海上移动平台直升机甲板圆管支撑结构安全评估

摘" 要： 圆管支撑结构是海上移动式平台直升机甲板设计的重要部分，由于海上恶劣的风浪环境，使结构整体受风载荷的影响较大.现有直升机甲板圆管支撑结构的安全评估内容主要集中于圆管的静强度分析，缺乏风振响应分析，文中以海洋石油163平台直升机甲板为例，研究圆管支撑结构的静力和动力载荷输入，通过有限元强度分析和理论经验公式计算对比静力、风载荷作用下直升机甲板圆管支撑结构的受力情况，考虑风振涡激效应的准静态分析，在此基础上提出了直升机甲板圆管支撑结构的安全评估方法，探究了风载荷对结构整体安全的影响.

关键词： 圆管支撑结构；风载荷；应力分析；强度评估；涡激振动

中图分类号：TU312+1；U674.38+1""" 文献标志码：A""""" 文章编号：1673-4807（2024）01-007-06

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.01.002

收稿日期： 2022-06-27""" 修回日期： 2021-04-29

基金项目： 国家自然科学基金青年项目（52001144）

作者简介： 王庆丰（1976—），男，教授，研究方向为船舶与海洋结构物设计.E-mail：wang76910@163.com

引文格式： 王庆丰，洪旺，诸俊楷，等.海上移动平台直升机甲板圆管支撑结构安全评估［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2024，38（1）：7-12.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.01.002.

Safety assessment of helicopter deck tube support structuresfor offshore mobile platforms

WANG Qingfeng1， HONG Wang1， ZHU Junkai2， BAI Jian3

（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100）

（2. Zhenjiang Branch， Beijing Digital Yizhi Technology Development Co. Ltd.， Zhenjiang 212100， China）

（3.Drilling Technology Research Institute of Shengli Petroleum Co. Ltd. ， Dongying 257000）

Abstract：The pipe support structure is an important part of the deck design of offshore mobile platform helicopters. Due to the harsh sea environment， the overall structure is greatly affected by wind load. The safety assessment of the existing helicopter deck circular tube support structure mainly focuses on the static strength analysis of the circular tube， and lacks the wind-induced vibration response analysis. In this paper， the helicopter deck of offshore oil 163 platform is taken as an example to study the static and dynamic load input of the circular tube support structure. The force conditions of the circular tube support structure of the helicopter deck under static and wind loads are calculated and compared through the finite element strength analysis and the theoretical empirical formula. The quasi-static analysis considering the wind-induced vortex excitation effect is carried out. On this basis， the safety assessment method of the circular tube support structure of the helicopter deck is proposed， and the influence of wind load on the overall safety of the structure is explored.

Key words：tube support structure， wind load， stress analysis， strength evaluation， vortex induced vibration

海洋平台在作业过程中，有时所经历的风浪环境十分恶劣，结构整体受风载荷影响较大.圆管支撑结构中长细比较大的杆件作为甲板中的薄弱环节在风浪及自重的作用下会发生横向涡激振动［1］，且风载荷在平台受到的外载荷中占很大比例，对平台和海洋环境造成了极大的影响［2］，因此在安全评估阶段，风荷载对结构的作用应予以充分考虑.文献［3］总结了海洋平台及其加强结构强度校核时需要考虑的载荷包括结构自重、甲板载荷和环境风载荷.基于风载荷对钢制结构的影响，文献［4］研究了风荷载作用下的悬挑脚手架力学性能与稳定性，得出了不同风荷载下最优的钢结构设计方案.基于风振响应，通过对高空钢结构风振响应的计算得出钢结构在高风速下会出现较强的侧风涡共振［5］.在平台设计规范方面，常用的有中国船级社（CCS）、美国船级社（ABS）、与挪威船级社（DNV）规范.文献［2］对比了不同规范下风载荷的计算差异，得出各规范在典型工况下的计算差值最大为20%.文献［6］将上述规范进行了实例计算对比，总结了各个规范的差异和部分计算公式的局限性.文中以海洋石油163平台为研究对象通过有限元仿真和理论公式计算结合的方式，探究了静力与施加风载荷状态下的圆管支撑结构应力数值，并进行了风振涡激的准静态计算，并在此基础上开展考虑风振效应的直升机甲板圆管支撑结构安全评估方法研究.

