冲击载荷下海洋石油平台直升机场结构安全性计算分析

(中海油安全技术服务有限公司，天津 300450)

针对直升机场在直升机紧急着陆工况下结构分析，已有的研究普遍采用在直升机自重载荷的基础上考虑冲击系数来进行静力分析[1-5]。这样虽然使动力载荷的计算得到了简化，但不能获取直升机场结构的动态响应。为了分析直升机场结构在冲击载荷作用下的结构承载能力，以F导管架平台直升机场为例，采用ABAQUS有限元软件计算其在紧急着陆工况下的静态及动态响应；在分析直升机场自振特征的基础上，探讨其在动载荷作用下的共振风险，以期为海洋石油直升机场结构服役过程中的安全评估及结构改造提供参考。

1 静力分析

1.1 直升机场结构模型

F平台为固定式导管架中心处理平台，直升机场位于生活楼顶，标高距海平面49 m。该直升机场是由支撑桁架、主次梁及直升机甲板组合而成的空间结构。直升机场结构通过支撑杆件端部与平台生活楼固定连接，因此建模时将直升机场和生活楼的连接处施加固支约束。直升机甲板与梁固定连接，建模时对直升机甲板与梁建立绑定约束。在满足有限元计算精度的基础上，建模时忽略部分甲板次梁及其他附属结构。梁及支撑桁架采用B31梁单元，直升机场甲板采用S4R壳单元。直升机场三维模型见图1。

图1 直升机场三维模型

直升机场为钢结构，各部件材料力学参数见表1。

表1 直升机场材料力学参数

以0.1 m尺寸种子划分有限元网格，模型共计划分34 479个节点，5 288个梁单元，28 914个壳单元。

1.2 载荷分析

针对海洋石油直升机场的设计及计算，不同标准及规范对紧急着陆工况下的冲击系数有不同要求[6-11]，详细冲击系数见表2。

表2 不同标准规定的直升机紧急着陆工况下冲击系数

可见，CAP437中对冲击载荷系数要求最高，此外该标准考虑的载荷工况组合更加全面，因此该直升机场紧急着陆工况下冲击载荷强度校核采用CAP437要求的冲击系数。

1.2.1 载荷值计算

依据CAP437，直升机紧急着陆工况下冲击载荷工况主要包含以下载荷：①结构自重；②均布载荷：0.5 kN/m2；③直升机紧急着陆工况垂向载荷：2.5×1.3×最大起飞质量×9.8 m/s2；④直升机紧急着陆工况水平载荷：0.5×最大起飞质量×9.8 m/s2；⑤风载荷。

F=f×v2×Cs×Ch×A

式中：f=0.611；v为设计风速，m/s，在紧急着陆时，按照36 m/s速度计算风载荷；Cs为受风构件形状系数；Ch为受风构件高度系数；A为受风构件投影面积，m2。

设计使用Sikorsky S76型直升机，参数见表3。

表3 Sikorsky S76型直升机参数

计算得到直升机紧急着陆时载荷见表4。

表4 紧急着陆工况载荷计算值

1.2.2 载荷施加方式

直升机场在服役期间，直升机在直升机场的着陆位置大多集中在一定区域内，因此选取直升机常见着陆位置(见图2)进行计算分析。

图2 直升机典型着陆位置示意

该型号直升机有3个降落机轮，在直升机着陆过程中，两组后机轮会先接触到甲板。因此施加载荷时采用如下方式：①在对直升机机轮加载时，将由直升机产生的着陆垂向冲击力及水平冲击力均分在后轮两点处作为集中载荷施加在模型上；②对直升机甲板施加均布压力500 Pa；③对整个模型施加重力载荷；④将风载以集中载荷的方式施加在相应节点处，与水平冲击力同向以保证最不利组合。

1.3 结构校核分析

对模型施加载荷后提交计算。直升机场在紧急着陆工况冲击载荷作用下应力云图见图3，位移云图见图4。

图3 紧急着陆工况下应力云图

图4 紧急着陆工况下位移云图

图3表明紧急着陆工况下直升机场应力最大值为74.36 MPa，发生在着陆机轮处主梁上，标准[11]规定静态载荷作用下结构安全系数为1.67，该处许用应力值188.62 MPa，故满足强度要求；此外直升机甲板纵向支撑杆件应力较大，但均满足强度要求。 直升机场位移最大值为15.58 mm，发生在直升机平台最前端。由于该直升机场是一端约束一端自由的近似悬臂梁结构，支撑结构与生活楼连接处应力值也较大，因此，在直升机场服役过程中，除了要关注直升机着陆位置的结构强度，直升机场支撑结构与生活楼连接处强度同样不容忽视。

2 自振特征分析

2.1 模态分析

利用Frequency分析步对直升机场结构进行模态分析[12]，计算得到直升机场前30阶振动固有频率和振型。由于对振动起主导作用的只是前面的几阶模态，在此提取直升机场前8阶的振型及固有频率。前8阶振型见图5。

