詹 蓉1, 雷雨雨, 甘 露
(1中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院, 上海 200011; 2.上海船舶工藝研究所, 上海 200023)
直升機具有優(yōu)良的機動性能,在船舶與海洋領(lǐng)域得到廣泛應用,直升機平臺成為艦船及海工裝備等海上結(jié)構(gòu)物的重要組成部分。直升機平臺主要供直升機起飛、降落、停機或調(diào)運、系留,其結(jié)構(gòu)強度對整個艦面系統(tǒng)的安全性十分重要。各船級社規(guī)范、規(guī)則對直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計都有明確的要求,一些規(guī)范、規(guī)則還給出了直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗公式。本文主要通過力學理論計算分析及算例比較,對部分船級社中直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計要求進行差異分析和總結(jié)。
目前,各國船級社規(guī)范、規(guī)則對直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的載荷及校核方法均有明確規(guī)定。
對于與主船體甲板連續(xù)的直升機平臺,通常涉及的相關(guān)規(guī)范、規(guī)則主要有:
(1) 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(CCS);
(2) 艦船直升機艦面系統(tǒng)通用要求(GJB);
(3) 海軍艦船入級規(guī)范規(guī)則(LR)。
對于海洋工程獨立式直升機平臺,常用的相關(guān)規(guī)范、規(guī)則主要有:
(1) CAP437海上直升機著陸區(qū)標準指南(英國民用航空局);
(2) 海上移動平臺入級與建造規(guī)范(CCS);
(3) 移動式近海鉆井裝置建造和入級規(guī)則(ABS);
(4) 海上標準DNV GL-OS-E401直升機甲板(DNV-GL);
(5) 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(BV)。
各主要規(guī)范、規(guī)則中,部分規(guī)范明確給出甲板板及骨材的規(guī)范計算公式。簡要對比情況如表1所示。對于甲板板架,由于涉及復雜梁系計算,理論計算的解法過于復雜,簡化成經(jīng)驗公式有一定難度,因此各船級社規(guī)范一般要求以直接計算確定甲板板架尺寸,本文不作比較。
表1 各船級社規(guī)范對比簡況
2.1.1 直升機甲板板格受力情況的力學原理分析
如圖1[6]所示,假設(shè)甲板板格四周自由支持,其中輪印均布載荷為p,a和b分別表示平行于板格長邊l和短邊s的輪印尺寸。
圖1 直升機輪印載荷分布示例
只考慮板的彈性小撓度變形,不考慮塑性變形,根據(jù)理論計算推導,直升機甲板板厚t的計算公式[7]為
(1)
式中:f為系數(shù),按彈性小撓度板理論計算取值,且取決于板的邊界條件、板的邊長比(l/s)和輪載位置等;s為板的短邊,即骨材間距,m;p為輪印均布載荷,kN/m2;tk為腐蝕裕量,mm;k為材料系數(shù)。
2.1.2 各船級社規(guī)范對甲板板的規(guī)范要求分析
根據(jù)各船級社規(guī)范,對直升機甲板板的規(guī)范要求進行匯總,如表2所示。
表2 各船級社規(guī)范對直升機甲板板的要求
從表2可知,各船級社對直升機甲板板的規(guī)范計算要求的公式形式與第2.2.1節(jié)中理論公式的形式基本一致,公式中的各基本要素大致相同,只是對一些參數(shù)的定義有所不同,系數(shù)和腐蝕裕量的取值也存在一定差異。不同規(guī)范要求的差異比較如表3所示。
表3 各船級社規(guī)范對直升機甲板板要求的差異比較
圖2 甲板骨材受力示例
2.2.1 甲板骨材受力情況力學原理分析
利用初參數(shù)法求解甲板骨材在單個跨距內(nèi)只有一個均勻輪載Q時的骨材彎矩,進而求解得到骨材所需剖面模數(shù)[6]。
如圖2所示,假定甲板骨材端部為自由支持,當單個跨距內(nèi)只有一個輪載Q時,輪壓為p1,l1為骨材跨距,a1為平行于骨材方向的輪印尺寸,b1為垂直于骨材方向的輪印尺寸,即Q=p1a1b1[6]。
當c=d時,骨材的剖面模數(shù)計算公式[8]為
(2)
若甲板骨材端部為剛性固定,則上述骨材的剖面模數(shù)計算公式[8]為
(3)
式(2)和(3)中:l1為骨材跨距,m;a1為平行于板格長邊的輪印尺寸,m;σ為許用應力,N/mm2。
2.2.2 各船級社規(guī)范對甲板骨材的規(guī)范要求情況
由于直升機甲板載況相對比較復雜,大部分船級社規(guī)范均未給出骨材的規(guī)范計算公式,均要求采用直接計算的方法(梁系或有限元)求得骨材尺寸。