1" 直升机甲板圆管支撑结构概述

海洋石油163平台在艏部布置直升机甲板与上层建筑，其中直升机甲板采用混合骨架式结构，并且由分布在甲板中心线两侧的主桁架支撑，各主桁架的上下桁架分别与上层建筑和主船体甲板相连.直升机甲板圆管支撑结构示意如图1.

直升机甲板作业工况主要分为甲板均布载荷工况、直升机着陆碰撞工况和直升机存放工况.CCS规范中［7］对直升机甲板强度提供了明确的载荷、工况和应力标准，其中存放工况下直升机甲板的垂直与水平惯性力较大，同时环境载荷所需考虑的情况对比于其他两种工况更为恶劣，选择在存放工况下研究风载荷与平台自身载荷对支撑结构的联合作用影响.

2" 圆管支撑结构强度理论及数值模拟方法

2.1" 强度校核标准

在分析直升机甲板支撑杆件强度时，对比其在不同载荷作用下圆管结构的弯矩、剪力与抗弯抗压UC值.根据CCS规范［7］，对于同时承受轴向压缩和弯曲组合作用的圆管杆件，屈曲强度校核为其最关键的校核因素，计算应力应满足公式要求.

当σa［σa］≤0.15时，UC值表达式为：

σa［σa］+σby2［σby］2+σbz2［σbz］2≤1.0（1）

当σa［σa］≥0.15时，UC值表达式为：

σa［σa］+Cmyσby（1－σaσ′ey）［σby］2+Cmzσbz（1－σaσ′ez）［σbz］2≤1.0（2）

式中：σa为轴向应力；［σa］为轴向临界应力；Cmy，Cmz，为y轴、z轴的修正系数；σby，σbz为杆件关于横截面y轴和z轴的计算弯曲应力；［σby］，［σbz］为杆件关于横截面y轴和z轴的许用弯曲拉伸应力；σ′ey，σ′ez为由安全系数划分构件x向和y向的欧拉应力.文中依据上述规范中圆管结构抗压、抗弯理论公式，基于Ansys软件与excel表格 编写了提取杆件UC值程序，用于圆管形立柱，输出结果包括，圆管杆件编号、长度、轴向应力、弯曲应力、UC值.

2.2" 静力风载荷

风载荷对结构的作用包括顺风向平均风载荷和脉动风载荷，以及涡旋脱落导致的横向脉动风载荷，其中脉动风的风速和风向随时间、空间变化，有明显的紊乱性和随机性，且周期较短，性质相当于动力作用.文中选取平均风载荷进行分析，平均风载荷的风速、风向，不随着时间变化而变化，并且周期较长，本质相当于静力作用［8］.因此选取平均风载荷，便于和静力分析结果进行对比.

根据实际情况取海拔10 m风速70 kn为存放工况下平台作业的风速.实验测试表明，在非标准条件下风速风压换算，风速沿高度呈现指数函数变化［9］，即：

v（z）vs=zzsα（3）

vs=vpzzsα（4）

式中：v（z）为海平面高度z处的风速；zs为圆管结构参考高度，对应实际的高度为10 m；vs为zs处风速；α为指数，α的理论值取0.13，根据上式，可算出不同高度位置的理论风速.

当风以一定的速度向前运动遇到阻断时，将对阻塞物产生压力［10］，即风压，风压P为［6］：

P=0.613×10－3V2（5）

式中：V为设计风速.作用于杆件上的风作用力为：

F=ChCsSP（6）

式中：Ch为受风杆件的高度系数，圆管杆件整体高度处于15～30 m，故取值1.2；Cs为受风杆件形状系数，杆件为圆柱形故取值0.5；S为受风杆件的正投影面积；P为受风杆件受到风压，kPa.直升机甲板结构所受风载荷均匀作用于圆管支撑结构受风桁架上，算得风作用力F后可以直接将风载荷转化为静力施加于杆件，计算出风载荷作用下杆件的强度变化.

