中大型公务船直升机甲板结构设计

宋扬

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

直升机具有适应性强、操作便利等特点，在各类型公务船上得到广泛应用，有效提升了公务船的探查、补给、救援和转运能力。直升机甲板主要供直升机起飞、降落、停机或调运、系留，直升机在恶劣海况下着陆时对直升机甲板的冲击载荷较大，其结构的安全性是设计直升机甲板时应重点考虑的因素之一。

该文以某大型公务船为例，探究中大型公务船直升机甲板布置和结构设计要点。

1 直升机甲板布置

中大型公务船外形威武雄壮，船中处一般布置有大型上层建筑，其纵向重心偏首，如将直升机甲板布置在船首位置，会使船舶首倾更加明显；虽然可以通过增加尾部压载来调整浮态，但会增加整船重量，影响船舶的经济性和续航力。另一方面，直升机甲板布置在首部增加了驾驶室的盲区范围，直升机在船首降落对驾驶室的视线会产生较大干扰，不利于船舶的安全行驶。

因此，更推荐将艏楼甲板向尾部延伸并布置为直升机甲板以供直升机起飞、降落，其有以下几个方面的优势：

（1）改善中大型公务船的首倾现象，对船体的浮态和稳性有一定益处；

（2）艏楼甲板向尾延伸可以增加尾部区域的总纵强度和船体刚度，改善尾部船体结构振动响应，提高船体舒适性；

（3）相比于主甲板，将艏楼甲板设置为直升机甲板可以减轻尾部上浪对直升机起降时的影响，减弱海水对相关船体结构和设备的腐蚀效应，减少船舶日常保养工作量并提高设备的使用寿命，同时对尾部系泊和带缆作业的影响也可以降至最低；

（4）将尾部艏楼甲板设置为直升机甲板时，着陆冲击载荷以及甲板骨材、桁材的弯曲许用应力值无需考虑额外的安全系数，有利于减轻船体结构重量。

2 直升机甲板结构设计

该船直升机甲板划分为露天起降区和机库系留区，其结构设计思路有所差异。

2.1 露天起降区

该区域将承受直升机降落时的垂直冲击载荷，多家船级社对直升机甲板降落区的最小板厚和甲板骨材最小剖面模数有明确规定，詹蓉[2]等通过理论计算和对比多家船级社相关规定后发现：

一般情况下板格宽度对板厚影响较大，板厚与板格宽度呈线性关系，板格宽度越小，板厚也越小；在相同板格宽度下，板格长度对甲板板厚的影响很小；加密骨材能够显著减小甲板板厚，但并不能减小骨材尺寸。

因此，首先应根据露天强力甲板的相关要求对起降区进行结构设计，再对直升机着陆范围内的甲板板进行加厚处理，满足规范的最小板厚要求，并对着陆范围内的纵骨做加密处理，中间纵骨尺寸不得减小，考虑到施工空间的要求，将骨材间距取为325mm，其甲板平面如图1 所示。

图1 露天起降区甲板平面示意图

2.2 机库系留区

该区域主要承受直升机固定时的系留载荷，相对起降区其承力较小，同时机库属于遮蔽区域，其甲板板厚可适当减小，但必须满足最小板厚和最小剖面模数的要求，另外需考虑直升机从露天起降区移动到机库的路径，在其路径范围内做加密纵骨设计。

3 直升机甲板结构直接计算强度评估

对于直升机甲板结构，各船级社均要求进行直接计算，接下来依据中国船级社《钢制海船入级规范》相关规定进行强度评估，此次仅选取更危险的露天起降区工况进行评估，机库系留区强度评估可参考露天起降区进行。

3.1 直升机主要参数

该船配备的直升机最大起飞重量为13t，后两轮间距4.3m，后轮与前轮间距6.57m，每个轮印尺寸为370mmX182mm，直升机系留索具破断载荷67.5kN。

3.2 露天起降区强度校核

3.2.1 计算工况

（1）甲板均布载荷工况（LC1）：整个甲板区域上覆盖2 kN/m2的均布载荷。

（2）直升机着陆冲击工况：①直升飞机正常降落时的垂直冲击载荷；②考虑雪或其它环境所施加的0.5kN/m2的均布载荷；③直升机甲板结构自重。选取四种不利的直升飞机着地位置（跨度大的强梁、纵桁、纵骨上以及两纵骨中间），分四种子工况（LC21、LC22、LC23、LC24）进行计算。

（3）直升机露天系留工况（LC3）：①承受最大起飞重量的轮印载荷；②考虑雪或其它环境所施加的0.5kN/m2的均布载荷；③直升机甲板结构自重；④直升机和直升机甲板结构由于船舶运动而产生的惯性力,水平惯性力和垂直惯性力取为直升机和直升机甲板结构自重相应载荷的0.5 倍；⑤直升机系留索具破断载荷。

3.2.2 有限元模型

选取露天起降区直升机甲板结构作为研究对象，运用MSC 的PATRAN/NASTRAN 通用软件进行有限元分析评估。模型纵向范围为FR-8 强框架至FR32 强框架，横向范围为整个直升机甲板，垂向范围从直升机甲板延伸到下一层主甲板。甲板采用板单元，强横梁腹板、纵桁腹板采用板单元，纵骨、强横梁面板、纵桁面板、支柱采用梁单元，单元大小为纵骨间距，并作适当细化。舷侧及尾部下支撑采用刚固的边界条件，甲板前端及支柱下端采用简支的边界条件，其有限元模型如图2 所示。

图2 露天起降区直升机甲板结构有限元模型

3.2.3 计算载荷

3.2.3.1 着陆轮印载荷

根据规范，直升机降落时通过其主轮组作用在甲板板上的垂直冲击载荷为1.5 倍最大起飞重量（假定后轮同时着地），两个后轮轮印上的压力如公式1 所示。

式中：P—直升机最大起飞重量，t；

S—直升机着陆时的单个轮印面积，mm2。

3.2.3.2 系留轮印载荷

直升机系留时轮印共同承受其最大起飞重量，每个轮印上的压力如公式2 所示。

式中：P—直升机最大起飞重量，t；

S—直升机着陆时的单个轮印面积，mm2。

3.2.4 强度衡准

该船直升机甲板区域全部使用普通钢，其屈服强度为235MPa，根据《钢制海船入级规范》，直升机甲板结构的许用弯曲应力衡准如表1 所列，许用剪切应力衡准如表2 所列。

表1 许用弯曲应力衡准

表2 许用剪切应力衡准

3.2.5 计算结果

通过有限元分析，可得到各工况下起降区直升机甲板结构的最大弯曲应力和最大剪切水平，其计算结果如表3 所列。

表3 露天起降区有限元计算结果

由表3 可知，露天起降区船体结构在各工况下的最大弯曲应力和最大剪切应力均小于许用应力，满足规范要求，最大弯曲应力和剪切应力出现在甲板纵骨处。

4 结论

通过对某大型公务船直升机甲板布置和结构设计进行分析研究，可得出以下结论：

（1）针对其船型特点，中大型公务船更适合在尾部布置直升机甲板，对船舶稳性、浮态、经济性和操纵性都更有利；

（2）在保证施工空间的基础上，采用加密骨材的方式可以有效减少直升机甲板的板厚，但必须满足规范最小板厚的要求，另外从有限元评估结果来看骨材的剖面模数和剪切面积是设计人员重点关注的船体构件。