谷維青 朱石清 李文治 甘霖 毛鵬

摘? 要：本文介紹了在配備有直升機(jī)機(jī)庫(kù)的船舶進(jìn)行系留座拉力試驗(yàn)的方法，并通過某萬噸巡邏船拉力試驗(yàn)實(shí)例，重點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)中涉及的船體支撐結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行有限元建模和分析，驗(yàn)證其可行性和安全性。

關(guān)鍵詞：系留座;拉力試驗(yàn);支撐結(jié)構(gòu);有限元方法

中圖分類號(hào)：U667.2? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The method of tension test of the mooring bed on the ship equipped with helicopter hangar is introduced，and through the tension test of a 10000t maritime patrol vessel， the finite element modeling and analysis of the force situation of the hull support structure involved in the test are carried out to verify its feasibility and safety

Key words： Mooring bed; Tension test; Support structure; Finite element method

1 前言

我司在建產(chǎn)品10000t大型海事巡邏船（見圖1），是集海事巡航和救助功能于一體的深遠(yuǎn)海平臺(tái)，設(shè)有直升機(jī)起降平臺(tái)、機(jī)庫(kù)和綜合指揮室。在6級(jí)海況下直升機(jī)可以起降（具備夜間起降能力）且可以在起降平臺(tái)系留，在9級(jí)海況下大型直升機(jī)可以在機(jī)庫(kù)存放。

為了確保直升機(jī)保障系統(tǒng)的安全有效性，需要在船舶建造階段對(duì)直升機(jī)保障系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，其中包括直升機(jī)系統(tǒng)系泊試驗(yàn)，而系留座的拉力試驗(yàn)是系泊試驗(yàn)的重要部分，是整個(gè)保障系統(tǒng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)。由于機(jī)庫(kù)內(nèi)空間的限制，在做拉力試驗(yàn)時(shí)需要借助機(jī)艙頂部橫梁做支撐，為了確保試驗(yàn)中船體的安全性，需要對(duì)支撐結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行有限元分析。本文以該大型海事巡邏船為例，介紹機(jī)庫(kù)系留座的拉力試驗(yàn)及支撐結(jié)構(gòu)的受力分析。

2 系留座拉力試驗(yàn)簡(jiǎn)介

系留座拉力試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)直升機(jī)保障系統(tǒng)各部件安裝的正確性、完整性和工作可靠性，驗(yàn)證其性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，為直升機(jī)甲板系留效用試驗(yàn)、直升機(jī)接地演示試驗(yàn)、直升機(jī)甲板系留沖洗及干燥試驗(yàn)等提供安全基礎(chǔ)。

常規(guī)的系留座拉力試驗(yàn)包括：

2.1 系留設(shè)備完整性和接口正確性檢查

（1）檢查系留座、系留索具、高位系留環(huán)的尺寸規(guī)格、數(shù)量等成套性，以及外觀是否完整無缺損，將檢驗(yàn)結(jié)果填入《系留設(shè)備試驗(yàn)記錄表》（見表1）：

（2）按照系留座布置圖（見圖2），檢查：系留座數(shù)量、位置安裝是否符合要求;系留座需焊接牢靠，安裝后與甲板平齊;系留索具的兩頭應(yīng)分別與直升機(jī)模型的系留環(huán)和船的系留座正確連接，且裝、拆方便，并將檢查結(jié)果填入《系留設(shè)備試驗(yàn)記錄表》。

2.2 系留座安裝強(qiáng)度檢查

（1）拉力機(jī)應(yīng)處于良好工作狀態(tài)，系留座與試驗(yàn)夾具連接固定可靠，系留座表面與拉力方向成一定夾角，使整套設(shè)施處于試驗(yàn)狀態(tài);

（2）測(cè)試人員就位，起動(dòng)拉力機(jī)將試驗(yàn)負(fù)荷逐漸拉至最大使用載荷9.9t，保持5分鐘;卸載后用千分尺測(cè)量系留座底面板上十字桿變形量，應(yīng)不產(chǎn)生明顯變形;檢查系留座與船體間的焊縫是否產(chǎn)生裂紋，若符合要求可繼續(xù)下一步加力試驗(yàn)，否則立即停止試驗(yàn);

