直升機(jī)甲板連接件強度校核及疲勞分析

梁 晶，梁姝婷，萬 莉，李甲旺，白 杰

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

直升機(jī)甲板連接件強度校核及疲勞分析

梁 晶，梁姝婷，萬 莉，李甲旺，白 杰

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

船舶和海洋平臺所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜，直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)的可靠性引起了越來越多研究人員的重視。為了安全起見，直升機(jī)甲板除了整體結(jié)構(gòu)需要滿足規(guī)范要求外，局部結(jié)構(gòu)也需深入分析研究。甲板連接件作為連接甲板和支撐框架的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響著直升機(jī)平臺的安全。因此，針對這一問題，文章分析了連接件結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命。

直升機(jī)甲板；連接件；結(jié)構(gòu)強度；疲勞壽命

大型船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)為了滿足任務(wù)和工作的需要，一般都建有直升機(jī)甲板。直升機(jī)甲板除了承受自身重力等靜力載荷外，還承受著風(fēng)載荷、冰雪載荷、慣性載荷、著陸載荷等動態(tài)載荷[1]。因此，直升機(jī)甲板除了整體結(jié)構(gòu)需要滿足規(guī)范要求外，局部結(jié)構(gòu)也需深入分析研究。近年來，直升機(jī)甲板的局部結(jié)構(gòu)問題引起了越來越多科研工作人員的重視。目前國內(nèi)外比較常用的甲板連接件如圖1所示。

直升機(jī)甲板連接件作為連接甲板和支撐框架的主要構(gòu)件，它的安全性和可靠性直接關(guān)系著整體結(jié)構(gòu)的使用壽命。本文依托30萬t深水FPSO生活模塊系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目，采用直接計算法對甲板的連接件的強度和疲勞壽命進(jìn)行分析，驗證了連接件的安全性和可靠性。

1 設(shè)計要求

1.1 設(shè)計指標(biāo)

1)在對直升機(jī)甲板的整體結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行校核的過程中，得到了連接件的載荷條件。在此載荷條件下，連接件的計算應(yīng)力不應(yīng)超過材料的規(guī)范許用應(yīng)力。

2)在實際工作狀態(tài)下，直升機(jī)甲板處在長期的交變載荷作用下，因此有必要對連接件進(jìn)行疲勞壽命分析，連接件需滿足25年的使用壽命。

1.2 設(shè)計參數(shù)

連接件的受力參數(shù)和加速度參數(shù)見表1～表2。

表1 連接件的受力參數(shù)

表2 連接件的加速度參數(shù)

連接件的材質(zhì)主要包含2種，分別是6082-T6和S.S316，根據(jù)相關(guān)的資料，得到材料參數(shù)[2]，見表3。

表3 連接件的材料參數(shù)

2 連接件強度校核

2.1 有限元模型建立

依據(jù)連接件的幾何結(jié)構(gòu)、材料和載荷工況，進(jìn)行甲板連接結(jié)構(gòu)的分析計算，建立包括甲板梁、連接件以及螺栓的整體模型。采用8節(jié)點六面體線性縮減積分單元C3D8R對計算模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格穩(wěn)定和敏感性測試。最終劃分的有限元模型網(wǎng)格數(shù)量為6.7萬，節(jié)點數(shù)量7.8萬，如圖2所示。

圖2 甲板連接件的有限元模型

2.2 連接件強度校核計算結(jié)果

連接件結(jié)構(gòu)在3個方向作用下，產(chǎn)生錯動滑移，引起螺栓應(yīng)力集中，并在接觸面處造成擠壓，連接件的應(yīng)力結(jié)果見圖3、圖4、圖5。

圖3 連接件的總體應(yīng)力結(jié)果

圖4 連接件上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果

圖5 連接件下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果

計算得到連接件結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力為149 MPa，下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力為146 MPa。

