300英尺自升式钻井平台直升机甲板的结构设计与强度计算
  
作者：张宝吉   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 10:29:12

摘  要：为了满足自升式钻井平台上、下人员及救生、逃生的需要，一般都要设置直升机甲板，而直升机甲板结构的强度问题又关系到整个平台的设计和安全，因此，针对这一问题，本文以某300英尺自升式钻井平台为例，对其直升机甲板进行结构设计，并且对设计结果采用有限元分析软件ANSYS进行强度校核，以此来验证结构设计的可靠性。

关键词：自升式钻井平台；直升机甲板；结构设计，强度计算

1引言

海洋平台作为海上油气资源开发的基础设施和海上油气生产的作业基地，其安全性对确保海上油气正常开发和作业人员人身安全极其重要。自升式钻井平台属于海上移动式平台,由于其定位能力强和作业稳定性好,在大陆架海域的油气勘探开发中居重要地位。当前,全球已建与在建的深水自升式钻井平台共117座[1～2]，其数量占四种常用活动式平台（其它三种是：半潜式、钻井船及坐底式）中的三分之二以上。由于海洋平台所处的海洋环境十分复杂和恶劣，风、浪、海流和潮汐及其他不确定载荷等往往对平台结构的安全构成极大的威胁。

为了满足上、下人员及救生、逃生的需要，一般都设有直升机甲板，可供直升机进行起飞、降落和短暂的停留[3]。直升机甲板的设计应按照《海上移动平台入级与建造规范》进行。且必须设置在安全区，一般设在顶甲板生活模块一侧[4]。直升机甲板的设计为了满足规范对无障碍物区域的要求，常常需要将飞机甲板伸出平台之外,这就要求用桁架结构来支撑。常用的支撑形式如图1、2、3所示。近年来，随着海洋平台的迅速发展，直升机甲板结构的局部强度问题成为人们关注的焦点[5]。直升机甲板平台的支撑结构除了要满足强度的要求之外，还要综合考虑结构自重、结构刚度、吊装和焊接等工艺要求。其中结构自重和刚度是结构设计时候首先要考虑的因素，国外已经出现了铝质的直升机甲板模块，该模块自重轻、强度、刚度好且模块化程度高，但是成本较高[6～7]。

图1.“海洋石油931”直升机甲板           图2.“胜利八号”直升机甲板

图3.“胜利九号”直升机甲板

2直升机甲板的结构设计

该自升式钻井平台是一艘用于海上石油和天然气勘探、开采工程作业的钻井装置，适合于91.4m水深以内海域环境条件下的钻井作业，入美国船级社（ABS）和中国船级社（CCS）。平台船型为三角形船体，带有三个三角形桁架桩腿，每个桩腿由下端的桩靴支撑。钻井平台的船体全长56m，船宽56m，型深7.5，平台的总布置如图4所示。

图4.300英尺作业水深自升式钻井平台的总布置图

钻井平台前端的桁架结构用来支撑直升飞机甲板，直升飞机甲板的设计应符合船级社和管理当局对于Sikorsky S-61N型直升机的规范标准。该直升飞机重9.26吨，螺旋桨直径18.9米。直升机甲板位于平台生活楼顶甲板的前端，如图4所示。

根据《海上移动平台入级与建造规范》（2005）第11篇，直升机甲板的结构与设施进行设计。甲板的尺寸根据直升机的型号和螺旋桨的直径来确定，采用板、梁、管构件来设计，根据给定的载荷工况和条件设计出的直升机甲板结构如图5所示，各构件尺寸如表1所示。

图5.300英尺作业水深自升式钻井平台直升机甲板结构设计图

表1.直升飞机甲板各构件尺寸

3直升机甲板的结构强度校核

3．1模型坐标系选择

为了描述直升机甲板在各计算工况下结构的变形及应力分布情况、约束及加载条件，建立有限元模型前应首先选取模型的总体坐标系，模型的坐标原点选在直升机甲板平面、平台中纵剖面与平台左侧面的交点处，Z垂直向上，Y轴沿船宽方向，X轴沿船长方向.。

3．2单元的选取及结构模型的建立

为了保证分析计算可靠，必须采用比较精确的结构分析模型，尽可能把每一个主要构件真实地描述出来。根据直升机甲板的结构及受力特点，采用ANSYS单元库中的如下三种单元进行建模：

1) 弹性板壳单元SHELL63：具有4个节点，每个节点有6个自由度（沿三个单元坐标轴的移动和绕它们的转动自由度）。具有抗弯曲和薄膜能力，能承受面内和垂向载荷的弹性单元。