目前LR艦船規(guī)范(第4部分第3章第2節(jié))[3]給出的規(guī)范計算公式對普通骨材的最小剖面模數(shù)Z要求為
當e≤l時,
(4)
當e>l時,
(5)
式(4)和式(5)中:l為骨材跨距,m;s為骨材間距,m;e為平行于骨材的輪印載荷尺寸,m;kw為側(cè)向載荷系數(shù);Ftys為作用點載荷,kN;Ptyw為自重載荷,kN;Ftym為露天甲板載荷,kN/m2;fσ為結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù);σσ為材料許用屈服應力,N/mm2。
BV規(guī)范(B部分第8章第11節(jié))[4]給出了規(guī)范計算公式,骨材最小剖面模數(shù)W根據(jù)式(6)得到:
(6)
式中:l為骨材跨距,m;P0為輪印載荷,kN;m對于輪著陸取6;σx1,Wh為船體梁應力,對于獨立式直升機甲板取0;γm為材料強度分項因數(shù),取1.02;γR為阻力分項因數(shù),應急著陸工況取1;Ry為材料許用屈服應力,N/mm2。
從安全角度,假定輪印載荷為點載荷形式,則可將LR和BV規(guī)范公式進行簡化,基本要素采用一致的符號表示,結(jié)果如表4所示。
表4 甲板骨材規(guī)范簡化公式比較
由表4可以看出,在載荷一定的情況下,規(guī)范計算公式相對理論計算公式有一定差異,規(guī)范計算結(jié)果介于簡支和剛固邊界條件的理論計算結(jié)果之間。由于不同船級社載況不同,兩者計算值大小仍視具體情況而定。
為了更直觀地了解各規(guī)范在實際計算中要求的比較情況,假定飛機的最大起飛質(zhì)量為13 t,輪印為0.3 m×0.2 m,選取不同的骨材間距和跨距,材料采用屈服強度為235 N/mm2的普通鋼,不考慮參與總縱強度的因素,按各規(guī)范公式要求進行計算,根據(jù)決定構(gòu)件尺寸最大載況的計算結(jié)果如表5和表6所示。
表5 甲板板最小板厚規(guī)范計算結(jié)果匯總
表6 甲板骨材規(guī)范計算結(jié)果匯總
結(jié)合第2節(jié)理論公式與規(guī)范公式的比較,對上述表5、表6的計算結(jié)果分析如下:
(1) 在一般情況下,各船級社規(guī)范計算結(jié)果顯示板格寬度對板厚影響較大,其中對于BV規(guī)范,板格寬度對板厚取值幾乎沒有影響。根據(jù)理論計算結(jié)果,板厚與板格寬度呈線性關(guān)系,但BV規(guī)范計算公式僅有系數(shù)CWL與板格寬度相關(guān),且影響因素很小,似有不合理。
(2) 從表5看出,在CCS/LR/DNV-GL規(guī)范中,在相同板格寬度下板格長度幾乎不影響板厚尺寸。結(jié)合表2、表3可以發(fā)現(xiàn):在CCS規(guī)范中,l/s>2.5時,取l/s=2.5,而直升機甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計時又較少出現(xiàn)l/s<2.5的情況,因此實例中板格長寬比對計算結(jié)果無影響;LR、DNV-GL規(guī)范公式均無板格長度的要素,按照理論計算情況應與l/s有一定關(guān)聯(lián),似有不合理。
(3) DNV-GL規(guī)范無緊急著陸工況,表5計算的板厚是各規(guī)范中最小的;CCS規(guī)范無緊急著陸工況,但表5計算的板厚要求最大。這跟不同規(guī)范體系的理念差別有一定關(guān)系,但不應忽視緊急著陸工況。
(4) 根據(jù)表5,加密骨材能夠顯著的減小甲板板厚,但表6表明,加密骨材并不能減小骨材尺寸,因此在設(shè)計時兩者之間需要優(yōu)化選擇,尋找最優(yōu)設(shè)計。
各主要船級社對直升機甲板的規(guī)范要求存在差異,對于最小板厚要求而言,雖然各家船級社公式理論原理基本一致,但是計算結(jié)果差異較大。部分規(guī)范經(jīng)驗公式在計算工況和影響因素上考慮似乎有不合理之處。在直升機甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應結(jié)合入級規(guī)范特點選擇適應該規(guī)范的設(shè)計方案,可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。
此外,對于直升機平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計,現(xiàn)各船級社規(guī)范均要求通過有限元直接計算確定,都提供了明確的載荷、載況和應力衡準,因此規(guī)范經(jīng)驗公式的計算結(jié)果通常作為有限元建模的初始輸入。從文中比較可以看到,公式計算得到的初始設(shè)計板厚和骨材差異較大,從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的角度,規(guī)范計算對最小板厚和骨材尺寸的要求若存在局限性或過于保守,會限制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計空間。