深海直升机平台强度分析

肖敬发

应用研究

深海直升机平台强度分析

肖敬发

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 200082）

以某海上直升式钻井平台为例，对直升机平台结构进行有限元分析，分别对直升机正常降落工况，受恶劣环境影响下偏向降落工况，直升机着陆冲击工况及直升机系留工况下的直升机平台结构强度，变形及重要节点的疲劳进行了分析，整个计算采用Femap & NX.Nastran软件生成有限元模型模拟工作情况并进行有效分析，分析结果显示直升机平台和支撑结构的安全性及承受能力非常优越。

直升机平台 自升式钻井平台 强度 有限元分析

0 引言

随着海洋开发的越来越广泛，作业范围也在不断的扩大，作业环境也是越来越恶劣。自升式钻井平台在开采海上资源上占有非常重要的位置，自升式钻井平台不但有开采海洋资源的钻井设备，同时还布置有平台上人员的工作区及生活区。由于自升式钻井平台长期在海洋上工作，因此也设有供钻井平台上人员物资补给，救援以及逃生的直升机平台，自升式钻井平台上除了钻井工作区外，就是人员生活区。而钻井工作区是非常危险的区域，因此，直升机平台的布置需要考虑安全性外，还需考虑直升机平台合理性。

由于钻井平台的特殊性，因此，直升机平台通常会设置在平台的一端与生活区连接在一起，使得平台上的人员不管是救援还是逃生都非常的方便。根据要求，本文直升机平台搭载的是大型直升机，较传统的直升机平台有许多优化的设计。下面将以某自升式海洋钻井平台上的超大型直升机平台作为实例，详细说明承载超大型直升机的直升机平台强度分析过程及改进后的强度变化，优化后的直升机平台是否满足要求，为后续该类自升式钻井平台上的直升机平台提供参考。

1 直升机平台的说明及设计

自升式钻井平台上的直升机平台是按照搭载SIKORSKY S92直升机来进形设计。SIKORSKY S92直升机的最大起飞重量为12.834吨，总长度为20.88米，总高为5.47米，轴距为6.2米，轮距为3.18米，主旋翼直径为17.17米。为了满足SIKORSKY S92直升机的起降要求，该直升机平台的甲板面为正八面钢质结构，甲板结构形式为纵骨架式。由于直升机平台长宽都很大，整个直升机平台底下的支撑采用了桁架式结构。考虑到直升机平台的高度很高、直升机平台底下支撑都为钢管结构、而钢管支撑的跨度太大、直升机平台的稳定性以及平台自身重量等因素，因此，在直升机平台与上层建筑的中间增设了由大型工字梁组成的一个“门”型结构。在“门”型结构中间采用工字梁进行“X”型加固，除了起到减小底下斜向支撑的跨距，还能够保证整个直升机平台的稳定性，也使得整个直升机平台的强度更好。直升机平台底下的斜向支撑钢管与上层建筑连接处也采用加大加厚型的高强度钢板作为支撑件与上层建筑进行线性连接，使支撑结构背面加强更简单，更方便，更有效，详情见图1。

图1 直升机平台及上层建筑完整模型

2 直升机平台设计载荷及设计工况

根据直升式钻井平台所在的区域及工作性质，按照相关的规定要求，整个直升式钻井平台主要受到的载荷有风力载荷，基本载荷以及直升机上升与降落时的冲击载荷。

2.1 风力载荷

根据钻井平台工作所在的环境，整个直升机平台的设计，风力荷载应根据ABS MODU规范3.1.3/1.3[2]要求（最新版本）计算，风速每秒43.4米，风压计算如下：

P = f×V×C×C

式中：常系数，取0.611；风速取43.3 m/s；C高度系数；C形状系数

直升飞机在静止水面以上的高度为 40 m，高度系数C取1.2，直升机平台单独的结构形状，比如梁；形状系数C取 1.5，根据上述风压计算公式，设计风压取2071 N/m2。

对于直升机及支撑结构侧边的投影面面积为154 m2，前区以投影面面积的60%作为有效面积。

A=1540.6=92.4 m2

A=1600.6=96.0 m2

风力：F=P×A=207192.4=191.36 kN

F=P×=2071×96.0=198.81 kN

直升机的形状系数：Cs=1

其中计算了直升机在降落时每个车轮的水平分量和直升机降落时由于受风时的倾覆力矩的垂直分量。直升机的其中一个轮子将固定，另一个轮子将释放。

式中：侧面积AL=46.7 m2，正面面积AF=17.3 m2。

同时也考虑到直升机位于直升机平台上方2米的侧面重心位置，以及两个轮子之间的距离为3.18米(正面)至8.20米(侧面)，垂直力的计算公式如下：

表1：轮子上的风力

2.2 基本载荷

根据CAP437[3]的基本载荷要求，基本载荷包括直升机平台的自身重量，甲板上的设备重量，其它专业的重量，直升机最大起飞重量，正常着陆冲击载荷，紧急着陆冲击载荷，横向载荷，风载荷，总附加载荷等，其中直升机平台自身的结构重量取自于模型重量，甲板设备重量及其它专业重量取自于统计重量，整个直升机平台的总重量为160.30吨，直升机最大起飞重量为12.834吨(MTOW)，正常着陆冲击载荷为1.5 MTOW，紧急着陆冲击载荷2.5 MTOW，横向载荷为0.5 MTOW，风载荷为43.4 m/s，总附加荷载为0.5 kN/m2，均匀分布置于直升机平台上面。