图5 直升机场前8阶振型

通过图5可以看出直升机场的振动特点为：第1阶振型直升机场主要表现为整体向Z轴方向振动；第2阶振型直升机场主要表现为整体沿甲板对角线偏转；第3阶振型直升机场主要表现为以直升机场甲板与生活楼连接处为轴整体的向上偏转；第4阶振型到第8阶振型主要表现为直升机场甲板局部上下波动。

2.2 共振响应分析

直升机平台在海上服役期间常年受到多种环境载荷及直升机起降载荷影响。如果这些动载荷的频率与直升机场的固有频率过于接近，将会引起共振现象，严重的会引起直升机场及石油平台倒塌。直升机场结构前8阶自振频率见表5。该海域涉及常见的环境载荷主要为风、浪载荷，其频率远小于直升机场结构自振频率[13-14]，因此由环境载荷产生共振现象可能性较小。但直升机在起降过程振动源包括旋翼转速，发动机振动及其他传动系统振动，是一个复杂的振动系统。且直升机在直升机场上存在着陆、不停车系留及起飞等多种工况，这需要准确掌握配套直升机的振动特点并辅以直升机场振动监测才能合理避免直升机振动产生的直升机场共振现象。

表5 直升机场前8阶模态频率

3 冲击载荷瞬态动力学分析

3.1 瞬态冲击载荷

要进行直升机场结构瞬态响应分析[15]，关键是要确定直升机紧急着陆工况下冲击载荷时程曲线。而冲击载荷受直升机旋翼拉力、降落速度及起落架缓冲效率等多种因素影响，因此在计算紧急着陆工况下冲击载荷时做出如下假设[16-17]。

结合表4紧急着陆工况载荷计算值，垂直冲击载荷以169.03 kN作用时间0.2 s，并在0.4 s后稳定成为自重载荷52.01 kN；水平冲击载荷以26.00 kN作用时间0.2 s，并在0.4 s后随着直升机停稳后减小到0 kN。以直升机轮胎接触甲板时刻作为起始时间，载荷作用时间持续2 s，简化后的冲击载荷历程曲线见图6。

图6 直升机紧急着陆工况下冲击载荷历程曲线

3.2 瞬态冲击响应

模型采用Modal dynamic分析步。模态分析结果表明，直升机场前8阶最高阶频率7.824 4 Hz，相应的周期为0.127 8 s。瞬时模态分析步中的时间增量要小于0.127 8 s，同时为了提高计算精度，综合考虑选定时间增量为0.02 s，分析步长等于载荷持续时间2 s。阻尼依据工程经验采用恒定值3%。以图2所示直升机着陆位置施加垂直冲击载荷及水平冲击载荷，其他载荷施加值及施加方式与静力分析时相同。

通过查看直升机场动态分析各增量步的应力云图，可以找到载荷作用期间峰值应力。

图7 动态分析应力云图

由图7可见：峰值应力发生在靠近机轮着陆位置的纵向支撑节点处，应力值为72.96 MPa，标准[18]要求动力载荷作用下许用应力比基本许用应力增加1/3(应力修正系数1.33)，该处动载作用下许用应力值为105.80 MPa，满足强度要求。由于动态分析时应力是随着载荷幅值曲线变化而变化的，因此，在分析时选取峰值应力处绘制该处应力历程曲线。图8显示此处峰值应力发生在0.12 s，之后时间应力值在短时间内进行多次波动，而后随着直升机载荷稳定而逐渐稳定在在小范围内。

图8 峰值应力处应力历程曲线

直升机场动态响应最大位移29.94 mm,见图9，与静力分析最大位移位置相近。动态分析考虑了结构的惯性作用，峰值位移相对于静力分析的结果偏大。由于垂向位移是主要的位移分量，选取发生最大位移点绘制垂向位移历程曲线，见图10。

图9 动态分析位移云图

图10 最大变形处竖向位移历程曲线

由图10可见，垂向峰值位移值26.83 mm，随着时间推移位移值逐渐衰减，最后趋于稳定在15 mm左右，与静力分析时位移值接近。峰值位移发生在直升机着陆后的0.12 s，同样也是峰值应力出现的时刻，说明直升机着陆瞬间的结构状态最为不利，需要重点关注。

4 结论

1)冲击载荷作用下静力分析表明，直升机场结构满足强度要求。结构受力最大部位在直升机后机轮着陆位置，纵向支撑桁架及支撑结构与生活楼连接处应力水平较高。在直升机场服役过程中，除了关注直升机着陆位置的结构强度，直升机场与生活楼连接处亦是需要重点关注部位。

2)通过模态分析得到直升机场结构前8阶振型及自振频率，可知该海域常见风、浪载荷频率远离直升机场结构自振频率，环境载荷产生共振现象可能性较小。但服役期间要评估直升机振动频率，加强直升机起降过程中振动监测，避免由于直升机振动产生共振现象。

3)对直升机场在冲击载荷作用下进行了瞬态动力学分析，得到了峰值应力及最大位移的时间历程曲线。结果显示，在动载作用下直升机场结构应力及变形呈现波动特征。在直升机起降时除了关注着陆瞬间的结构响应外，同样需考虑关键节点的疲劳损伤。建议对直升机场结构受力最大部位交变应力进行实时监测，防止结构发生疲劳破坏。