(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450)

針對(duì)直升機(jī)場(chǎng)在直升機(jī)緊急著陸工況下結(jié)構(gòu)分析，已有的研究普遍采用在直升機(jī)自重載荷的基礎(chǔ)上考慮沖擊系數(shù)來(lái)進(jìn)行靜力分析[1-5]。這樣雖然使動(dòng)力載荷的計(jì)算得到了簡(jiǎn)化，但不能獲取直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了分析直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)承載能力，以F導(dǎo)管架平臺(tái)直升機(jī)場(chǎng)為例，采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算其在緊急著陸工況下的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)；在分析直升機(jī)場(chǎng)自振特征的基礎(chǔ)上，探討其在動(dòng)載荷作用下的共振風(fēng)險(xiǎn)，以期為海洋石油直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中的安全評(píng)估及結(jié)構(gòu)改造提供參考。

1 靜力分析

1.1 直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型

F平臺(tái)為固定式導(dǎo)管架中心處理平臺(tái)，直升機(jī)場(chǎng)位于生活樓頂，標(biāo)高距海平面49 m。該直升機(jī)場(chǎng)是由支撐桁架、主次梁及直升機(jī)甲板組合而成的空間結(jié)構(gòu)。直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)通過(guò)支撐桿件端部與平臺(tái)生活樓固定連接，因此建模時(shí)將直升機(jī)場(chǎng)和生活樓的連接處施加固支約束。直升機(jī)甲板與梁固定連接，建模時(shí)對(duì)直升機(jī)甲板與梁建立綁定約束。在滿(mǎn)足有限元計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，建模時(shí)忽略部分甲板次梁及其他附屬結(jié)構(gòu)。梁及支撐桁架采用B31梁?jiǎn)卧鄙龣C(jī)場(chǎng)甲板采用S4R殼單元。直升機(jī)場(chǎng)三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 直升機(jī)場(chǎng)三維模型

直升機(jī)場(chǎng)為鋼結(jié)構(gòu)，各部件材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 直升機(jī)場(chǎng)材料力學(xué)參數(shù)

以0.1 m尺寸種子劃分有限元網(wǎng)格，模型共計(jì)劃分34 479個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 288個(gè)梁?jiǎn)卧?8 914個(gè)殼單元。

1.2 載荷分析

針對(duì)海洋石油直升機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算，不同標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)緊急著陸工況下的沖擊系數(shù)有不同要求[6-11]，詳細(xì)沖擊系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直升機(jī)緊急著陸工況下沖擊系數(shù)

可見(jiàn)，CAP437中對(duì)沖擊載荷系數(shù)要求最高，此外該標(biāo)準(zhǔn)考慮的載荷工況組合更加全面，因此該直升機(jī)場(chǎng)緊急著陸工況下沖擊載荷強(qiáng)度校核采用CAP437要求的沖擊系數(shù)。

1.2.1 載荷值計(jì)算

依據(jù)CAP437，直升機(jī)緊急著陸工況下沖擊載荷工況主要包含以下載荷：①結(jié)構(gòu)自重；②均布載荷：0.5 kN/m2；③直升機(jī)緊急著陸工況垂向載荷：2.5×1.3×最大起飛質(zhì)量×9.8 m/s2；④直升機(jī)緊急著陸工況水平載荷：0.5×最大起飛質(zhì)量×9.8 m/s2；⑤風(fēng)載荷。

F=f×v2×Cs×Ch×A

式中：f=0.611；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s，在緊急著陸時(shí)，按照36 m/s速度計(jì)算風(fēng)載荷；Cs為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)；Ch為受風(fēng)構(gòu)件高度系數(shù)；A為受風(fēng)構(gòu)件投影面積，m2。

設(shè)計(jì)使用Sikorsky S76型直升機(jī)，參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 Sikorsky S76型直升機(jī)參數(shù)

計(jì)算得到直升機(jī)緊急著陸時(shí)載荷見(jiàn)表4。

表4 緊急著陸工況載荷計(jì)算值

1.2.2 載荷施加方式

直升機(jī)場(chǎng)在服役期間，直升機(jī)在直升機(jī)場(chǎng)的著陸位置大多集中在一定區(qū)域內(nèi)，因此選取直升機(jī)常見(jiàn)著陸位置(見(jiàn)圖2)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 直升機(jī)典型著陸位置示意

該型號(hào)直升機(jī)有3個(gè)降落機(jī)輪，在直升機(jī)著陸過(guò)程中，兩組后機(jī)輪會(huì)先接觸到甲板。因此施加載荷時(shí)采用如下方式：①在對(duì)直升機(jī)機(jī)輪加載時(shí)，將由直升機(jī)產(chǎn)生的著陸垂向沖擊力及水平?jīng)_擊力均分在后輪兩點(diǎn)處作為集中載荷施加在模型上；②對(duì)直升機(jī)甲板施加均布?jí)毫?00 Pa；③對(duì)整個(gè)模型施加重力載荷；④將風(fēng)載以集中載荷的方式施加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處，與水平?jīng)_擊力同向以保證最不利組合。