根據(jù)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，連接件的安全系數(shù)采用1.25，其許用應(yīng)力為[σ]=σs/1.25=220 MPa，σs為材料屈服強度。計算結(jié)果表明，連接件結(jié)構(gòu)在3個方向載荷作用下，最大應(yīng)力低于材料的規(guī)范許用應(yīng)力，連接件的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

3 連接件疲勞校核

本節(jié)主要對甲板連接件在交變載荷作用下的疲勞壽命進(jìn)行分析計算，校核連接件的疲勞壽命是否滿足設(shè)計要求。

3.1 有限元模型建立

有限元模型的建立，如圖6所示。本節(jié)主要考慮結(jié)構(gòu)在3個方向交變加速度作用下，甲板連接件的疲勞壽命。交變加速度分別為：ax=0.676 m/s2，ay=1.049 m/s2，az=1.617 m/s2。甲板的振動周期為9～12 s，后續(xù)疲勞計算以10 s為準(zhǔn)。采用8節(jié)點六面體線性縮減積分單元C3D8R對計算模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為14.5萬，節(jié)點數(shù)量18.2萬。

圖6 整體幾何模型

3.2 計算條件

1)S-N曲線。軟件既有材料Al_Alloy_UML_UTS200，其屈服強度和極限強度與6082-T6基本接近，在目前缺少試驗數(shù)據(jù)的情況下，采用Al_Alloy_UML_UTS200對連接件結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命計算[3]。

2)加速度譜(如圖7所示)。

圖7 加速度譜

甲板結(jié)構(gòu)在3個方向上的加速度最大值：ax=0.676 m/s2，ay=1.049 m/s2，az=1.617 m/s2，構(gòu)造常幅值載荷作為輸入條件，不考慮波形對疲勞的影響。

3.3 連接件疲勞損傷計算結(jié)果

在前述模型基礎(chǔ)上，約束工字梁處位移，在3個方向分別施加單位載荷，對3個方向的有限元計算結(jié)果分別施加對應(yīng)載荷譜進(jìn)行計算，并利用相對Miner線性疲勞損傷的方法確定疲勞損傷結(jié)果。

計算得到的損傷為：上部損傷為3.795e-9，即可以達(dá)到振動次數(shù)2.635e8次，使用時間83.6年。下部損傷為6.133e-9，即可以達(dá)到振動次數(shù)1.631e8次，使用時間51.7年。

疲勞壽命計算結(jié)果表明，連接件結(jié)構(gòu)在給定的載荷作用下可以達(dá)到設(shè)計使用年限。

4 結(jié)束語

直升機(jī)甲板連接件作為固定直升機(jī)甲板的重要部件，它的可靠性和安全性影響著整個甲板的正常使用。本文經(jīng)過直接計算分析，得出了連接件的結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命滿足相關(guān)規(guī)范要求的結(jié)論。本文的分析結(jié)果為以后甲板連接點的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，以及直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)的降本增效具有不可替代的借鑒作用。

[1] 楊坤榮. FPSO的直升機(jī)平臺設(shè)計及建造研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2015.

[2] 徐晗. 鋁合金螺栓連接節(jié)點性能研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué), 2012.

[3] 李靜斌. 鋁合金結(jié)構(gòu)連接靜力強度的理論和試驗研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué), 2006.

少些塵土 再現(xiàn)碧藍(lán)天空

The marine environment for the ship and offshore platform is very complex,and the reliability of the helicopter deck structure has attacted more and more researchers' attention.In addition to the overall structural strength of the deck,it is necessary to study the local structure in detail.The connection is an integral part of the helicopter deck,and the reliability of the connection directly affects the safety of the structure.Therefore,in view of this problem,this paper analyzes the structural strength and fatigue life of the connection.

helicopter deck;connection;structural strength;fatigue life

梁晶(1981-)，女，遼寧錦州人，工程師，大學(xué)本科，主要從事船舶與海洋工程技術(shù)工作。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.014

2017-03-10