中大型公務船直升機甲板結構設計

宋揚

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

直升機具有適應性強、操作便利等特點，在各類型公務船上得到廣泛應用，有效提升了公務船的探查、補給、救援和轉運能力。直升機甲板主要供直升機起飛、降落、停機或調運、系留，直升機在惡劣海況下著陸時對直升機甲板的沖擊載荷較大，其結構的安全性是設計直升機甲板時應重點考慮的因素之一。

該文以某大型公務船為例，探究中大型公務船直升機甲板布置和結構設計要點。

1 直升機甲板布置

中大型公務船外形威武雄壯，船中處一般布置有大型上層建筑，其縱向重心偏首，如將直升機甲板布置在船首位置，會使船舶首傾更加明顯；雖然可以通過增加尾部壓載來調整浮態，但會增加整船重量，影響船舶的經濟性和續航力。另一方面，直升機甲板布置在首部增加了駕駛室的盲區范圍，直升機在船首降落對駕駛室的視線會產生較大干擾，不利于船舶的安全行駛。

因此，更推薦將艏樓甲板向尾部延伸并布置為直升機甲板以供直升機起飛、降落，其有以下幾個方面的優勢：

（1）改善中大型公務船的首傾現象，對船體的浮態和穩性有一定益處；

（2）艏樓甲板向尾延伸可以增加尾部區域的總縱強度和船體剛度，改善尾部船體結構振動響應，提高船體舒適性；

（3）相比于主甲板，將艏樓甲板設置為直升機甲板可以減輕尾部上浪對直升機起降時的影響，減弱海水對相關船體結構和設備的腐蝕效應，減少船舶日常保養工作量并提高設備的使用壽命，同時對尾部系泊和帶纜作業的影響也可以降至最低；

（4）將尾部艏樓甲板設置為直升機甲板時，著陸沖擊載荷以及甲板骨材、桁材的彎曲許用應力值無需考慮額外的安全系數，有利于減輕船體結構重量。

2 直升機甲板結構設計

該船直升機甲板劃分為露天起降區和機庫系留區，其結構設計思路有所差異。

2.1 露天起降區

該區域將承受直升機降落時的垂直沖擊載荷，多家船級社對直升機甲板降落區的最小板厚和甲板骨材最小剖面模數有明確規定，詹蓉[2]等通過理論計算和對比多家船級社相關規定后發現：

一般情況下板格寬度對板厚影響較大，板厚與板格寬度呈線性關系，板格寬度越小，板厚也越??；在相同板格寬度下，板格長度對甲板板厚的影響很??；加密骨材能夠顯著減小甲板板厚，但并不能減小骨材尺寸。

因此，首先應根據露天強力甲板的相關要求對起降區進行結構設計，再對直升機著陸范圍內的甲板板進行加厚處理，滿足規范的最小板厚要求，并對著陸范圍內的縱骨做加密處理，中間縱骨尺寸不得減小，考慮到施工空間的要求，將骨材間距取為325mm，其甲板平面如圖1 所示。

圖1 露天起降區甲板平面示意圖

2.2 機庫系留區

該區域主要承受直升機固定時的系留載荷，相對起降區其承力較小，同時機庫屬于遮蔽區域，其甲板板厚可適當減小，但必須滿足最小板厚和最小剖面模數的要求，另外需考慮直升機從露天起降區移動到機庫的路徑，在其路徑范圍內做加密縱骨設計。

3 直升機甲板結構直接計算強度評估

對于直升機甲板結構，各船級社均要求進行直接計算，接下來依據中國船級社《鋼制海船入級規范》相關規定進行強度評估，此次僅選取更危險的露天起降區工況進行評估，機庫系留區強度評估可參考露天起降區進行。

3.1 直升機主要參數

該船配備的直升機最大起飛重量為13t，后兩輪間距4.3m，后輪與前輪間距6.57m，每個輪印尺寸為370mmX182mm，直升機系留索具破斷載荷67.5kN。

3.2 露天起降區強度校核

3.2.1 計算工況

（1）甲板均布載荷工況（LC1）：整個甲板區域上覆蓋2 kN/m2的均布載荷。

（2）直升機著陸沖擊工況：①直升飛機正常降落時的垂直沖擊載荷；②考慮雪或其它環境所施加的0.5kN/m2的均布載荷；③直升機甲板結構自重。選取四種不利的直升飛機著地位置（跨度大的強梁、縱桁、縱骨上以及兩縱骨中間），分四種子工況（LC21、LC22、LC23、LC24）進行計算。

（3）直升機露天系留工況（LC3）：①承受最大起飛重量的輪印載荷；②考慮雪或其它環境所施加的0.5kN/m2的均布載荷；③直升機甲板結構自重；④直升機和直升機甲板結構由于船舶運動而產生的慣性力,水平慣性力和垂直慣性力取為直升機和直升機甲板結構自重相應載荷的0.5 倍；⑤直升機系留索具破斷載荷。

3.2.2 有限元模型

選取露天起降區直升機甲板結構作為研究對象，運用MSC 的PATRAN/NASTRAN 通用軟件進行有限元分析評估。模型縱向范圍為FR-8 強框架至FR32 強框架，橫向范圍為整個直升機甲板，垂向范圍從直升機甲板延伸到下一層主甲板。甲板采用板單元，強橫梁腹板、縱桁腹板采用板單元，縱骨、強橫梁面板、縱桁面板、支柱采用梁單元，單元大小為縱骨間距，并作適當細化。舷側及尾部下支撐采用剛固的邊界條件，甲板前端及支柱下端采用簡支的邊界條件，其有限元模型如圖2 所示。

圖2 露天起降區直升機甲板結構有限元模型

3.2.3 計算載荷

3.2.3.1 著陸輪印載荷

根據規范，直升機降落時通過其主輪組作用在甲板板上的垂直沖擊載荷為1.5 倍最大起飛重量（假定后輪同時著地），兩個后輪輪印上的壓力如公式1 所示。

式中：P—直升機最大起飛重量，t；

S—直升機著陸時的單個輪印面積，mm2。

3.2.3.2 系留輪印載荷

直升機系留時輪印共同承受其最大起飛重量，每個輪印上的壓力如公式2 所示。

式中：P—直升機最大起飛重量，t；

S—直升機著陸時的單個輪印面積，mm2。

3.2.4 強度衡準

該船直升機甲板區域全部使用普通鋼，其屈服強度為235MPa，根據《鋼制海船入級規范》，直升機甲板結構的許用彎曲應力衡準如表1 所列，許用剪切應力衡準如表2 所列。

表1 許用彎曲應力衡準

表2 許用剪切應力衡準

3.2.5 計算結果

通過有限元分析，可得到各工況下起降區直升機甲板結構的最大彎曲應力和最大剪切水平，其計算結果如表3 所列。

表3 露天起降區有限元計算結果

由表3 可知，露天起降區船體結構在各工況下的最大彎曲應力和最大剪切應力均小于許用應力，滿足規范要求，最大彎曲應力和剪切應力出現在甲板縱骨處。

4 結論

通過對某大型公務船直升機甲板布置和結構設計進行分析研究，可得出以下結論：

（1）針對其船型特點，中大型公務船更適合在尾部布置直升機甲板，對船舶穩性、浮態、經濟性和操縱性都更有利；

（2）在保證施工空間的基礎上，采用加密骨材的方式可以有效減少直升機甲板的板厚，但必須滿足規范最小板厚的要求，另外從有限元評估結果來看骨材的剖面模數和剪切面積是設計人員重點關注的船體構件。