规则(ABS)；

(4) 海上标准DNV GL-OS-E401直升机甲板(DNV-GL)；

(5) 钢质海船入级规范(BV)。

2 规范计算对比

各主要规范、规则中，部分规范明确给出甲板板及骨材的规范计算公式。简要对比情况如表1所示。对于甲板板架，由于涉及复杂梁系计算，理论计算的解法过于复杂，简化成经验公式有一定难度，因此各船级社规范一般要求以直接计算确定甲板板架尺寸，本文不作比较。

表1 各船级社规范对比简况

2.1 对直升机甲板板的规范要求比较

2.1.1 直升机甲板板格受力情况的力学原理分析

如图1[6]所示，假设甲板板格四周自由支持，其中轮印均布载荷为p，a和b分别表示平行于板格长边l和短边s的轮印尺寸。

图1 直升机轮印载荷分布示例

只考虑板的弹性小挠度变形，不考虑塑性变形，根据理论计算推导，直升机甲板板厚t的计算公式[7]为

(1)

式中：f为系数，按弹性小挠度板理论计算取值，且取决于板的边界条件、板的边长比(l/s)和轮载位置等；s为板的短边，即骨材间距，m；p为轮印均布载荷，kN/m2；tk为腐蚀裕量，mm；k为材料系数。

2.1.2 各船级社规范对甲板板的规范要求分析

根据各船级社规范，对直升机甲板板的规范要求进行汇总，如表2所示。

表2 各船级社规范对直升机甲板板的要求

从表2可知，各船级社对直升机甲板板的规范计算要求的公式形式与第2.2.1节中理论公式的形式基本一致，公式中的各基本要素大致相同，只是对一些参数的定义有所不同，系数和腐蚀裕量的取值也存在一定差异。不同规范要求的差异比较如表3所示。

表3 各船级社规范对直升机甲板板要求的差异比较

图2 甲板骨材受力示例

2.2 对甲板骨材的规范要求比较

2.2.1 甲板骨材受力情况力学原理分析

利用初参数法求解甲板骨材在单个跨距内只有一个均匀轮载Q时的骨材弯矩，进而求解得到骨材所需剖面模数[6]。

如图2所示,假定甲板骨材端部为自由支持，当单个跨距内只有一个轮载Q时，轮压为p1，l1为骨材跨距，a1为平行于骨材方向的轮印尺寸，b1为垂直于骨材方向的轮印尺寸，即Q=p1a1b1[6]。

当c=d时，骨材的剖面模数计算公式[8]为

(2)

若甲板骨材端部为刚性固定，则上述骨材的剖面模数计算公式[8]为

(3)

式(2)和(3)中：l1为骨材跨距，m；a1为平行于板格长边的轮印尺寸，m；σ为许用应力，N/mm2。

2.2.2 各船级社规范对甲板骨材的规范要求情况

由于直升机甲板载况相对比较复杂，大部分船级社规范均未给出骨材的规范计算公式，均要求采用直接计算的方法(梁系或有限元)求得骨材尺寸。

目前LR舰船规范(第4部分第3章第2节)[3]给出的规范计算公式对普通骨材的最小剖面模数Z要求为

当e≤l时，

(4)

当e>l时，

(5)

式(4)和式(5)中：l为骨材跨距，m；s为骨材间距，m；e为平行于骨材的轮印载荷尺寸，m；kw为侧向载荷系数；Ftys为作用点载荷，kN；Ptyw为自重载荷，kN；Ftym为露天甲板载荷，kN/m2；fσ为结构设计系数；σσ为材料许用屈服应力，N/mm2。

BV规范(B部分第8章第11节)[4]给出了规范计算公式，骨材最小剖面模数W根据式(6)得到：

(6)

式中：l为骨材跨距，m；P0为轮印载荷，kN；m对于轮着陆取6；σx1,Wh为船体梁应力，对于独立式直升机甲板取0；γm为材料强度分项因数，取1.02；γR为阻力分项因数，应急着陆工况取1；Ry为材料许用屈服应力，N/mm2。

从安全角度，假定轮印载荷为点载荷形式，则可将LR和BV规范公式进行简化，基本要素采用一致的符号表示，结果如表4所示。

表4 甲板骨材规范简化公式比较

由表4可以看出，在载荷一定的情况下，规范计算公式相对理论计算公式有一定差异，规范计算结果介于简支和刚固边界条件的理论计算结果之间。由于不同船级社载况不同，两者计算值大小仍视具体情况而定。

3 规范计算实例比较分析

为了更直观地了解各规范在实际计算中要求的比较情况，假定飞机的最大起飞质量为13 t，轮印为0.3 m×0.2 m，选取不同的骨材间距和跨距，材料采用屈服强度为235 N/mm2的普通钢，不考虑参与总纵强度的因素，按各规范公式要求进行计算，根据决定构件尺寸最大载况的计算结果如表5和表6所示。

表5 甲板板最小板厚规范计算结果汇总

表6 甲板骨材规范计算结果汇总

结合第2节理论公式与规范公式的比较，对上述表5、表6的计算结果分析如下：

(1) 在一般情况下，各船级社规范计算结果显示板格宽度对板厚影响较大，其中对于BV规范，板格宽度对板厚取值几乎没有影响。根据理论计算结果，板厚与板格宽度呈线性关系，但BV规范计算公式仅有系数CWL与板格宽度相关，且影响因素很小，似有不合理。

(2) 从表5看出，在CCS/LR/DNV-GL规范中，在相同板格宽度下板格长度几乎不影响板厚尺寸。结合表2、表3可以发现：在CCS规范中，l/s>2.5时，取l/s=2.5，而直升机甲板结构设计时又较少出现l/s<2.5的情况，因此实例中板格长宽比对计算结果无影响；LR、DNV-GL规范公式均无板格长度的要素，按照理论计算情况应与l/s有一定关联，似有不合理。

(3) DNV-GL规范无紧急着陆工况，表5计算的板厚是各规范中最小的；CCS规范无紧急着陆工况，但表5计算的板厚要求最大。这跟不同规范体系的理念差别有一定关系，但不应忽视紧急着陆工况。

(4) 根据表5，加密骨材能够显著的减小甲板板厚，但表6表明，加密骨材并不能减小骨材尺寸，因此在设计时两者之间需要优化选择，寻找最优设计。

4 结 语

各主要船级社对直升机甲板的规范要求存在差异，对于最小板厚要求而言，虽然各家船级社公式理论原理基本一致，但是计算结果差异较大。部分规范经验公式在计算工况和影响因素上考虑似乎有不合理之处。在直升机甲板结构设计时，应结合入级规范特点选择适应该规范的设计方案，可以优化结构设计。

此外，对于直升机平台结构设计，现各船级社规范均要求通过有限元直接计算确定，都提供了明确的载荷、载况和应力衡准，因此规范经验公式的计算结果通常作为有限元建模的初始输入。从文中比较可以看到，公式计算得到的初始设计板厚和骨材差异较大，从结构优化设计的角度，规范计算对最小板厚和骨材尺寸的要求若存在局限性或过于保守，会限制结构优化设计空间。