2.3" 风激振动安全评估准则

当风经过各种断面形状的管状结构时，在其断面背后都有可能发生旋涡的交替脱落，产生交替变化的涡激振力而引起的结构振动称为涡激振动.本文在平台存放工况下取海拔10 m风速70 kn作为环境载荷，相比平台实际作业风速已有一定余量，故文中不考虑沿着风向的脉动载荷，只考虑横向涡激振动.进行风激振动安全评估时，需要确定各圆管的尺寸及长度信息，在强度计算后方可对圆管支撑结构各杆件进行风激振动校核［11］.根据DNV［12］规范，校核方法为计算衰减风速Vr，当衰减风速小于4.7 m/s时，杆件通过横向激振校核，Vr计算公式为：

Vr=uFvD（7）

式中：u为杆件工作高度的风速；Fv为杆件的自振频率；D为杆件直径.根据规范［9］，圆管支撑杆件自振频率Fv与两端约束系数C的关系式，公式如下：

Fv=C2πEIWL4（8）

式中：C为杆件的约束系数；E为弹性模量；I为杆件惯性矩；W为杆件长度系数；L为杆件长度.其中约束系数C参考DNV［12］规范中的标准数值，在杆件两端固定的情况下，取标准值为22.4.在风激振动校核后，如果存在不满足风激振动安全评估准则的圆管结构，需要选出不满足的杆件对风激动力载荷进行进一步的研究.

2.4" 模态分析

模态分析结果与结构自身的刚度和质量有关［13］，因此模态计算的准确与否的关键在于刚度与质量的定义，结构模态微分方程可表示为：

（K-ω2M）{i}=0（9）

式中：K为结构的刚度矩阵；M为结构质量矩阵；ω为固有圆周频率；{i}为结构在以i阶固有频率振动时所具有的振型.对式（9）进行求解可得到ωi，即i阶固有圆周频率，公式为：

fi=ωi2π（10）

模态分析得到fi，描述所计算结构的固有频率.

2.5" 动态载荷分析

在稳定性分析过程中，平台动力方法因子是评价动态效应的一个重要指标，用其说明动态响应相对于静态响应的强弱程度.一般来说，结构风振响应分析主要有两种方法［4］频域法和时域法.其中时域法是直接将风载荷时程作用于结构上，可以分析结构的非线性动力问题.本文采用时域法与准静态法相结合的方法来考虑风激振动力.

准静态法通常考虑放大效应［14］，具体分为两个步骤：① 建立分析结构模型，进行动态载荷分析；② 将动载荷和环境产生的外部载荷带入有限元模型，分析模型的安全性.

在第2个步骤中用静力代替了环境产生的动态载荷，因此该分析过程称为准静态分析，采用单自由度计算，动力放大因子为：

DAF=1（1－Ω2）2+2δΩ）2（11）

式中：Ω为圆管结构固有周期Tn与风载荷周期T的比值；δ为系统阻尼比，是结构动力学中应用最为广泛的阻尼形式，通常取值0.01～0.05.算取动力放大因子后，第2步进行惯性载荷的计算，计算公式为：

Fi=（DAF－1）×（Fmax－Fmin）×0.5（12）

式中：Fi为施加于圆管重心并与风载荷垂直的风激振动力：Fmax为最大风激动力载荷（或为结构横向最大剪力）；Fmin为最小风激动力载荷（或为结构横向向最小剪力），带入风激振动力于模型重心计算.

3" 有限元计算分析

3.1" ANSYS有限元计算分析

直升机甲板支撑结构选用3种不同尺寸的圆管杆件，尺寸分别为168×7、219×8和323.9×11，属于API无缝钢管中X52低碳钢级，该材料最小屈服强度为359 MPa，弹性模量E=2.06×105 MPa.

将直升机甲板及其支撑杆件简化为板、梁、杆组合结构，在ANSYS软件中，定义船长方向为x轴，船宽方向为y轴，利用shell181单元模拟板材，beam188单元模拟梁、骨材、撑管，将直升机甲板边缘及斜撑端部简化为铰支约束，直升机甲板三维有限元模型及边界约束如图2、3.

3.2" 静力计算结果

施加甲板均布载荷0.5 kN/m2，将直升机与龙须吊钩重量转化为0.238 kN/m2均布于甲板与圆管支撑结构端部，根据规范［6］在存放工况下，直升机与平台结构由于运动和倾斜产生的静动载荷，水平惯性力可取存放的直升机和平台结构自重相应载荷的0.5倍，考虑平台自身受到船宽方向的0.5倍自重惯性力.通过静力计算，在直升机存放工况下，其应力与变形如图4.