1.3 結(jié)構(gòu)校核分析

對(duì)模型施加載荷后提交計(jì)算。直升機(jī)場(chǎng)在緊急著陸工況沖擊載荷作用下應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3，位移云圖見(jiàn)圖4。

圖3 緊急著陸工況下應(yīng)力云圖

圖4 緊急著陸工況下位移云圖

圖3表明緊急著陸工況下直升機(jī)場(chǎng)應(yīng)力最大值為74.36 MPa，發(fā)生在著陸機(jī)輪處主梁上，標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定靜態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.67，該處許用應(yīng)力值188.62 MPa，故滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；此外直升機(jī)甲板縱向支撐桿件應(yīng)力較大，但均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 直升機(jī)場(chǎng)位移最大值為15.58 mm，發(fā)生在直升機(jī)平臺(tái)最前端。由于該直升機(jī)場(chǎng)是一端約束一端自由的近似懸臂梁結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)與生活樓連接處應(yīng)力值也較大，因此，在直升機(jī)場(chǎng)服役過(guò)程中，除了要關(guān)注直升機(jī)著陸位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，直升機(jī)場(chǎng)支撐結(jié)構(gòu)與生活樓連接處強(qiáng)度同樣不容忽視。

2 自振特征分析

2.1 模態(tài)分析

利用Frequency分析步對(duì)直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析[12]，計(jì)算得到直升機(jī)場(chǎng)前30階振動(dòng)固有頻率和振型。由于對(duì)振動(dòng)起主導(dǎo)作用的只是前面的幾階模態(tài)，在此提取直升機(jī)場(chǎng)前8階的振型及固有頻率。前8階振型見(jiàn)圖5。

圖5 直升機(jī)場(chǎng)前8階振型

通過(guò)圖5可以看出直升機(jī)場(chǎng)的振動(dòng)特點(diǎn)為：第1階振型直升機(jī)場(chǎng)主要表現(xiàn)為整體向Z軸方向振動(dòng)；第2階振型直升機(jī)場(chǎng)主要表現(xiàn)為整體沿甲板對(duì)角線(xiàn)偏轉(zhuǎn)；第3階振型直升機(jī)場(chǎng)主要表現(xiàn)為以直升機(jī)場(chǎng)甲板與生活樓連接處為軸整體的向上偏轉(zhuǎn)；第4階振型到第8階振型主要表現(xiàn)為直升機(jī)場(chǎng)甲板局部上下波動(dòng)。

2.2 共振響應(yīng)分析

直升機(jī)平臺(tái)在海上服役期間常年受到多種環(huán)境載荷及直升機(jī)起降載荷影響。如果這些動(dòng)載荷的頻率與直升機(jī)場(chǎng)的固有頻率過(guò)于接近，將會(huì)引起共振現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)引起直升機(jī)場(chǎng)及石油平臺(tái)倒塌。直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)前8階自振頻率見(jiàn)表5。該海域涉及常見(jiàn)的環(huán)境載荷主要為風(fēng)、浪載荷，其頻率遠(yuǎn)小于直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)自振頻率[13-14]，因此由環(huán)境載荷產(chǎn)生共振現(xiàn)象可能性較小。但直升機(jī)在起降過(guò)程振動(dòng)源包括旋翼轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及其他傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)，是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)。且直升機(jī)在直升機(jī)場(chǎng)上存在著陸、不停車(chē)系留及起飛等多種工況，這需要準(zhǔn)確掌握配套直升機(jī)的振動(dòng)特點(diǎn)并輔以直升機(jī)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)才能合理避免直升機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的直升機(jī)場(chǎng)共振現(xiàn)象。

表5 直升機(jī)場(chǎng)前8階模態(tài)頻率

3 沖擊載荷瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 瞬態(tài)沖擊載荷

要進(jìn)行直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)分析[15]，關(guān)鍵是要確定直升機(jī)緊急著陸工況下沖擊載荷時(shí)程曲線(xiàn)。而沖擊載荷受直升機(jī)旋翼拉力、降落速度及起落架緩沖效率等多種因素影響，因此在計(jì)算緊急著陸工況下沖擊載荷時(shí)做出如下假設(shè)[16-17]。