（3）將試件裝好，重新起動(dòng)拉力機(jī)將試件逐步拉至1.25倍最大使用載荷12.375t，保持5分鐘;卸載后，測(cè)量系留座面板十字桿不應(yīng)產(chǎn)生塑性變形，檢查系留座與船體間的焊縫是否產(chǎn)生裂紋;

（4）將試驗(yàn)結(jié)果填入《系留設(shè)備試驗(yàn)記錄表》。

2.3 適用性檢查

直升機(jī)模型（Z-9模型）在機(jī)庫(kù)停放位置時(shí)，先粗調(diào)好系留索具，然后把系留索具一頭與直升機(jī)模型上的系留環(huán)連接，另一頭與船上的系留座連接;調(diào)節(jié)微調(diào)機(jī)構(gòu)，使系留索拉緊，檢查系留索具的適用性;對(duì)直升機(jī)模型上的每一系留環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)全套系留索具逐一檢查其適用性和可靠性，將檢驗(yàn)結(jié)果填入《系留設(shè)備試驗(yàn)記錄表》。

3 支撐結(jié)構(gòu)受力分析

在機(jī)庫(kù)進(jìn)行系留座安裝強(qiáng)度檢驗(yàn)時(shí)，為了操作方便采用葫蘆吊、測(cè)力機(jī)、索具連接機(jī)庫(kù)頂部橫梁及系留座來施加拉力（見圖3）。隨著抽選的系留座位置不同，系留座表面與拉力方向形成不同的α角，通過拉近葫蘆吊保證施加給系留座的拉力大小達(dá)到要求的數(shù)值，保持一定時(shí)間后，檢查系留座的系留性能及安裝強(qiáng)度。

由于在機(jī)庫(kù)做拉力試驗(yàn)時(shí)需要采用頂部橫梁作為拉力支撐點(diǎn)，因此機(jī)庫(kù)頂甲板局部會(huì)受到高強(qiáng)度的拉應(yīng)力，在試驗(yàn)前需要對(duì)其受力進(jìn)行分析，保證試驗(yàn)的安全性。根據(jù)試驗(yàn)的連接方式，可以得到橫梁的受力圖（見圖4），橫梁受拉力F的作用（F大小等于施加給系留座的拉力），產(chǎn)生向下的分力F1及水平的分力F2，因此機(jī)庫(kù)頂甲板會(huì)受到向下的F1拉應(yīng)力及水平的F2分力作用，其中：

經(jīng)與船東商討確認(rèn)，試驗(yàn)時(shí)對(duì)系留座的拉力只要保證大小要求，拉力與系留座表面所成的角度α可采用豎直或近似豎直的狀態(tài)，其所得結(jié)果可以被認(rèn)可，因此對(duì)于F的水平分力F2可以忽略不計(jì)。當(dāng)α等于90°時(shí)，F(xiàn)1大小等于F，此時(shí)機(jī)庫(kù)頂甲板受到向下最大的拉力，相當(dāng)于垂直狀態(tài)拉系留座（如圖5），因此可用這種極限狀態(tài)對(duì)頂甲板進(jìn)行有限元建模和受力計(jì)算。

4 有限元計(jì)算模型

4.1 船體模型

機(jī)庫(kù)頂甲板長(zhǎng)20.8m、寬12m，肋位區(qū)間為FR58～FR90;甲板板架主要由梁拱甲板、縱桁、強(qiáng)橫梁、橫梁組成。其中，甲板板厚8mm、縱桁腹板8mm*300mm、縱桁面板10mm*140mm、強(qiáng)橫梁腹板10mm*450mm、強(qiáng)橫梁面板12mm*120mm、橫梁BP100*6。機(jī)庫(kù)頂甲板模型，如圖6所示：