圆管支撑结构于第二层斜撑处产生最大应力为33.0 MPa；最大变形位移为6.29 mm，发生于斜撑顶端与甲板交界处.表1列出的是存放工况下杆件的最大应力与位移分布数值.采用文中所提理论及数值模拟方法，所得部分杆件校核结果如表2.

3.3" 风载荷作用下结构强度校核结果

提取存放工况下圆管支撑结构相应节点的反作用力，并将其作为边界约束条件带入SACS.将计算所得风载荷作用力，详见表3，在SACS软件中对圆管杆件施加，进行风载荷分析.计算结果如图5.圆管支撑杆件风激振动校核结果如表4.

当衰减风速小于4.7 m/s时杆件通过横向激振，从校核结果可以看出在强度满足要求的情况下，仍然存在不满足风激振动校核要求的圆管结构.

3.4" 模态分析结果

文中重点研究各杆的横向振动，而非整体桁架模态与风振的耦合效应，所以选取横向激振不通过的两根杆件进行动模态分析，并定义两根杆件上的节点为模态分析的主节点，确定主节点后保留其平动自由度，忽略其转动自由度.图6为模态分析结果.

对照校核表格，发现一阶模态结果3与结果9的分析频率与表格中平台自振频率一致.

圆管支撑结构承受风载荷作用，并在圆管支撑结构上产生横向的力与力矩，既要考虑平台自身的载荷，还要考虑环境载荷所带来的外部载荷.当产生自振时，结构很可能会造成破坏，平台动力放大系数不能忽视.

3.5" 风激等效激振力计算结果

载入横向激振不通过的2、5号杆件于Star-CCM中进行CFD三维模拟计算，网格计算模型如图7.

进行CFD计算时输入风速值为平台存放工况下海拔10 m风速70 kn，且设置为恒定风速.考虑平台受到y方向的水平惯性力以及平台在y方向的建筑遮蔽率低对风速影响较小，选取y轴正方向为输入风速方向.计算所得圆管剪力时程曲线如图8.

由结构横向剪力时程曲线可以得出，圆管杆件在受到风作用力的一瞬间剪力起伏较大，此时杆件所受的风激等效激振力最大，随着CFD仿真时间增加，计算结果达到稳态.本结构属于中高频率运动故δ系统阻尼比取值0.02，圆管的固有周期利用SACS的模态分析求得为分别为0.026、0.052 s.Fmax与Fmin值由CFD计算结果得出分别为88.810、-121.658 N；246.054、-140.734 N.Fmax与Fmin风载荷作用周期T分别为0.03、0.05 s.动力放大因子DAF由公式算得分别为3.98、10.92.风激等效激振力Fi最终算得分别为312.9、1 914.56 N与Fmax一同施加于2号、5号杆件及与2号、5号杆件平行的杆件，作用位置为杆件重心，方向竖直向下.结算结果如图9.3种不同载荷下圆管杆件所受应力数值对比如表5.

4" 结论

（1） 在直升机甲板存放工况下的圆管支撑结构变形相对较小，圆管的Von Mises应力远小于许用值，且大部分杆件抗压抗弯UC值均小于0.1，说明平台自身惯性力对结构应力有一定的影响，但仍需考虑静压风载荷与风振惯性力的耦合作用，从直升机甲板工作环境角度，应当考虑实际作用地点环境载荷对圆管支撑结构的影响.

（2） 在存放工况的基础上带入横向风载荷作用力后，典型杆件的弯曲应力提升明显，轴向应力较静力分析结果也有小幅度增加，UC值增加明显提升至0.15以上.

（3） 在同时考虑了存放工况载荷、静力风载荷与风激等效激振力后，典型杆件的弯曲应力较前两次计算结果大幅提升，UC值提升至0.45以上，综合UC值均小于1.0表明考虑了风激等效激振力作用后的结构应力仍小于规范要求的许用值，原结构设计方案有一定的安全裕度.文中给出的安全评估方法可供考虑风振效应的实际工程参考.

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（责任编辑：贡洪殿）