結(jié)合表4緊急著陸工況載荷計(jì)算值，垂直沖擊載荷以169.03 kN作用時(shí)間0.2 s，并在0.4 s后穩(wěn)定成為自重載荷52.01 kN；水平?jīng)_擊載荷以26.00 kN作用時(shí)間0.2 s，并在0.4 s后隨著直升機(jī)停穩(wěn)后減小到0 kN。以直升機(jī)輪胎接觸甲板時(shí)刻作為起始時(shí)間，載荷作用時(shí)間持續(xù)2 s，簡(jiǎn)化后的沖擊載荷歷程曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 直升機(jī)緊急著陸工況下沖擊載荷歷程曲線(xiàn)

3.2 瞬態(tài)沖擊響應(yīng)

模型采用Modal dynamic分析步。模態(tài)分析結(jié)果表明，直升機(jī)場(chǎng)前8階最高階頻率7.824 4 Hz，相應(yīng)的周期為0.127 8 s。瞬時(shí)模態(tài)分析步中的時(shí)間增量要小于0.127 8 s，同時(shí)為了提高計(jì)算精度，綜合考慮選定時(shí)間增量為0.02 s，分析步長(zhǎng)等于載荷持續(xù)時(shí)間2 s。阻尼依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)采用恒定值3%。以圖2所示直升機(jī)著陸位置施加垂直沖擊載荷及水平?jīng)_擊載荷，其他載荷施加值及施加方式與靜力分析時(shí)相同。

通過(guò)查看直升機(jī)場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析各增量步的應(yīng)力云圖，可以找到載荷作用期間峰值應(yīng)力。

圖7 動(dòng)態(tài)分析應(yīng)力云圖

由圖7可見(jiàn)：峰值應(yīng)力發(fā)生在靠近機(jī)輪著陸位置的縱向支撐節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)力值為72.96 MPa，標(biāo)準(zhǔn)[18]要求動(dòng)力載荷作用下許用應(yīng)力比基本許用應(yīng)力增加1/3(應(yīng)力修正系數(shù)1.33)，該處動(dòng)載作用下許用應(yīng)力值為105.80 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。由于動(dòng)態(tài)分析時(shí)應(yīng)力是隨著載荷幅值曲線(xiàn)變化而變化的，因此，在分析時(shí)選取峰值應(yīng)力處繪制該處應(yīng)力歷程曲線(xiàn)。圖8顯示此處峰值應(yīng)力發(fā)生在0.12 s，之后時(shí)間應(yīng)力值在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次波動(dòng)，而后隨著直升機(jī)載荷穩(wěn)定而逐漸穩(wěn)定在在小范圍內(nèi)。

圖8 峰值應(yīng)力處應(yīng)力歷程曲線(xiàn)

直升機(jī)場(chǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大位移29.94 mm,見(jiàn)圖9，與靜力分析最大位移位置相近。動(dòng)態(tài)分析考慮了結(jié)構(gòu)的慣性作用，峰值位移相對(duì)于靜力分析的結(jié)果偏大。由于垂向位移是主要的位移分量，選取發(fā)生最大位移點(diǎn)繪制垂向位移歷程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖10。

圖9 動(dòng)態(tài)分析位移云圖

圖10 最大變形處豎向位移歷程曲線(xiàn)

由圖10可見(jiàn)，垂向峰值位移值26.83 mm，隨著時(shí)間推移位移值逐漸衰減，最后趨于穩(wěn)定在15 mm左右，與靜力分析時(shí)位移值接近。峰值位移發(fā)生在直升機(jī)著陸后的0.12 s，同樣也是峰值應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)刻，說(shuō)明直升機(jī)著陸瞬間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)最為不利，需要重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)論

1)沖擊載荷作用下靜力分析表明，直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)受力最大部位在直升機(jī)后機(jī)輪著陸位置，縱向支撐桁架及支撐結(jié)構(gòu)與生活樓連接處應(yīng)力水平較高。在直升機(jī)場(chǎng)服役過(guò)程中，除了關(guān)注直升機(jī)著陸位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，直升機(jī)場(chǎng)與生活樓連接處亦是需要重點(diǎn)關(guān)注部位。

2)通過(guò)模態(tài)分析得到直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)前8階振型及自振頻率，可知該海域常見(jiàn)風(fēng)、浪載荷頻率遠(yuǎn)離直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)自振頻率，環(huán)境載荷產(chǎn)生共振現(xiàn)象可能性較小。但服役期間要評(píng)估直升機(jī)振動(dòng)頻率，加強(qiáng)直升機(jī)起降過(guò)程中振動(dòng)監(jiān)測(cè)，避免由于直升機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3)對(duì)直升機(jī)場(chǎng)在沖擊載荷作用下進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了峰值應(yīng)力及最大位移的時(shí)間歷程曲線(xiàn)。結(jié)果顯示，在動(dòng)載作用下直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形呈現(xiàn)波動(dòng)特征。在直升機(jī)起降時(shí)除了關(guān)注著陸瞬間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)外，同樣需考慮關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷。建議對(duì)直升機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)受力最大部位交變應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。