4.2 有限元模型

為消除計(jì)算時(shí)邊界條件造成的影響，本次計(jì)算將機(jī)庫(kù)頂甲板結(jié)構(gòu)圖建立三維有限元模型，按照甲板、縱桁、橫梁的設(shè)計(jì)尺寸、板厚、截面等取值。其中：甲板、橫梁和縱桁腹板、縱桁面板采用四節(jié)點(diǎn)板單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡;橫向球扁鋼采用梁?jiǎn)卧簡(jiǎn)卧紤]各構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心;網(wǎng)格劃分采用50mm左右單元（見圖7）。

5 載荷工況及應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

5.1 載荷工況

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系留座應(yīng)滿足10t拉力的工作要求，舾裝專業(yè)要求取1.25 倍的系數(shù)，實(shí)取13t拉力。本次計(jì)算對(duì)系留座施加F=13×9.8= 127.4KN的力進(jìn)行強(qiáng)度校核;另外，經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)試驗(yàn)時(shí)機(jī)庫(kù)頂甲板面上沒有安裝大重量設(shè)備及壓鐵等，因此設(shè)計(jì)載荷可以忽略甲板面的外力影響。

本次試驗(yàn)，采用A型吊碼，吊碼焊在T型橫梁面板上與背面的橫梁腹板板厚對(duì)齊，拉力經(jīng)過吊碼傳遞到結(jié)構(gòu)上，可近似認(rèn)為拉力是線載荷作用在橫梁面板上;同時(shí)認(rèn)為拉力F五等分后作用在五個(gè)節(jié)點(diǎn)上，即F1=127.4/5=25.48KN。由于機(jī)庫(kù)頂甲板的對(duì)稱性以及橫梁的相似性，并結(jié)合試驗(yàn)中預(yù)估的吊碼所在橫梁的位置，本次計(jì)算選取四分之一板架中的6條橫梁共24處進(jìn)行校核（如圖8所示），標(biāo)號(hào)為奇數(shù)的位置作用力施加在十字接頭位置，標(biāo)號(hào)為偶數(shù)的位置作用力施加在間隔橫梁的中部位置，即每根橫梁對(duì)應(yīng)四個(gè)典型位置。

5.2 約束

考慮到模型區(qū)域選取較大，邊界條件對(duì)計(jì)算影響不大，且實(shí)船上機(jī)庫(kù)頂板四周邊界均有圍壁，模型計(jì)算時(shí)將甲板四周邊界取為固定約束。

5.3應(yīng)力衡準(zhǔn)

板單元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，包括各個(gè)節(jié)點(diǎn)及參考點(diǎn)上的的（σx、σy、τ）及σe等，采用Mises等效應(yīng)力。參照CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2018）許用應(yīng)力的相關(guān)要求，支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力不大于表2的許用應(yīng)力值：

5.4 應(yīng)力校核

通過計(jì)算，得到各工況下對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力值和剪應(yīng)力值，見表2所列。從表2看出：各工況下等效應(yīng)力最大值為157.8Mpa<211.5Mpa，剪應(yīng)力最大值為69.1Mpa<122.11Mpa，滿足要求。因此本次利用橫梁做支撐進(jìn)行的系留座拉力試驗(yàn)對(duì)機(jī)庫(kù)頂甲板的影響是在安全范圍內(nèi)，試驗(yàn)可按要求進(jìn)行。

6 結(jié)束語

經(jīng)過有限元建模和計(jì)算分析，確認(rèn)了本次機(jī)庫(kù)系留座拉力試驗(yàn)是安全可行的，可以按要求進(jìn)行試驗(yàn)。本文分析中，由于明確了試驗(yàn)中拉力方向近似豎直，因此可以忽略拉力在水平方向的分力，如果實(shí)驗(yàn)中拉力方向非近似豎直，則需要對(duì)水平分力做各工況下的分析;另外，在工況的選擇上由于該船試驗(yàn)前已經(jīng)預(yù)估了吊碼位置，所以只針對(duì)吊碼位置做了典型位置受力分析，若吊碼位置有變動(dòng)或者不確定，則需要增加施力點(diǎn)分析，分析方法類似。

參考文獻(xiàn)

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