2.3 冲击载荷

由于海上情况复杂，考虑到直升机着陆位置的随机性和支撑结构的相似性，在紧急着陆条件下选取了7个典型位置，在正常着陆和装载条件下选取了1个典型位置（见图2）。

这架直升机装备有三个着陆装置。在装载条件下，所有着陆装置着陆。但是，在着陆条件下保守的考虑，垂直力和水平力需要用两个节点分别表示两个后着陆装置。

根据CAP437[3]，正常着陆冲击载荷应为1.5，紧急着陆冲击载荷应为2.5。在正常着陆和紧急着陆情况下，应给予额外的响应系数1.3。同时施加0.5xMTOW（最大起飞重量）的横向荷载。

2.4 设计工况

2.4.1 基本工况

根据CAP437[3]的要求，直升机平台的基本载荷工况可以分为7种，每种工况的详情都将汇总到表2中，详见表2。

表2 基本载荷工况

2.4.2 组合工况

图2 随机着陆位置

根据表2中的基本载荷可以组合成18种组合工况，分别为正常着陆组合工况，紧急着陆工况，直升机存放组合工况。其中正常着陆组合工况根据着陆的方向不同可以组合为2种组合工况；紧急着陆工况根据紧急着陆的位置，方向的不同，可以组合成14种组合工况；存放组合工况，根据直升机存放的方向不同，可以组合成2种组合工况。

3 构件安全系数

根据MODU规范 3.2.2/3.3[2]要求，组合荷载下各构件都具有相应的安全系数，根据直升机平台及组成部份，所有安全系数汇总如表3。

表3 组合荷载安全系数

4 分析结果

自升式钻井平台上的直升机平台分析是由Femap & NX.Nastran软件生成有限元模型并进行计算处理完成。该平台均采用高强度钢制成，其中直升机平台甲板板、直升机甲板梁及直升机平台支撑结构板都是采用AH36的高强度钢制作，许用应力为355 MPa；而直升机平台支撑管结构均采用ABS-X52高强度钢管制作，许用应力为359 MPa，与直升面平台连接的上层建筑由ABS-A级钢板制用，许用应力为235 MPa。

直升机平台在进行分析时，钢材的弹性模量取2.05×105N/mm2，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3。在对直升机平台的这18种组合工况进行分析中发现，直升机平台甲板最大屈服应力出现在紧急着陆 (Y方向 pos1)组合工况下，平台甲板最大屈服应力达到220 MPa；直升机平台梁的最大复合应力出现在紧急着陆(Y方向 pos4，pos5)组合工况下，平台梁的最大复合应力为312 MPa；直升机平台支撑梁的最大复合应力出现在紧急着陆 (X方向 pos5)组合工况下，平台支撑梁的最大屈服应力为196 MPa；直升机平台管支撑最大复合应力出现在紧急着陆(X方向 pos1，pos6)组合工况下，平台管支撑最大复合应力为98 MPa；与直升机平台支撑连接的上层建筑板材最大的屈服应力出现在紧急着陆 (Y方向 pos6)组合工况下，上层建筑板材最大的屈服应力为179 MPa。

根据结果显示，本文中的直升机平台的优化设计满足相关规定的设计要求，各构件均有一定的安全余量。

5 结论

本文通过有限元三维模型分析法，对自升式钻井平台上的直升面平台做了全面的分析，对受力的状况有了全面的了解，分析结果显示：

1）直升机平台可以通过增加桁架的数量，减小桁架截面尺寸等方法来减重量以及提高结构的强度，同时也能够使力有效的分散，避免力的集中；

2）直升机平台的甲板板及直升机平台梁的分析结果来看，直升机紧急降落时的组合工况下直升机冲击载荷在(Y方向 pos1)位置与(Y方向 pos4，pos5)位置时，直升机冲击载荷对结构影响最大；

3）直升机平台的支撑管结构与上层建筑连接处的节点尤其重点关注，连接处结构和支撑结构的支撑管节点是否满足冲剪要求。

综上所述，本文中的直升机平台的优化设计计算结果，对该类的自升式钻井平台的直升机平台的设计具有一定的参考价值。

[1] ABS. Rules for building and classing offshore installations 2018: ABS 82-2018[S]. Houston: American Bureau of Shipping, 2018.

[2] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units 2018:ABS 6 CORR-2018[S]. Houston: American Bureau of Shipping, 2018.

[3] Safety Regulation Group. Standards for offshore helicopter landing areas: CAP 437[M]. Gatwick: Civil Aviation Authority, 2016.

[4] ABS. Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structures 2018:ABS 126 NOTICE 3-2018[S]. Houston: American Bureau of Shipping, 2018.

[5] Safety Regulation Group. CAP 437: standards for offshore helicopter landing areas[M]. Gatwick: Civil Aviation Authority, 2008.

[6] 唐静静, 范钦珊. 工程力学(静力学和材料力学)[M]. 第3版. 北京: 高等教育出版社, 2017.

Strength analysis of deep-sea helideck

Xiao Jingfa

(Jiangnan Shipyard Group Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

U674

A

1003-4862（2023）09-0014-04

2023-04-10

肖敬发（1983-），男，本科，中级工程师，主要从事船舶结构及舾装设计。 E-mail: xiao7099@126.com