2) 线性有限应变梁单元BEAM188：具有2个节点，每个节点有6个自由度（沿三个单元坐标轴的移动和绕它们的转动自由度），具有抗拉、压、弯、扭能力，可以模拟任意闭合（如矩形钢管）或敞开（如不等边角钢）截面的梁单元，能够真实地反映构件的截面形状。

3)管单元PIPE16：PIPE16是具有抗拉、压、弯、扭能力的单轴弹性单元，在每个节点上也有6个自由度。

3．3几何模型的建立和网格剖分

根据《海上移动平台入级与建造规范》(2005)，中第二篇、第11章，用三维有限元模型进行直升机甲板强度直接计算，模型范围要求包括整个直升机甲板和支撑平台的桁架结构。有限元网格纵向按肋骨间距(700mm), 横向按纵骨间距（700mm）进行划分，网格形状尽量接近正方形。直升机甲板采用4节点的板壳单元（Shell63）模拟，对于承受飞机压力和其他载荷的甲板上的横梁、纵骨用梁单元(BEAM188)来模拟，支撑直升机甲板的桁架结构用管单元（PIPE16）来模拟。模型的单元数目4143个，节点数目4173个。直升机甲板结构有限元模型如图6所示。

3．4约束和载荷

为了便于计算结构的相对变形，必须给直升机甲板加上适当的约束，令其不作刚体运动，同时也不能限制它的变形，不能影响结构受力，这样求出的相对变形和内力才是真实的。所以对该模型和生活楼的接触点施加端面约束：即δx＝0，δy＝0，δz＝0。载荷的施加根据《规范》分别从甲板均布载荷、直升机着陆时碰撞、直升机存放三种工况进行考虑，如表2所示。施加载荷后的直升机甲板如果7所示。

表2.直升机甲板的载荷工况

图6.直升机甲板结构有限元模型     图7. 直升机甲板结构有限元模型的载荷与约束

3．4材料许用应力

根据《海上移动平台入级与建造规范》(2005)，中第二篇、第11章要求，主要构件的应力应不超过许用值，该模型中钢材是由高强度钢构成，其屈服极限为315N/mm2；弹性模量取为2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，密度取为7.85×10-6kg/mm3。直升机甲板平台的最大许用应力和设计应力的比较如表3所示，从表中可以看到，三种工况的设计应力均满足最大许用应力要求。

表3  最大许用应力和设计应力比较（N/mm2）

图a.甲板板应力图                      图b.甲板纵骨应力图

图c.甲板横梁、甲板纵桁、甲板圈梁应力图        图d.支撑平台桁架应力图

图8.甲板均布载荷工况

图a.甲板板应力图                      图b.甲板纵骨应力图

图c.甲板横梁、甲板纵桁、甲板圈梁应力图        图d.支撑平台桁架应力图

图9.直升机着陆时碰撞工况

图a.甲板板应力图                      图b.甲板纵骨应力图

图c.甲板横梁、甲板纵桁、甲板圈梁应力图        图d.支撑平台桁架应力图

图10.直升机存放工况

图8～图10是直升机甲板三种设计工况的应力云图，分别是直升机甲板上板单元、梁单元和管单元的受力情况，从图中可以看出，三种工况最大应力均发生在直升机甲板和生活楼模块接触点，这和实际情况完全相符，因为直升机甲板的受力可以看作是一根悬臂梁结构，受力最大的位置就是其根部。因此，这些部位的设计一定要格外关注，并且要适当加强，来提高结构的稳定性。

4.结论

本文从300英尺自升式钻井平台的直升机甲板的设计出发，采用有限元分析软件ANSYS对其结构进行了强度校核，结果完全满足规范要求。并且从分析的结果中我们可以找到受力最大的位置和实际的受力情况完全相符。该研究成果可以为以后研究结构的优化设计提供有益的借鉴。

参考文献

[1]Harding BW.2007 world survey of deepwater jack-up rigs[J].Offshore Magazine, July 2007.

[2]Harding BW, Maksoud J.Deepwater jack-up fleet continues to expand[J].Offshore Magazine, 67(7), July 2007.

[3]唐森，李卫华，黄晓东.14000kw海洋救助船直升机平台的结构设计[J].2006,113(1): 29-32.

[4]中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》[M]，人民交通出版社，北京，2005.

[5]魏升禄.“T250-1”油水补给船直升机平台甲板结构的设计[J].造船技术，1994，173(7): 15-20.

[6]李利飞，徐田甜，张建勇.浅谈我国海上固定式平台生活模块的现状和发展趋势[J].船海工程，2008，27（3）：87－91.

[7]贾士栋.采油平台总体设计的基本思路[J].中国海上油气(工程),2000,12(4):10-14.